一種在磁場中粉漿澆鑄制備功能梯度材料的新方法【精品論文大全】 .doc

精品論文推薦一種在磁場中粉漿澆鑄制備功能梯度材料的新方法嚴密，彭曉領，師偉堂 浙江大學硅材料國家重點實驗室，杭州 （310027） e-mail：mse_摘要：根據(jù)物質磁學性質的差異，提出了一種在外加梯度磁場作用下采用粉漿澆注法制備 功能梯度材料的方法。采用這種方法，成功的制備出了成分連續(xù)變化的 zro2/ni 功能梯度材料，用 x 射線衍射儀、金相顯微鏡和能譜分析儀對 zro2/ni 功能梯度材料的相組成、微觀結構和成分分布進行了表征，并對梯度材料的成分分布做了理論分析。 關鍵詞：梯度磁場，磁學性質，zro2/ni，功能梯度材料 中圖分類號：tb 391引言功能梯度材料是材料的組成、結構隨位置連續(xù)變化的一種新型的復合材料。由于這種組 成和結構的連續(xù)變化可以滿足單一材料內部不同部位實現(xiàn)不同功能的需要，功能梯度材料成 為當前的一個研究熱點1-4。功能梯度材料的研究主要有材料設計、材料制備和性能評價三個方面，其中材料的制 備和結構控制是功能梯度材料研究的重點，目前報道的制備方法主要有粉末冶金法、氣相沉 積法、離心沉淀法、自蔓延燃燒法和等離子噴涂法等5-9。粉末冶金法是將額定組分沿梯度 方向鋪列，再通過壓制、燒結工藝制備功能梯度材料；氣相沉積法則是通過控制反應氣體的 壓力、組成及反應溫度，在遠低于材料熔點的溫度下制備出結構、成分沿厚度方向連續(xù)變化 的功能梯度材料；離心沉淀法是在離心力的作用下，利用不同合金組元的重力差異，使凝固 后的組分從一端到另一端呈現(xiàn)一種或者多種成分梯度而得到功能梯度材料；自蔓延燃燒法則 是利用材料本身化學反應熱使材料固結的方法；等離子噴涂法是通過控制噴槍的送粉量來控 制材料的梯度組成制備出功能梯度材料。粉末冶金法是功能梯度材料制備中最常用的方法， 但其仍存在成分呈現(xiàn)階梯分布而非連續(xù)分布的缺點。本文提出一種利用物質不同的磁學性質，在外加梯度磁場下，采用粉漿澆注法制備功 能梯度材料的方法。在梯度磁場中，鐵磁性粒子和非鐵磁性粒子所受的磁場力會有很大差異， 漿料中不同磁性能的顆粒由于受磁場力的差異而重新排布，實現(xiàn)試樣成分的梯度分布。本試 驗中采用鐵磁性的 ni 和弱磁性的 zro2 作為試驗原料，成功制備出了成分連續(xù)變化的 zro2/ni 功能梯度材料。2實驗部分試驗所用的主要原料為江西泛美亞公司生產(chǎn)的 ysz-f-dm-3.0 型部分穩(wěn)定 zro2 粉末，平均 粒度為 0.75 m，以及北京有色金屬研究總院礦冶所生產(chǎn)的 ni 粉末，平均粒度 12 m。 以聚乙烯吡咯烷酮為分散劑，將 17.6gzro2 粉和 2.1gni 粉球磨 2h，使其分散在水中，然后通過機械攪拌，得到分散均勻的漿料。再將漿料注入模具中，在梯度磁場的作用下成型， 磁場梯度的大小為 0.5t/m，制備示意圖如圖 1 所示。成型干燥后的試樣在真空燒結爐中燒 結致密化，具體的燒結工藝為：從室溫以 5/min 的速率升溫 350，從 350以 1/min的速率升溫到 500，在 500保溫 1h，然后再以 10/min 的速率升至 1350，保溫 5h，隨爐冷卻。將試樣沿軸向切開，并對截面打磨拋光。用 rigaku d/max 2550pc 全自動多晶 x 射線衍- 6 -射儀（日本理學電機株式會社）對試樣進行相結構的分析；用 mef-3 型金相顯微鏡（奧地利 reichert 公司）對試樣進行顯微結構分析；用 sirion 場發(fā)射掃描電鏡（荷蘭 fei 公司） 配置的能譜儀 edax 對試樣進行成分分布分析。圖 1在梯度磁場中制備功能梯度材料示意圖fig.1schematic fabrication of the sample under gradient magnetic field3結果3.1zro2-ni功能梯度材料的物相分析 ni t-zro2 m-zro2intensity(a.u.) 20 40 60 802-theta(deg)圖 2. zro2-ni 試樣的 x 射線衍射圖譜fig.2 x-ray diffraction patterns of a zro2-ni sample圖 2 為在梯度磁場中制得的 zro2-ni 試樣的 x 射線衍射圖譜，由圖可見，存在 ni 的三 個特征衍射峰，沒有其他形式 ni 的衍射峰出現(xiàn)，說明最終得到的試樣中 ni 是以單質的形式 存在，在制備過程中 ni 并沒有出現(xiàn)異常氧化。