燃燒合成—熔鑄工藝制備MoSi2—Cu復(fù)合材料的實驗研究

蘇浩龍

摘要：本文建立了電場作用下的燃燒合成反應(yīng)的熱力學(xué)模型，利用燃燒合成-熔鑄技術(shù)探討了原位合成MoSi2 -Cu復(fù)合材料的可能性。實驗表明，隨著MoSi2 -Cu復(fù)合材料中Cu含量的增加，燃燒模式從熱爆模式變?yōu)樽月幽Ｊ?。增加?fù)合材料中的Cu含量，可降低MoSi2 顆粒的尺寸，改善其分布。

關(guān)鍵詞：燃燒合成；熔鑄；MoSi2-Cu復(fù)合材料；電場

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）21-0229-03

眾所周知，銅有著優(yōu)良的導(dǎo)電性，其導(dǎo)電率在所有的金屬中僅次于金和銀，故它被廣泛應(yīng)用于電子電器設(shè)備中；但同時銅本身的熔點、強度都比較低，因此，純銅或銅合金在對導(dǎo)電性、強度及熔點都有一定要求的場合的應(yīng)用受到極大的限制。本研究的目的就是通過在銅中引入增強相來改善銅本身固有的低強度、低熔點的缺陷，但同時要求不影響其本身的高導(dǎo)電率性質(zhì)。這就要求引入的增強相既要有極高的強度、熔點又要同時具有優(yōu)異的導(dǎo)電性?？v觀當今的材料中，符合高強、高熔點特性的是陶瓷材料，但已知的陶瓷材料大都不能導(dǎo)電，而只有極少數(shù)的具有導(dǎo)電性，MoSi2就是其中的較為理想的一種。它既有較高的強度又兼具良好的導(dǎo)電性。鑒于MoSi2及Cu的性質(zhì)，如果通過一定的方法制得由MoSi2和Cu組成的復(fù)合材料，則不僅可解決基體銅熔點低、強度不足的缺點，而且也不影響其高的導(dǎo)電性，具有較好的綜合性能，從而有著更廣泛的應(yīng)用范圍。

本文以MoO3-CuO-Al-Si反應(yīng)體系為對象，首先初步建立電場作用下該體系燃燒合成反應(yīng)的熱力學(xué)模型，然后通過燃燒合成-熔鑄技術(shù)制備出MoSi2-Cu原位復(fù)合材料。主要研究內(nèi)容包括：電場作用下燃燒合成反應(yīng)熱力學(xué)模型的初步研究；MoO3-CuO-Al-Si反應(yīng)體系燃燒合成-熔鑄過程分析；燃燒合成-熔鑄MoSi2-Cu原位復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)分析。實驗表明，MoO3-CuO –Al-Si體系的燃燒合成反應(yīng)很容易進行，合成的產(chǎn)物能熔化成液態(tài)，且Al2O3陶瓷能與液態(tài)的MoSi2 和Cu自動分離。因此，采用燃燒合成-熔鑄技術(shù)可以制備MoSi2-Cu復(fù)合材料，從而可實現(xiàn)該復(fù)合材料的原位合成和液態(tài)成形一體化。

1 電場作用下燃燒合成反應(yīng)熱力學(xué)模型的建立

雖然當今對于燃燒合成技術(shù)的研究較多，但由于燃燒合成是一個高溫、瞬時的過程，這給研究燃燒合成過程帶來很大的困難，特別是有關(guān)電場激活燃燒過程的數(shù)學(xué)模型并不多見。圖1是電場誘發(fā)燃燒合成反應(yīng)的物理模型。假設(shè)一個圓柱形的反應(yīng)物壓坯放置在上下兩個石墨電極之中，壓坯的高度為h，半徑為r，作用在壓坯兩端的電壓為U，則作用在反應(yīng)物壓坯上的電場強度為：

如圖1試驗中利用2個致密石墨電極通過施加電場來對反應(yīng)體系進行加熱。由于電場的焦耳熱效應(yīng)，通電壓坯被加熱。當壓坯的溫度達到反應(yīng)物的點燃溫度時，反應(yīng)物壓坯發(fā)生燃燒合成反應(yīng)，并放出熱量qc。這樣，反應(yīng)中的能量控制方程為：

