Al-Zr-O體系磁化學(xué)合成復(fù)合材料及機(jī)制.pdf

1、近年來(lái)，利用物理手段來(lái)控制和促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，是科技界十分關(guān)注的研究領(lǐng)域。特別是磁場(chǎng)與化學(xué)的交叉和滲透而形成的磁化學(xué)技術(shù)，利用磁場(chǎng)效應(yīng)提高材料制備合成的效率和改善材料性能，已受到人們廣泛的重視，而且正在成為材料研究的一個(gè)重要發(fā)展方向，并將在高科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 本論文以Al-ZrOCl2、Al-Zr(CO3)2為反應(yīng)新體系，結(jié)合熔體反應(yīng)法，研究了不同磁場(chǎng)類型(交變磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng))對(duì)復(fù)合材料凝固組織的影響，并成功開發(fā)了磁化學(xué)

2、法合成(Al2O3+Al3Zr)p/Al和(Al2O3+Al3Zr)p/Al-4％Cu復(fù)合材料；并應(yīng)用綜合熱分析、掃描電鏡、電子探針、X-射線衍射儀等現(xiàn)代分析和測(cè)試手段研究了復(fù)合材料的微觀組織，探討了Al-Zr-O復(fù)合材料的磁化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，同時(shí)研究了復(fù)合材料熱膨脹性能。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：磁場(chǎng)能影響Al-ZrOCl2、Al-Zr(CO3)2反應(yīng)體系的原位化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，顯著促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，縮短化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間，且反應(yīng)過(guò)程

3、平穩(wěn)，無(wú)需機(jī)械攪拌，有利于復(fù)合材料在工業(yè)上的生產(chǎn)應(yīng)用。而且，不同磁場(chǎng)作用形式對(duì)復(fù)合材料凝固組織有較大的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低頻交變磁場(chǎng)的凝固組織要優(yōu)于高頻交變磁場(chǎng)，而脈沖磁場(chǎng)的凝固組織要優(yōu)于低頻交變磁場(chǎng)，脈沖磁場(chǎng)下原位合成更易獲得顆粒細(xì)小，體積分?jǐn)?shù)高、分布均勻的復(fù)合材料；優(yōu)化了磁化學(xué)反應(yīng)工藝參數(shù)(磁場(chǎng)作用時(shí)間、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)連續(xù)作用和間隙作用)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為，對(duì)于Al-ZrOCl2反應(yīng)體系，磁場(chǎng)最佳的作用時(shí)間為15～20min；對(duì)于Al-Zr

4、(CO3)2反應(yīng)體系，其最佳的作用時(shí)間為25～30min。磁場(chǎng)下原位合成的復(fù)合材料顆粒相中，Al2O3顆粒(＜2μm)呈圓形，Al3Zr顆粒為板條狀(＜10μm)，部分為粒狀A(yù)l3Zr顆粒(＜1μm)；研究了不同基體對(duì)復(fù)合材料凝固組織及晶粒度影響，結(jié)果表明，顆粒在Al-Cu合金中呈彌散分布，并對(duì)基體有明顯的細(xì)化作用，TEM結(jié)果表明，顆粒與基體結(jié)合良好，無(wú)界面反應(yīng)產(chǎn)物。 對(duì)實(shí)驗(yàn)所進(jìn)行的Al-Zr(CO3)2、Al-ZrOCl2體系

5、進(jìn)行了熱力學(xué)分析，從Gibbs計(jì)算可得，Al-Zr(CO3)2、Al-ZrOCl2體系能自發(fā)進(jìn)行反應(yīng)，生成Al3Zr和Al2O3顆粒，熔體溫度隨反應(yīng)時(shí)間的變化及XRD分析結(jié)果證實(shí)了熱力學(xué)計(jì)算的正確性；磁場(chǎng)對(duì)熔體和顆粒有分散作用，結(jié)果表明，磁場(chǎng)對(duì)熔體有顯著的震蕩和攪拌效應(yīng)，且從磁場(chǎng)分布角度出發(fā)，得出磁場(chǎng)不均勻度大于10％，熔體為紊流態(tài)；從顆粒受力狀態(tài)角度出發(fā)，在磁場(chǎng)下，不同大小、類型的顆粒將受到不同作用力的大小；根據(jù)不同時(shí)刻取得的水淬試樣

6、的SEM和XRD結(jié)合電子探針?lè)治霰砻?，Al-Zr-O體系主要按反應(yīng)-擴(kuò)散-破裂機(jī)制進(jìn)行。利用化學(xué)反應(yīng)的過(guò)渡狀態(tài)理論，在磁場(chǎng)下將提高化學(xué)反應(yīng)過(guò)渡態(tài)系數(shù)，從而促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)建立了相應(yīng)的磁化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。 復(fù)合材料的熱膨脹性能測(cè)試表明，復(fù)合材料較基體，其線膨脹系數(shù)明顯地減小，且隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大，其線膨脹系數(shù)越小，在20～300℃溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的提高，線膨脹系數(shù)增大。將復(fù)合材料的實(shí)際值與理論值比較得到，實(shí)際值較