超細(xì)粒子的添加對(duì)材料性能的影響

王俊杰

摘要：較全面，系統(tǒng)地綜述了有關(guān)超細(xì)拉子（微米、納米級(jí)）的添加對(duì)合金材料性能的影響， 并對(duì)彈性和剛度、強(qiáng)度、塑性等方面的影響進(jìn)行介紹和說明。

前言：

超細(xì)粒子因其所具有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)及量子尺寸效應(yīng)等性質(zhì)而備受人們青睞， 把超細(xì)粒子添加入合金， 使不同粒子間產(chǎn)生性能的協(xié)同效應(yīng)， 更有助于改善和提高其性能。它可以解決納米材料使用過程中的諸多問題， 降低其成本， 提高其實(shí)際使用效果。

目前國(guó)外定義較嚴(yán)格并被較多采用的是平均粒徑小于3微米的粉體被稱之為超細(xì)粒子；根據(jù)我國(guó)超細(xì)粒子技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)狀及國(guó)情，定義粒徑小于30微米的粉體為超細(xì)粒子。超細(xì)粉體通常又分為微米級(jí)、亞微米級(jí)及納米級(jí)。粒徑大于1μm的粉體稱為微米材料，粒徑大于0.1μm小于1μm的粉體稱為亞微米粉體，粒徑處于1-100nm的粉體稱為納米材料。

本文綜合前人研究成果，討論這些超細(xì)粒子的填充量、表面改性、界面處理等對(duì)合金材料的韌性、拉伸強(qiáng)度等性能的影響。超細(xì)粒子可以作合金材料的增韌劑、結(jié)晶成核劑等，改善合金材料的熱學(xué)性能和力學(xué)性能，具有很好的工業(yè)前景。而超細(xì)粒子對(duì)合金材料的添加由來已久，并且在工業(yè)上已有廣泛應(yīng)用。例如：1995年福特和豐田公司開始使用Duralcan公司鑄造的20SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料作制動(dòng)盤；Duralcan公司制造的20%Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料也應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)軸。目前，超細(xì)顆粒在合金材料中的分散是使合金室溫韌性和強(qiáng)度得到提高的主要途徑之一，同時(shí)細(xì)小粒子在基體中的彌散分布又能有效阻止晶粒長(zhǎng)大，達(dá)到提高合金再結(jié)晶溫度的目的。例如：在Mo—Ti合金中引入超細(xì)納米TiC粉末，制備Mo—Ti—TiC合金，合金性能有顯著提升。隨著航空、航天以及原子核能等前沿領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)合金各方面性能的要求日益苛刻，如何進(jìn)一步改善力學(xué)性能以及熱學(xué)性能成為其發(fā)展的關(guān)鍵所在。

1.超細(xì)粒子添加前的制備和預(yù)處理

超細(xì)粒子凝集力很強(qiáng)，給它在基體中的分散帶來很大難度，在研究超細(xì)材料的過程中，其性能被充分利用存在的瓶頸就是超細(xì)粒子分散穩(wěn)定性的問題。[1]因此納米粒子在基體中的分散均勻程度成為影響合金材料性能的關(guān)鍵因素。在制備和預(yù)處理過程中的防團(tuán)聚問題上，從國(guó)內(nèi)外各期刊發(fā)表的論文情況來看，濕化學(xué)法制備超細(xì)粉的分散研究非常廣泛，而物理法制備超細(xì)粉的分散研究較少.微米顆粒在液相、氣相中的分散己形成成熟理論，在固體聚合物中的分散大部分是經(jīng)驗(yàn)的，目前，在制備過程中主要采取的方法[2]有加表面活性劑、有機(jī)溶劑洗滌、共沸蒸餾、冷凍干燥等，在預(yù)處理過程中有溶劑法，冷凍干燥法，超I臨界干燥法和微波干燥法等。

