梁慧

摘要：以硬脂酸為造孔劑，通過(guò)粉末燒結(jié)工藝制備多孔銅鎳鉻合金，并進(jìn)行高溫壓縮實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：所得的多孔銅鎳鉻合金的孔隙多為球形或近球形的，孔洞尺寸和形貌與硬脂酸的顆粒相似；其應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯分為線性彈性區(qū)，屈服平臺(tái)區(qū)和致密化區(qū)，三個(gè)階段的變形機(jī)制不同。

關(guān)鍵詞：多孔銅合金 造孔劑 高溫壓縮

中圖分類(lèi)號(hào)：TF594文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

0引言

多孔金屬或泡沫金屬材料，是由剛性金屬骨架和內(nèi)部的孔隙組成的，兼具功能和結(jié)構(gòu)雙重屬性的多功能復(fù)合材料。與致密金屬材料相比，多孔金屬材料具有顯著的不同，多孔材料具有高孔隙率、低密度、透過(guò)性能好、耐腐蝕、耐高溫降噪等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子通訊、冶金、建筑、新能源、環(huán)保等行業(yè)中，因此得到了世界各國(guó)科研工作者的廣泛關(guān)注[1-3]。

與多孔鋁或多孔鋁合金相比，多孔銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和耐高溫特性，因此廣泛用于電機(jī)、電器及電子元件的導(dǎo)熱散熱器件。此外，多孔銅合金還具有更好的導(dǎo)電性和延展性，而且成本比較低，可以替代鎳用于制作電池及雙電層電容器的電極材料。又由于多孔銅合金對(duì)人體基本是無(wú)害的，也在醫(yī)學(xué)上得到了大量的應(yīng)用，可以用于制備過(guò)濾材料如血液透析及水凈化過(guò)濾材料。多孔銅合金的許多優(yōu)良特性是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料無(wú)法比擬的，因此對(duì)多孔銅合金的研究有著重要的意義[4-5]。有研究表明[6]，多孔金屬材料的性能不僅取決于基體材料、孔隙率及孔隙尺寸，而且與孔隙的結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。多孔金屬材料的孔隙可以分為兩種：開(kāi)孔和閉孔。對(duì)于功能性的多孔金屬材料，開(kāi)孔結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)勢(shì)。

多孔金屬材料的制備方法眾多，主要方法有鑄造法、發(fā)泡法、沉積法和粉末燒結(jié)法等。各種制備工藝獲得的多孔銅合金的孔隙結(jié)構(gòu)及性能有所不同，所以其應(yīng)用領(lǐng)域也不同。本文采用粉末燒結(jié)法制備多孔銅合金，通過(guò)混合、壓制、去造孔劑、燒結(jié)的工藝方法獲得多孔銅合金。造孔劑的選擇尤為重要，造孔劑不同獲得的多孔銅合金的孔隙形貌不同，則力學(xué)性能也不相同。王清周等[7]人利用NaCl為造孔劑制備多孔銅，其孔隙多為三維貫通開(kāi)孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而周蕓等[8]人利用碳酸鹽為造孔劑，獲得高孔隙率的多孔銅基合金。作者采用球形或近球形的硬脂酸顆粒作為造孔劑來(lái)制備多孔銅鎳鉻合金。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

制備多孔銅鎳鉻合金的原材料為金屬粉末和造孔劑，其中銅粉為霧化銅粉，平均粒度為25-35m，形狀為球形；鎳粉為羰基鎳粉，平均粒度3-4m，球形粉末；鉻粉采用平均粒度為40-50m的鉻粉，造孔劑為硬脂酸。

