铁基非晶粉体_Zn复合材料的制备及其显微结构.pdf

第5 8 卷第3 期 2 0 06 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N O ．3 A u g u s t 20 0 6 铁基非晶粉体／Z n 复合材料的制备及其显微结构 罗军，朱正吼，刘勇，胡伟，孙建 南昌大学材料科学与工程学院，南昌3 3 0 0 4 7 摘要采用粉末冶金方法制备铁基非晶粉体／Z n 复合材料，用X 射线衍射仪、金相显微镜和扫描电镜 配备能谱仪 分析研 究材料的界面及显微结构及其主要影响因素。结果表明，非牖粉体没有晶化，得到了铁基非品粉体／Z n 复合材料，复合材料界面和 显微结构比较好。烧结温度和时间是影响非晶向品体转变的主要因素，烧结温度越高，烧结时间越长，界丽结合越好，但必须在一 定的范围内。加入烧结助剂纳米T i 0 2 有利于材料烧结，对材料界面有重要的影响。 关键词金属材料；锌基复合材料；铁基非晶粉体；界面 中图分类号T G l 4 6 ．1 3 ；T G l l 3 ．1 2 ；T B 3 3 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 3 0 0 1 6 0 5 以金属和金属间化合物为基体的复合材料称为 金属基复合材料，简称M M C 。金属基体在复合材 料中的作用主要有 1 固结增强体，构成复合材料 的整体； 2 传递和承受载荷； 3 赋予复合材料一定 的形状，保证复合材料一定的可加工性； 4 复合材 料的强度、刚度、密度、导电、导热等性能和基体的相 应性能密切相关【卜2 | 。 试验中用锌做基体。锌具有良好的机械性能和 可加工性，在汽车行业、电子行业、五金行业、化学工 业等方面有广泛地应用[ 3 ] ，但锌的综合性能不高， 使用寿命不长，尤其在温度高于1 0 0 ℃时，锌的硬度 和强度都有大幅度降低，从而限制了它的应用范围。 选用增强材料是改善其性能的一种有效方式，以前 的增强材料一般为石墨纤维、碳纤维和碳化硅纤维， 工艺比较复杂，而且成本较高。试验中选用铁基非 晶粉体做为增强材料，由于铁基非晶粉体和锌粉的 密度相当，两者的相容性较好，所以工艺简单，能够 制备出性能优良的锌基复合材料。 1实验方法 1 ．1 试验工艺 首先把粒径为5 肚m 的非晶粉 F e 7 3 5 C u 】 N b 3 S i l 3 ．5 8 9 、纯Z n 粉 9 9 。9 ％ 和T i 0 2 纳米粉 3 0 n m 按一定的配比混合 配比列于表1 ，加入适 收稿日期2 0 0 4 1 2 2 4 基金项目江西省科技攻关项目 Z 0 3 1 6 7 作者简介罗军 1 9 8 0 一 ，男，南昌市人，硕士生，主要从事复合材 料等方丽的研究。 当的酒精在行星式高能球磨机中球磨分散3 0 r a i n 大盘转速1 5 0 r ／m i n ；庐5 m m 钢球；球／料 1 0 1 ， 然后在模具中压制成型 2 0 M P a ，最后真空烧结 真 空度6 ．6 7 1 0 2 P a 。 表1 试样与烧结工艺 T a b l e1S a m p l e sa n dt h e i rs i n t e r i n gp r o c e s s e s 1 ．2 分析测试 X R D 采用B E D E 的x r a y 衍射仪来对试样进 行检测；金相组织观察用M E F 3 型金相显微镜； S E M 及线扫描用Q U A N ‘i r A2 0 0 型扫描电镜，配备 O X F O R D I N C A X S I G H T 型能谱仪。 2试验结果与分析 2 ．1物相分析 样品的X R D 图谱如图l 所示。通过X R I 图谱 可以判断样品中的主要物相为Z n ，没有其他物质的 I I I k 、 魁 氆 2 f 螂4 f J5 f “J_ f g o 2 0 ／ 。 图1A 2 样品的X R D 图谱 F i g 。1X R Do ft h es a m p l eA 2 8 ■k 一 ”0I●0ii托一 4 订 婚■一 8 9一J一■1种00出几一 11{■JJj●]11JJJJ●]1 似蛳㈣删洲似则。 万方数据 第3 期罗军等铁基非晶粉体／Z n 复合材料的制备及其显微结构 1 7 特征峰出现，说明铁基非晶体没有发生向晶体的转 变，得到是铁基非晶粉体／Z n 复合材料。 2 ．2 金相组织观察 A 1 和A 2 的金相组织分别见图2 和图3 与图4 和图5 。由图2 和图3 可知A 1 1 h 样品烧结的不 好，界面结合不够理想，基体Z n 没有起到良好的粘 接作用。主要原因是烧结时间短，z n 没有足够的时 间扩散，因此独立地分散于材料中。然而，A l 3 h 样品烧结得明显比A 1 1 h 样品好，主要原因在于随 着在真空中烧结时间的加长，Z n 有了足够的时间扩 散，使基体和增强体的复合变好。 