Al-Zr-O體系磁化學合成復合材料及機制.pdf

1、近年來，利用物理手段來控制和促進化學反應，是科技界十分關注的研究領域。特別是磁場與化學的交叉和滲透而形成的磁化學技術，利用磁場效應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重要發(fā)展方向，并將在高科技領域有著廣泛的應用前景。 本論文以Al-ZrOCl2、Al-Zr(CO3)2為反應新體系，結合熔體反應法，研究了不同磁場類型(交變磁場、脈沖磁場)對復合材料凝固組織的影響，并成功開發(fā)了磁化學

2、法合成(Al2O3+Al3Zr)p/Al和(Al2O3+Al3Zr)p/Al-4％Cu復合材料；并應用綜合熱分析、掃描電鏡、電子探針、X-射線衍射儀等現(xiàn)代分析和測試手段研究了復合材料的微觀組織，探討了Al-Zr-O復合材料的磁化學反應熱力學和動力學，同時研究了復合材料熱膨脹性能。 實驗結果表明：磁場能影響Al-ZrOCl2、Al-Zr(CO3)2反應體系的原位化學反應的進程，顯著促進化學反應的進行，縮短化學反應的時間，且反應過程

3、平穩(wěn)，無需機械攪拌，有利于復合材料在工業(yè)上的生產(chǎn)應用。而且，不同磁場作用形式對復合材料凝固組織有較大的影響，結果發(fā)現(xiàn)，低頻交變磁場的凝固組織要優(yōu)于高頻交變磁場，而脈沖磁場的凝固組織要優(yōu)于低頻交變磁場，脈沖磁場下原位合成更易獲得顆粒細小，體積分數(shù)高、分布均勻的復合材料；優(yōu)化了磁化學反應工藝參數(shù)(磁場作用時間、磁場強度、磁場連續(xù)作用和間隙作用)，實驗結果為，對于Al-ZrOCl2反應體系，磁場最佳的作用時間為15～20min；對于Al-Zr

4、(CO3)2反應體系，其最佳的作用時間為25～30min。磁場下原位合成的復合材料顆粒相中，Al2O3顆粒(＜2μm)呈圓形，Al3Zr顆粒為板條狀(＜10μm)，部分為粒狀Al3Zr顆粒(＜1μm)；研究了不同基體對復合材料凝固組織及晶粒度影響，結果表明，顆粒在Al-Cu合金中呈彌散分布，并對基體有明顯的細化作用，TEM結果表明，顆粒與基體結合良好，無界面反應產(chǎn)物。 對實驗所進行的Al-Zr(CO3)2、Al-ZrOCl2體系

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

6、的SEM和XRD結合電子探針分析表明，Al-Zr-O體系主要按反應-擴散-破裂機制進行。利用化學反應的過渡狀態(tài)理論，在磁場下將提高化學反應過渡態(tài)系數(shù)，從而促進化學反應的進行，同時建立了相應的磁化學反應動力學模型。 復合材料的熱膨脹性能測試表明，復合材料較基體，其線膨脹系數(shù)明顯地減小，且隨著顆粒體積分數(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。將復合材料的實際值與理論值比較得到，實際值較