對邊界條件的處理：壓坯的側(cè)面是輻射傳熱，而上下面即壓坯與石墨接觸的部分保證接觸良好，在結(jié)合面上無縫隙，但當有溫度差有熱流通過界面時，在交接面上將出現(xiàn)明顯的溫度躍變。因此，可以認為在交接面上有熱阻，其形式與對流換熱邊界條件一致。

這樣式（2）可以變?yōu)椋?/p>

2 燃燒合成-熔鑄工藝制備MoSi2-Cu復(fù)合材料的研究

2.1 實驗條件和方法

在不影響Cu的導(dǎo)電性的前提下，為了進一步提高其硬度、強度和抗熔化性，以滿足現(xiàn)代電工產(chǎn)品對觸頭材料更高的要求，以MoO3 、CuO、Al和Si粉為原材料，探討用燃燒合成-熔鑄技術(shù)制備MoSi2-Cu原位復(fù)合材料的可能性。

實驗用的原材料為市售的分析純?nèi)趸f粉末、鋁粉、硅粉和氧化銅粉，其特性見表1。按下式合成MoSi2-Cu原位復(fù)合材料：

MoO3 + 3CuO + 4Al +2 Si = MoSi2 + 3Cu + 2Al2O3

設(shè)計合成的MoSi2-Cu復(fù)合材料中Cu的質(zhì)量百分含量分別為50%，60%和70%，以研究Cu含量對體系SHS過程及合成材料組織的影響。這樣，可按上式得到如表2所示的原材料配比。

本文整體實驗步驟如圖2所示。

2.2 實驗結(jié)果與分析

實驗發(fā)現(xiàn)，在所選用的含Cu50%，60%，70%三種試樣的合成中，自蔓延高溫合成過程都能順利進行并完成，且反應(yīng)中所得的產(chǎn)物被反應(yīng)本身放出的熱量熔化。反應(yīng)得到的產(chǎn)物呈塊狀分布在試樣下方的石墨模具中，但有個別飛濺到承裝反應(yīng)試樣的耐火坩堝的壁上，且有些實驗中坩堝在反應(yīng)中炸裂，分析知以上的坩堝炸裂及合成產(chǎn)物飛濺現(xiàn)象都是因為反應(yīng)過于劇烈，進而反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量聚集從而試樣中的溫度不均衡，進而發(fā)生生成的液體飛濺甚至坩堝炸裂的現(xiàn)象。在那些坩堝未炸裂的實驗中，在坩堝的上方分布大量的灰色疏松塊狀物質(zhì)。這些物質(zhì)性質(zhì)很脆，很容易用手將其敲落。據(jù)此斷定其為反應(yīng)中生成的Al2O3。待敲掉該Al2O3雜質(zhì)后出現(xiàn)塊狀呈現(xiàn)金屬光澤的合成材料，該材料較Al2O3層要致密得多，密度明顯較高。上述實驗現(xiàn)象表明采用自蔓延高溫合成技術(shù)及本試驗體系完全能夠合成MoSi2-Cu復(fù)合材料。

在MoO3-CuO-Al-Si反應(yīng)體系中，首先發(fā)生Al將CuO，MoO3中的銅元素和鉬元素置換出來的鋁熱反應(yīng)：3CuO+2Al=3Cu+Al2O3；MoO3+2Al=Mo+Al2O3；而后，試樣中的硅粉與上述反應(yīng)生成的Mo反應(yīng)生成增強相金屬間化合物MoSi2：Mo+2Si=MoSi2：上述的鋁熱反應(yīng)中產(chǎn)生大量的熱量進而使得該反應(yīng)體具有相當高的絕熱燃燒溫度，初步估算大概有5000℃，該溫度遠高于金屬間化和物MoSi2及生成的銅和三氧化二鋁的熔點。因此，反應(yīng)中所放的熱量使得反應(yīng)生成物熔化并向石墨模具中流動。但此時合成的熔融物中Al2O3因為流動性較液態(tài)Cu，MoSi2差，且其密度也較后兩者小，因而在反應(yīng)完成時，Al2O3在重力的作用下與理想產(chǎn)物Cu-MoSi2分離而處于所得的產(chǎn)物的上層。