图2A 1 1 h 的金相组织5 0 0 F i g ．2M i c r o g r a p h yo fA 1 1 h 5 0 0 图3A 1 3 h 的金相组织5 0 0 F i g ．3M i c r o g r a p h yo fA 1 3 h 5 0 0 从图4 和图5 可见，A 2 的组织比前两个样品致 密，界面结合也比较好，颗粒更细小且分散更均匀， 大块组织比A 1 试样减少了很多，但也存在很多气 孔，如图中的A 区域，通过明场与相衬照片的比较， 可以认定A 为一个空心的空洞。造成以上这些结 果的原因主要有温度的升高使得原子的扩散加剧， 从而致密度更高；T i 0 2 的加入，一定程度上阻碍了 试样颗粒的增大，因此，颗粒较细；而另一方面随着 烧结温度的提高，Z n 已经达到熔化温度，冷却凝固 收缩时造成气孔较A 1 要多。 图4A 2 的金相组织【明场 4 0 0 x F i g ．4M i e r o g r a p h y b r i g h tf i e l di m a g i n g o fA 24 0 0 图5A 2 的金相组织 相衬 4 0 0 F i g ．5M i c r o g r a p h y p h a s e c o n t r a s ti m a g i n g o fA 24 0 0 x 2 ．3 显微结构观察 A 1 和A 2 的微观结构分别见图6 和图7 ，可以 清楚的看到，增强体在基体中的均匀分布。其中图 7 表明纳米T i 0 2 的部分团聚，图6 则显示出复合材 料烧结程度不好，基体与Z n 之间有明显的分界面， 相比之下，A 2 样品的基体没有明显的分界面，基体 和增强体的界面结合比较好，基体上有着明显的流 痕，这主要是因为A 2 样品的烧结温度较高，基体锌 的熔化改善了流动性和扩散性，有利于复合。 图6A 1 1 h 样品的显微结构 F i g ．6 M i c r o s t r u c t u r eo fs a m p l eA 1 1 h 万方数据 1 8有色金属第5 8 卷 图7A 2 样品的显微结构 F i g ．7 M i c r o s t m c t u r eo fs a m p l eA 2 2 ．4 线扫描结果 在扫描电镜中找到A 2 样品中合适的区域视 场，利用能谱仪进行线扫描分析，得到如图8 照片中 所示方向上的元素分布。从图8 的数据可以看出， 基体和增强体之间发生了不同程度地元素扩散，非 晶粉体中的元素向锌基体中扩散，对锌产生了合金 化的效果。 2 ．5 非晶体未向晶体转变的因素 x 射线分析结果表明，铁基非晶粉体没有发生 向晶体的转变。温度是影响非晶向晶体转变的主要 因素，因为在非晶材料中，组成物质的原子、分子的 图8A 2 样品的线扫描5 0 0 0 F i g ．8 L i n es c a n n i n go fs a m p l eA 25 0 0 0 万方数据 第3 期罗军等铁基非晶粉体／Z n 复合材料的制备及其显微结构 1 9 空间排列不呈现周期性和平移对称性，是无序排列 的，因此，在较低的温度下，组成物质的原子、分子没 有足够的能量促使它们进行重新地排布，得到长程 有序的晶体结构HJ 。 此外，烧结时间也是一个重要的影响因素，如果 烧结的时间很短，即使温度足够的话，也难以发生非 晶体向晶体的转变。 试验中温度没有达到铁基非晶粉体的晶化温 度，故得到是一种非晶粉体／Z n 的复合材料。 2 ．6 影响界面的因素 在复合材料中，两相之间某种材料特性出现不 连续的区域叫做界面。这种不连续可以是陡变的， 也可以是渐变的。一般情况下，复合材料的界面产 生于复合材料的制备过程中，界面的组成、结构、性 能对复合材料有很重要的影响bJ 。金属基复合材 料的界面层包括固溶体和金属间化合物。固溶体是 通过组分之间元素相互扩散并相互溶解而形成的以 颗粒或基体金属为母相的一种新相。当体系的热力 学和动力学条件允许时，扩散的物质之间发生化学 反应并形成化合物，金属和金属、金属和非金属之间 的化合物称为金属间化合物。金属间化合物具有高 熔点、高硬度和较高的脆性，当反应产物超过一定厚 度时，会导致界面的脆化，影响复合的效果。 2 ．6 ．1 基体和增强体之间润湿性的影响。润湿性 是用于描述液体在固体表面上自动铺展程度的术 语【lJ ，在复合材料中对增进结合有重要的作用。液 体对固体的润湿条件为液一固表面能 液一气表面 能 固．气表面能，即确。 丫】。 7 刚可见，降低液一 固表面能和液一气表面能或者增大固一气表面能都 有助于润湿，也就是说，只有当系统的自由能减少 时，液滴才能够铺展，并润湿固体的表面。决定润湿 性的因素很多，如固体表面的原始状态、固体表面的 粗糙度等，但是，最本质的还是体系中各相的属性。 