zro2 的衍射峰主要為單斜型相（m-zro2）和 四方型相（t-zro2），其中四方型相 zro2（t-zro2）的峰強度更高，說明試樣中 zro2 主要以 四方型相存在。3.2zro2-ni功能梯度材料的微觀形貌分析圖 3 為未施加磁場和施加梯度磁場條件下分別制備的 zro2-ni 試樣的光學金相照片。在金相照片中突出的亮點為 ni 顆粒，呈暗色的為 zro2 基體。在未施加磁場條件下制備得到的試樣中，ni 顆粒沒有受到遷移驅動力的作用，不會發(fā)生定向遷移，因而均勻分布在基體相 中，如圖 3（a）所示；而在施加梯度磁場制備得到的試樣，在其厚度方向即磁場梯度方向 上，ni 顆粒形成有序的排列，如圖 3（b）所示。這主要是 ni 顆粒在磁場作用下被磁化后，磁場對顆粒間的作用和顆粒與顆粒間的磁相互作用促使 ni 顆粒定向遷移的結果。圖 4 是圖 3（b）中選定區(qū)域的局部放大圖像，分別對應于沿磁場梯度方向試樣的下、中、 上三個部位。從局部的微觀結構顯示，ni 顆粒是呈現(xiàn)有序的梯度分布，遷移并偏聚于磁場 梯度的方向上。由于磁場梯度的存在，被磁化后的顆粒受到磁作用力而發(fā)生遷移，遷移的方 向與磁場梯度的方向相同，導致 ni 顆粒在漿料中發(fā)生重新排列，在磁場梯度方向上造成 ni 顆粒分布的逐漸變化，出現(xiàn)濃度梯度。圖 3zro2/ni 試樣截面的金相照片圖(50)(a)無外加磁場(b)有梯度磁場fig.3 typical optical micrographs of cross-sections for zro2/ni samples (50) (a) without a magnetic field; (b)with a gradient magnetic field圖 4 梯度磁場下制備的 zro2/ni 試樣截面局部放大圖像(100)(a)底部；(b)中部；(c)上部fig.4 optical micrographs (100) of local zones for the zro2/ni sample fabricated under a gradient magnetic field, (a) bottom; (b) middle; (c) top.3.3 zro2-ni功能梯度材料的成分分析20181614ni contents /at%121081 2 3 4 5thickness of sample direction/mm圖 5 梯度磁場中制得的 zro2/ni 試樣內部 ni 的成分分布(原子百分含量，at%)fig.5 ni distribution (at%) along the gradient magnetic field direction for the zro2/ni sample fabricated under a gradient magnetic field圖 5 是在梯度磁場中制備的 zro2-ni 試樣中 ni 原子在磁場梯度方向的成分分布。從圖 中可以看出，試樣中 ni 的成分在試樣厚度方向即磁場梯度方向逐漸變化，原子百分比逐漸 降低，進一步證實了在梯度磁場中，漿料中的 ni 顆粒受到磁性力的作用發(fā)生定向遷移，并 形成了梯度分布。圖 6 梯度磁場方向上 zro2/ni 試樣截面的面掃描圖像(a)ni;(b)zrfig.6 map scan of the zro2/ni sample along gradient magnetic field direction (a) ni, (b) zr圖 6 為在梯度磁場中制備的 zro2-ni 試樣中 ni 和 zr 原子的面掃描結果。圖 6(a)清楚地 顯示了 ni 元素在試樣中的分布，圖 6(b)也顯示了 zr 元素在試樣中的連續(xù)分布，zr 元素的濃 度和 ni 元素的濃度分布在試樣中呈現(xiàn)的趨勢剛好相反。4討論在梯度磁場中，漿料中的 ni 顆粒受梯度力的作用發(fā)生遷移，遷移的驅動力主要與梯度 磁場所產(chǎn)生的力一致。漿料中的磁性顆粒在梯度磁場中磁化后受到磁場力 fm 的作用10，有以下關系式：fm = 0 p h h（1）其中為真空磁導率，為磁性顆粒的磁化系數(shù)， p 為單個磁性顆粒的體積，h 為顆 粒所在位置的磁場強度大小， h 為磁場梯度的大小。對于鐵磁性的物質而言，在磁場中很容易磁化達到飽和，其在梯度磁場中受到的磁場力作用 fm 變?yōu)橄率剑篺m = 0 p m s h其中 ms 為鐵磁性物質的飽和磁化強度。