燃燒合成Al2O3-(Co,Ni)金屬陶瓷的研究.pdf

1、計算了絕熱條件下，稀釋劑Al2O3對Al-CoO和Al-NiO體系熱爆燃燒合成反應(yīng)起始反應(yīng)溫度T0與絕熱反應(yīng)溫度Tad關(guān)系的影響。熱力學(xué)計算結(jié)果表明，熱爆燃燒合成所采用的Al-CoO與Al-NiO體系屬于可自發(fā)反應(yīng)的高放熱反應(yīng)體系，稀釋劑Al2O3的加入能有效降低兩體系的絕熱反應(yīng)溫度，在等量加入稀釋劑Al2O3的條件下，Al-NiO體系的絕熱反應(yīng)溫度相對于Al-CoO體系更低。提出了反應(yīng)體系設(shè)計原則，即通過調(diào)整體系成分配比，體系Tad應(yīng)

2、當(dāng)控制在Al2O3熔點溫度附近，并確定了可用于實驗制備的反應(yīng)體系成分范圍，包括稀釋劑Al2O3的添加量以及兩反應(yīng)體系的添加比例等。
　　 利用熱爆燃燒合成方法成功制備了基于Al-CoO，Al-CoO-NiO以及Al-CoO-Ni等三種反應(yīng)體系的Al2O3-(Co，Ni)金屬陶瓷，測得的熱爆燃燒合成反應(yīng)溫度Tc在1700K-1860K之間。在利用Al-CoO體系的熱爆燃燒合成制備過程中，起始反應(yīng)溫度T0較低，接近于反應(yīng)物Al的熔點

3、。在利用Al-CoO-NiO體系的熱爆燃燒合成制備過程中，體系在Al熔點附近均出現(xiàn)由固態(tài)反應(yīng)引起的放熱峰，而整體的熱爆燃燒合成起始反應(yīng)溫度T0則接近于1200K。利用Al-CoO-Ni體系可以制備Co-Ni合金相質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到45wt.％的Al2O3-(Co，Ni)金屬陶瓷。
　　 研究了初始粉末顆粒尺寸、預(yù)制塊相對致密度及加熱速率等工藝參數(shù)對熱爆燃燒合成反應(yīng)過程的影響。結(jié)果表明，隨著初始反應(yīng)物粉末顆粒尺寸的降低， Al-Co

4、O體系及Al-CoO-NiO體系的熱爆燃燒合成起始反應(yīng)溫度降低，生成的金屬Co或Co-Ni合金顆粒的尺度也降低，分布更均勻。隨著預(yù)制坯致密度增加，熱爆燃燒合成反應(yīng)T0增加，合成樣品中金屬顆粒尺寸增大。加熱速度降低會使熱爆反應(yīng)不充分，加熱速度過高會造成生成金屬顆粒尺度偏大，基體孔洞較多。在1.4K/s、1.2K/s以及0.8K/s三種加熱速度下，以1.2K/s為宜。通過整體加熱反應(yīng)預(yù)制坯，利用整體熱爆模式獲得處于高溫紅熱狀態(tài)的反應(yīng)樣品，此

5、時采用較低的1.28MPa壓力對樣品進行致密化處理，所獲得的Al2O3-(Co，Ni)金屬陶瓷樣品相對致密度可以達(dá)到96％，具有良好的致密化效果。
　　 運用X射線衍射、掃描電鏡、能譜分析和金相顯微鏡等對燃燒合成產(chǎn)物進行物相分析和組織形貌觀察。結(jié)果表明，熱爆燃燒合成的Al2O3-Co金屬陶瓷中，基體以α-Al2O3為主相，同時含有微量CoAl2O4尖晶石相，金屬相中α-Co與β-Co同時存在，分布于基體晶間的Co顆粒尺寸為5-1

6、0μm，分布于基體晶內(nèi)的顆粒尺寸更小，低于1μm。熱爆燃燒合成的Al2O3-(Co，Ni)金屬陶瓷中，基體以α-Al2O3為主相，同時含有微量的立方晶系(Co，Ni)Al2O4尖晶石相，而第二相為具有面心立方結(jié)構(gòu)的Co-Ni合金，其中Co-Ni合金相與(Co，Ni)Al2O4尖晶石相中Co與Ni的原子比例隨原料配比中CoO含量的增加而增加。生成的Co-Ni合金顆粒尺寸小于10μm并且分布均勻。利用Al-CoO-Ni體系制備的Al2O3-

7、(Co，Ni)金屬陶瓷樣品中，由于Co-Ni合金相質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，形成了連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀合金相分布于陶瓷基體的組織形貌。
　　 利用DSC分析，結(jié)合對水淬樣品的XRD和SEM觀察，研究了Al2O3-(Co，Ni)金屬陶瓷材料的熱爆燃燒合成反應(yīng)過程。結(jié)果表明，熱爆燃燒合成反應(yīng)過程，主要經(jīng)歷初始穩(wěn)定加熱階段、自升溫階段及反應(yīng)孕育階段，最終形成了自維持的熱爆燃燒過程。在初始穩(wěn)定加熱階段，固態(tài)反應(yīng)物顆粒以機械堆垛的形式存在于預(yù)制坯中;預(yù)制坯溫度

8、達(dá)到Al熔點附近，優(yōu)先發(fā)生Al與CoO(NiO)的固相反應(yīng)，其反應(yīng)放熱在顆粒接觸邊緣形成了含有富(Co，Ni)相的熔池區(qū)域，并引發(fā)了有限的樣品溫度快速上升;固相反應(yīng)熄滅后，樣品重新依靠吸收反應(yīng)爐的輻射熱量升溫，為熱爆反應(yīng)的點燃積蓄能量，同時熔池區(qū)域中的富(Co，Ni)相隨溫度的上升完全晶化為Co-Ni合金相;在當(dāng)樣品溫度達(dá)到1169K后，液態(tài)Al與CoO(NiO)之間的鋁熱反應(yīng)點燃了可以自維持的熱爆燃燒反應(yīng)。Al2O3作為稀釋劑，在保持

9、熱爆燃燒平穩(wěn)進行的同時，會與反應(yīng)性金屬氧化物發(fā)生合成尖晶石，因此在最終樣品中不可避免的會出現(xiàn)尖晶石組織。
　　 最后，對熱爆燃燒合成產(chǎn)物進行了磁性能測試。結(jié)果表明，Al2O3-Co與Al2O3-(Co，Ni)金屬陶瓷材料均表現(xiàn)出鐵磁性。Al2O3-Co金屬陶瓷的飽和磁化強度Ms為42emu/g，矯頑力Hc為60.86Oe。Al2O3-(Co，Ni)金屬陶瓷中飽和磁化強度Ms隨著Co-Ni合金中Co的原子比例增加呈線性增加，并且C