在试验中，锌和铁基非晶粉体的润湿性较好，且非晶 粉体中元素对纯金属锌的合金化降低了纯锌的表面 参考文献 能，增进了基体对增强体的润湿，这有利于形成良好 的界面。 2 ．6 ．2 烧结助剂的影响。烧结助剂纳米T i 0 2 的加 入有利于材料的烧结，将改善复合材料的界面结合 性能和材料的致密化程度，会导致材料的硬度和冲 击韧性的增加。此外，纳米T i 0 2 的活性很高，在烧 结的过程中，能够提供基体和增强体能量，它在晶界 处的富集有利于元素之间的扩散，形成牢固的界面 结合。 2 ．6 ．3 烧结温度和时间的影响。不同的烧结温度 和时间将影响基体和增强体的界面结合，烧结温度 越高，烧结时间越长，提供给粒子的能量就越高，材 料中原子或离子的扩散能力就越强，这样基体和增 强体之间就能在界面处进行粒子的交换和扩散，使 得复合材料在界面处形成牢固的结合，这有利于材 料性能的提高。从线扫描的结果中可以看出在界面 区基体和增强体之间发生了明显的扩散现象。 此外，烧结温度越高，烧结时间越长，也有利于 改善基体和增强体之间的润湿性，增强复合的效果。 然而，必须指出，温度和时间的控制要适当，过高的 温度和过长的时间，将会对材料造成损伤和发生较 重的界面反应而产生脆性大的金属间化合物，且易 造成基体锌的挥发，在材料内部形成大量的孔洞，这 样就不利于在基体和增强体之间形成牢固的结合， 最后导致整个材料的性能下降。 3结论 通过适当的烧结温度和时间制备出铁基非晶粉 体／Z n 复合材料。温度和时间是影响非晶向晶体转 变的主要因素，试验产物铁基非晶粉体未晶化。不 同的烧结温度和时间将影响基体和增强体的界面结 合，烧结温度越高，烧结时间越长，界面结合越好，但 必须在一定的范围内。烧结助剂纳米T i 0 2 的加入 有利于材料的烧结，对材料的界面有着重要的影响。 [ 1 ] 郝元恺，肖加余．高性能复合材料[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 4 1 9 9 2 0 1 ． [ 2 ] 刘政，刘小梅．短纤维增强铝硅合金复合材料的组织与断口形貌分[ J ] ．兵器材料科学与工程，2 0 0 2 ，2 5 3 2 2 2 5 ． [ 3 ] 朱光中．纳米复合材料进展概况[ J ] ．惠州学院学报 自然科学版 ，2 0 0 2 ，6 3 3 6 3 9 ． [ 4 ] 蒲泽林，褚景春，毛雪平．颗粒增强金属基复合材料的制备方法综述[ J ] ．现代电力，2 0 0 2 ，1 9 6 3 1 3 7 ． [ 5 ] P e n gY u ，Z h iM e i ，T j o n gSC ．S t r u c t u r e ，t h e r m a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fi n s i t uA l b a s e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t er e i n f o r c e dw i t hA 1 2 0 3a n dT i Cs u b m i c r o np a r t i c l e s [ J ] ．M a t e r i a l sC h e m i s t r ya n dP h y s i c s ，2 0 0 5 ，9 3 1 0 9 11 6 ． 下转第4 6 页，C o n t i n u e d0 1 3 ．P ．4 6 万方数据 4 6 有色金属 第5 8 卷 _ _ _ ●- _ _ _ _ ●_ _ ●●_ _ _ _ ●- _ - _ _ _ - _ _ _ - - - _ - - - _ _ - ，_ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ ●- - _ - - ● _ _ _ ●- _ _ _ - ●_ _ _ - - ●_ _ _ _ - - _ _ _ - - - ●_ _ _ _ _ _ _ _ - ●- _ _ ●- ●_ _ _ _ - - _ ●●●h - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ - _ ●- _ _ - _ ●_ _ _ _ _ _ _ _ - 一●H - ●_ _ - _ - _ _ ●H _ ，_ - - _ _ - ●_ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ 一 [ 1 3 [ 1 4 [ 1 5 郑国渠，曹华珍，唐漠堂．氯氧化铋制备高纯氧化铋过程中除氯的研究[ J ] ．有色金属，2 0 0 1 ，5 3 2 5 2 5 4 ． 刘建本，陈上，吴竹青，等．纳米氧化锌水溶胶的紫外一可见光特性[ J ] ．