1.2實(shí)驗(yàn)方案

由于鉻粉的粒度不均勻，首先采用球磨工藝?yán)眯行乔蚰C(jī)打磨6h。鉻粉磨好以后，將三種預(yù)合金粉末混合均勻。按照一定的質(zhì)量比比例關(guān)系稱(chēng)量出粉末，采用行星球磨機(jī)進(jìn)行混料，其中磨球?yàn)樘沾汕?。混合時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)對(duì)金屬粉末起到破壞作用，使得粉末的形狀發(fā)生改變，所以選取混合時(shí)間為2h。將混合均勻的合金粉末與硬脂酸按照體積比為1:1裝入原料瓶中。經(jīng)過(guò)多次嘗試發(fā)現(xiàn)添加少量的無(wú)水乙醇能夠使粉末和造孔劑混合的比較均勻。粉末少量時(shí)可以采用手動(dòng)混粉，將無(wú)水乙醇加入到裝有合金粉末和造孔劑的原料瓶中進(jìn)行混合，混粉時(shí)間約為15min，使得金屬粉末能夠均勻附著在硬脂酸顆粒上，且原料瓶壁上基本上沒(méi)有預(yù)合金粉末附著?；旌蠒r(shí)間過(guò)短，合金粉末不能完全附著在硬脂酸顆粒上；混合時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則附著在造孔劑上的粉末會(huì)由于酒精的揮發(fā)而大量脫落。當(dāng)粉末的量比較大時(shí)可以采用混粉機(jī)進(jìn)行混合，混合時(shí)間根據(jù)需要而定。混粉結(jié)束后，需要立即進(jìn)行壓制，否則在空氣中放置過(guò)久，無(wú)水乙醇大量揮發(fā)，將導(dǎo)致造孔劑和合金粉末分離脫落。本實(shí)驗(yàn)中使用的壓制設(shè)備為粉末壓片機(jī)，為了減少摩擦力防止試樣掉角，便于脫模，可以在裝粉前在模具內(nèi)壁涂少量的硬脂酸鋅酒精溶液作潤(rùn)滑劑。在壓制過(guò)程中，如果壓力過(guò)小則不能夠壓制成型，壓力過(guò)大則會(huì)將造孔劑壓碎，使得最終燒結(jié)的樣品孔隙率減小。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，采用300MPa進(jìn)行壓制。最終獲得的壓制樣品如圖1所示。壓制成型以后需要去除造孔劑，而硬脂酸的沸點(diǎn)為232℃，選擇在300℃時(shí)去除造孔劑。利用管式爐進(jìn)行加熱升溫至300℃，保溫2h，以便能夠盡量多的去除壓坯中的硬脂酸，去除造孔劑后的壓坯見(jiàn)圖2。去除造孔劑后，將壓坯再次放入真空燒結(jié)爐中，在950℃下燒結(jié)1h，保護(hù)氣氛采用氫氣，隨爐冷卻至室溫。

圖1 加壓300MPa獲得的壓制件圖2去除造孔劑后的壓制件

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1宏觀形貌

最終獲得的燒結(jié)樣品如圖3所示，表面上存在大量的孔隙。燒結(jié)后的多孔銅鎳鉻合金的縱剖面圖見(jiàn)圖5，從圖中可以看出，孔型為球形或者近球形的，孔洞形狀大小不一，與造孔劑的形狀有關(guān)。

圖3燒結(jié)后的銅鎳鉻合金圖4銅鎳鉻合金的縱剖面

2.2 高溫壓縮性能

采用蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，溫度設(shè)定為650℃，應(yīng)變速率為10-3/s。將采集的數(shù)據(jù)，利用orgin8.0進(jìn)行處理后得到其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。從圖中可以看出多孔銅鎳鉻合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為三個(gè)階段，即線性彈性區(qū)，屈服平臺(tái)區(qū)和致密化區(qū)。從圖中可以看出當(dāng)應(yīng)變小于10%時(shí)，多孔金屬材料處于線彈性階段，主要表現(xiàn)為孔壁的彈性變形，去除應(yīng)力后可以恢復(fù)到原始狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)變超過(guò)10%以后，開(kāi)始進(jìn)入屈服平臺(tái)區(qū)，部分孔洞開(kāi)始被壓垮，此階段曲線并不平滑，主要是內(nèi)部孔洞的分布不均勻和部分大孔洞被壓垮引起的。繼續(xù)加載，在應(yīng)變達(dá)到50%以后，多孔銅鎳鉻合金的孔壁互相接觸，基體金屬開(kāi)始被壓縮，導(dǎo)致應(yīng)力迅速上升，進(jìn)入致密化區(qū)，多孔合金向致密合金轉(zhuǎn)變。

圖5 多孔銅合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3結(jié)論

利用硬脂酸做造孔劑，通過(guò)粉末混合、壓制、燒結(jié)制備得到多孔銅鎳鉻合金。

制備獲得的多孔銅合金的孔隙形貌多為球形或者近球形的孔洞，大小不一。

多孔銅合金的高溫壓縮曲線分為三個(gè)階段，每個(gè)階段的變形機(jī)制不同。

參考文獻(xiàn)

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