通用性：通過應(yīng)用虛擬化，可以使任何一個程序都能在云系統(tǒng)中實現(xiàn)共享和運行。

實時更新：通過云端海量數(shù)據(jù)收集到的情況，能夠?qū)Ω鞣N應(yīng)用做到第一時間的更新，并通過層級下放，迅速將更新結(jié)果發(fā)布至客戶端。

個性化：可以由用戶自定義個性化的虛擬應(yīng)用，也可選擇用戶熟悉的虛擬環(huán)境。

4 虛擬化平臺

虛擬化平臺是指面向開發(fā)人員開放的，可嵌入到云端的各種應(yīng)用的一個統(tǒng)一接口，開發(fā)人員可以通過將自己的應(yīng)用通過平臺置于云端，并利用云系統(tǒng)運行為客戶提供各種定制化的服務(wù)。虛擬化平臺的特稱及功能如下：

語言兼容：支持各種主流開發(fā)工具級程序語言，如：VB、VC、VC++、Java、C#、Delphi、Basic等。

嚴格審查：對于上傳至云端的各種開發(fā)成品都要進行嚴格的審查，審查內(nèi)容包括開發(fā)人員身份驗證，軟件知識產(chǎn)權(quán)認證及安全性認證。

測試模擬：對即將推出的開發(fā)產(chǎn)品進行真實環(huán)境模擬測試，以驗證推出后的服務(wù)效果。

有償服務(wù)：通過合理的計費系統(tǒng)，保障開發(fā)人員的利益，虛擬平臺同事也得到一定比例服務(wù)費用。

升級更新：服務(wù)提供者可對自己的產(chǎn)品進行不定期的更新，以完善自身的服務(wù)，而平臺對開發(fā)人員開放完善的升級和更新接口。

監(jiān)控管理：對于虛擬平臺上的各種操作，要有完善的監(jiān)控日志、實時告警等手段，保障安全合法運行。

5 虛擬化桌面

虛擬化桌面即是將用戶完全從自身終端解放出來，實現(xiàn)應(yīng)用的無差異化。云端將用戶完整的應(yīng)用環(huán)境記錄下來，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)，在云端高性能的硬件和無差異的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來運行各種應(yīng)用程序，運行虛擬化桌面具有以下接入標準和功能：

管維集中：為用戶提供服務(wù)的軟件將集中的管理在服務(wù)器端，對于相關(guān)的數(shù)據(jù)將在云端進行集中的維護和管理，同時也可減少現(xiàn)場工作。

連貫使用：用戶在本地完成操作后，云端將保持用戶的操作記錄和配置情況，確保用戶在下次登錄時能夠保持操作的連貫性。

故障恢復(fù)：用戶的桌面環(huán)境將以虛擬機的形勢被保存下來，通過對虛擬機的操作記錄及用戶備份，能夠快速發(fā)現(xiàn)故障并及時回復(fù)，恢復(fù)過程中通過熱遷移的方式讓用戶端能夠無故障感知。

云計算從本質(zhì)上講，是向用戶提供虛擬化的服務(wù)。從云計算到虛擬化的跨越過程中，實現(xiàn)了資源利用率的最大化，通過創(chuàng)建高度虛擬化的平臺，實現(xiàn)了資源的充分共享，最終實現(xiàn)應(yīng)用、數(shù)據(jù)、存儲等資源以服務(wù)的形式提供給網(wǎng)絡(luò)客戶，極大的提高了工作效率，降低了客戶的使用成本，同時也幫助客戶提升了安全等級，更好的滿足各種客戶的需求。隨著科技的發(fā)展，云計算與虛擬化必將成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必由趨勢，也將推動互聯(lián)網(wǎng)科技走上一個新的高度。