精细化工，2 0 0 2 ，1 9 2 9 3 9 4 ，1 1 1 ． L i q i a n gJ i n g ，Z i l iX u ，X i a o j u nS u n ，e ta 1 ．T h es u r f a c ep r o p e r t i e sa n dp h o t o e a l y t i ca c t i v i t i e so fZ n Ou l t r a f i n ep a r t i c l e s [ J ] ．A p p l i e dS u r f a c eS c i e n c e ，2 0 0 1 ，1 8 0 3 ／4 3 0 8 3 1 4 ． P r e p a r a t i o no fN a n o m e t e rB i s m u t hO x i d ef r o mB i s m u t hO x i d eC h l o r i d e W U W e n w e i ，L A jS h u i b i n ，J I A N GQ i u y u ， C o l l e g eo fC h e m i s t r ya n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ， L I A OS e n ，S UY u n f e n g ，W L ，C h a 0 _ g u a n g G u a n g x iU n i v e r s i t y ，N a n n i n g5 3 0 0 0 4 ，C h i n a A b s t r a c t Ah o v e lt e c h n o l o g yo nd i r e c t l yp r e p a r a t i o no fn a n o m e t e rB i 2 0 3f r o mB L O C li si n v e s t i g a t e d ．T h eb i s m u t h o x i d ec a r b o n a t e ，p r e c u r s o ro ft h eB i 2 0 3 ，i sp r o d u c e db yt r a n s f o r m a t i o na n dt w i c ee l i m i n a t i o no fc h l o r i d ew i t h N H 4 H C 0 3 - N H 3s o l u t i o nf r o mB i O C l ．T h ep r o d u c tw i t h4 0 n mi na v e r a g ed i a m e t e ra n d0 ．6 2 ％i nc h l o r i d e c o n t e n ti sp r e p a r e db yt h e r m a ld e c o m p o s i t i o no ft h ed r i e dp r e c u r s o r ．I ti sb e n e f i tt oe l i m i n a t i o no ft h ec h l o r i d e t h a tt h ec o n c e n t r a t i o no ft h eN I - hH C 0 3 ，s o l u t i o np Ha n dt e m p e r a t u r ea r ei n c r e a s e d ，t h eo p t i m a lr e s u l t o ft w i c e c h l o r i d ee l i m i n a t i o ni Sa c h i e v e du n d e rc o n d i t i o no fp H 9a n d5 0 ℃。a n dc a l c i n ea t5 3 0 ℃f o r2 hi Sf a v o r i t et o y i e l d i n gt h ep r o d u c tw i t hf i n ep a r t i c l e ．C o m p a r i n gt ot h et r a d i t i o n a lp r o c e s sw i t hn i t r a t em e d i u m ，t h en o v e l t e c h n o l o g yi sn o to n l yw i t h o u tt h ep o l l u t i o no ft h eN O z ，b u ta l s oe a s i l yp r e p a r a t i o no fe x c e l l e n tp r o d u c tw i t h h i g hp u r i t y ．