（2）由式（2）可以得知：如果磁場為勻強磁場（即 h = 0 ），則磁性顆粒所受的磁場力為0，磁性顆粒在磁場中不能發(fā)生遷移，漿料在成型過程中不會發(fā)生成分的變化，也就沒有形成成分梯度變化的驅動力。在梯度磁場下，磁性顆粒在磁場力 fm 的作用下將會發(fā)生遷移。 磁場力使顆粒產(chǎn)生沉淀，使微粒濃度按高度分布，由于濃度差又引起微粒由高濃度向低濃度擴散。設 ni 顆粒的直徑為 d，處于高度 z 處單位體積中的微粒數(shù)為 n，則由濃度差所引起的滲 透壓力 p 可以表示為：p = nn art = nkt（3）式中 na 為阿伏加德羅常數(shù)，k 為珀爾茲曼常數(shù)。高度 z 處與 z+dz 處的濃度所引起的擴散壓力為：dp = ktdn（4）在高度 z 處，單位面積的 dz 體積內的分子數(shù)為 ndz，因此每一個顆粒受到的擴散力大 小為：f = kt dn n dz（5）當顆粒達到一個擴散的平衡時，顆粒受到的磁場力和擴散力平衡，即 m h = kt dn（6）0 ps可得：n dzdnn d 3 m h=0s（7）dz6kt假設試樣厚度為 l 上表面 ni 的濃度為 c1，下表面的濃度為 c2，由此邊界條件，并對上式進 行積分變換，得到試樣中成分分布的基本形式(以磁場梯度的方向為正方向)：0s d 3 m hc = c2 exp6kt( z l )（8）由式（8）可知，試樣中成分分布與顆粒的粒徑大小或粒度分布、飽和磁化強度以及外加磁 場的梯度大小有關?？梢酝ㄟ^選擇不同磁學性質的物質及改變外加磁場梯度的大小來控制試 樣中的成分分布，得到所需要的梯度材料。在實際的材料制備過程中，除了磁場力作用外，還有重力的作用，漿料中被磁化的 ni 粒子之間的磁相互作用、ni 顆粒在遷移中受到漿料的阻礙即斯托克斯力的作用、漿料中 ni 顆粒和 zro2 顆粒間的表面力即范德華力的相互作用等。重力相對于顆粒受的磁力作用可以 忽略。本文對漿料中顆粒間范德華力和磁化后 ni 顆粒之間的磁相互作用未做考慮。5結論（1）本文提出了一種利用物質磁學性質的差異，在外加梯度磁場的作用下制備功能梯度材 料的方法，并對梯度材料的成分分布做了基本的理論分析。（2）利用上述方法成功的制備出了成分變化的 zro2/ni 梯度材料，并通過對材料的微觀結構和成分分析加以驗證。參考文獻1. lee woo y., stinton david p., berndt christopher c., et al. j. am. ceram. soc., 1996, 79(12) 3003-3012 2.ma j., tan g. e. b. j. mat. pro. tec., 2001, 113, 446-4493. yin h. m., paulino g. h., buttlar w. g. j. appl. phys. , 2005, 98(6), 063704 4.watanabe yoshimi, kang s. h., chan j. w., et al. j. appl. phys. , 2001,89(3), 1977-19825. zhu j. c., yin z. d., lai z. h. j. mater. sci. , 1996, 31, 5829-58346. fitzsimmons m., sarin v. k., surface and coatings technology, 2001, 137, 158-163 7.zhang j., wang y. q., zhou b. l., et al. j. mater. sci. lett. , 1998, 17, 1677-1679 8.zhang w. f., xi n. s., tao c. h., et al. j. mater. sci. technol., 2001, 17(1), 65-669. wan y. p., sampath s., prasad v., et al. j. mat. pro. tec., 2003, 137, 110-116 10. derrik fletcher, ieee trans. magn.,1991, 27(4), 3655-3677a new approach for the preparation of functionally graded materials via slip casting in a gradient magnetic fieldshi weitang，peng xiaoling