I tw i l lb ea ni d e a lp e r s p e c t i v ei na p p l i c a t i o na n dd i s s e m i n a t i o n ． K e y w o r d s i n o r g a n i cn o n m e t a lm a t e r i a l ；b i s m u t ho x i d e ；h y d r o m e t a l l u r g y ；b i s m u t ho x i d ec h l o r i d e ； n a n o m e t e r 上接第1 9 页，C o n t i n u e df r o mP ．1 9 P r e p a r a t i o na n dM i c r o s t r u c t u r eo fF e - b a s e dA m o r p h o u sP o w d e r ／Z nC o m p o s i t e L U OJ u n ，Z H UZ h e n g - h o u ，L j UY o n g ，H 【，W e i ，S U N J i a n S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，N a n c h a n gU n i v e r s i t y ，N a n c h a n g3 3 0 0 4 7 ，C h i n a A b s t r a c t T h eF e b a s e da m o r p h o u sp o w d e r ／Z nc o m p o s i t ei sp r e p a r e db yp o w d e rm e t a l l u r g yp r o c e s s ，a n ds o m es i g n i f i c a n ti n t e r f a c ea f f e c t i n gf a c t o r sa n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t ea r ei n v e s t i g a t e db yX r a yd i f f r a c t o m e t e r ， m e t a U o g r a p ha n dS E M e q u i p p e dw i t hE D S ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o d u c ti sF e ．b a s e da m o r p h o u sp o w d e r ／ Z nc o m p o s i t ew i t h o u tc r y s t a l l i z a t i o n ，a n dh a s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo nt h ei n t e r f a c ea n dm i c r o s t r u c t u r e ．T h e s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n dr e t e n t i o nt i m ea r et h ek e yp a r a m e t e r si m p a c t i n go nt h et r a n s f o r m a t i o nf r o ma m o r p h o u ss t a t et oc r y s t a l l i n e ．T h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r ea n dt h el o n g e rt h er e t e n t i o nt i m ei np r o p e rr a n g e s ，t h e b e t t e ri n t e r f a c ea n dt h ed e n s e rm i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t e ．T h ea d d i t i o no fn a n o - T i 0 2i sb e n e f i c i a lt os i n t e r ． i n gr e s u l t s ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；Z n b a s e dc o m p o s i t e ；F e - - b a s e da m o r p h o u sp o w d e r ；i n t e r f a c e 万方数据