2.超細(xì)粒子添加對(duì)材料力學(xué)性能的影響

合金材料的力學(xué)性能是指金屬材料抵抗各種外加載荷的能力，其中包括：彈性和剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性，斷裂韌度及疲勞強(qiáng)度等，它們是衡量材料性能極其重要的指標(biāo)[3]。而超細(xì)粒子添加到合金中體現(xiàn)的力學(xué)性能主要具有如下的特點(diǎn)：高強(qiáng)度和高韌性，高比強(qiáng)度和高比模量，抗蠕變和抗疲勞性好，高溫性能好，斷裂安全性高等。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，董晟全等人[4]用超細(xì)粒子AlN添加入A1-7Si合金中，發(fā)現(xiàn)：其增強(qiáng)相A1N 顆粒尺寸約80nm呈顆粒均勻分布于（A1）基體晶粒內(nèi)，Al一7Si中的共晶硅主要以棒狀形態(tài)分布于 （A1）基體的晶界上。這是因?yàn)槊鎯?nèi)生長(zhǎng)所形成的細(xì)小增強(qiáng)體能阻礙位錯(cuò)滑移，使材料的強(qiáng)度提高，伸長(zhǎng)率降低。A1N 的異質(zhì)晶核作用細(xì)化了A1-7Si的初生α-（A1）和共晶硅，使材料在斷裂前可承受較大的變形。郭永春等[5]用TiO2 超細(xì)顆粒添加入鋁合金液反應(yīng)制備了Al3Ti/LY12合金材料，發(fā)現(xiàn)：Ti02與LY12鋁合金液反應(yīng)后生成約40 nm的Al3Ti顆粒，彌散分布在LY12基體合金中，由于A13Ti/LY12界面良好結(jié)合，使復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性、均比LY12鋁合金有顯著地提高。綜合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究結(jié)果，已成功實(shí)驗(yàn)的各種合金的強(qiáng)度和塑性都會(huì)有不同程度的提高。采用不同添加的方法在金屬熔體中形成了大量的納米顆粒，這些納米顆粒在熔體中的運(yùn)動(dòng)行為使其能夠均勻彌散的鑲嵌在基體的晶粒中。合金的這種納米顆粒在微米級(jí)晶粒中的彌散鑲嵌結(jié)構(gòu)使得合金在受力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生了高密度并且均勻分布的位錯(cuò)。同時(shí)納米顆粒在金屬熔體凝固過程中形成分散，與基體保持良好的共格或半共格的界面關(guān)系。根據(jù)共格界面強(qiáng)化機(jī)理，強(qiáng)度和塑性都將提高。這些是合金強(qiáng)度和塑性都能提高的主要原因。

3. 超細(xì)粒子添加對(duì)材料導(dǎo)電性能的影響

純銅在電接觸材料工作過程中表面易生成或組成的氧化膜，在長(zhǎng)期工作狀態(tài)下，導(dǎo)電率較差的氧化膜會(huì)集中覆蓋在電接觸材料的表面，接觸電阻迅速增大，在電弧高壓作用下，接觸表面溫升過高，甚至產(chǎn)生熔焊現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電接觸材料失效。郭忠全[6]用超細(xì)粒子Sn、Bi、Sb、Zn添加入銅基中，發(fā)現(xiàn)：添加2wt%的Bi能夠有效提高材料的抗電弧侵蝕性能和抗氧化性，且材料的導(dǎo)電性能滿足電接觸材料的要求。

通過向材料中添加超細(xì)粒子，發(fā)揮各組分之間的協(xié)同作用，可開發(fā)出高效和穩(wěn)定的電極材料。鄧景泉[7]通過在銅基中添加AlN納米粒子，由于添加相是絕緣體，所以銅在基體中的導(dǎo)電機(jī)理占主導(dǎo)地位。用經(jīng)典理論解釋導(dǎo)電現(xiàn)象，由于納米相的加入，馳豫時(shí)間縮短，電導(dǎo)率下降。銅的導(dǎo)電性能優(yōu)異，僅次于銀。對(duì)于添加超細(xì)粒子材料的電導(dǎo)率，其影響因素很多，沒有完善的理論解釋。因?yàn)榧尤階lN納米粒子對(duì)合金工藝參數(shù)必定有影響，對(duì)于致密的合金的導(dǎo)電象解釋都是用經(jīng)典的理論定性解釋，還沒有定量的解釋。對(duì)非致密材料的導(dǎo)電，只能從試驗(yàn)的結(jié)果來分析，可以得出工藝參數(shù)對(duì)導(dǎo)電率的影響。

結(jié)語：

經(jīng)過近半世紀(jì)發(fā)展，通過超細(xì)粒子添加技術(shù)制造出的新型功能合金材料已經(jīng)在航空航天、汽車、軍工等重要領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，而規(guī)模化的應(yīng)用也促使合金材料研發(fā)向更優(yōu)異的綜合性能、更優(yōu)成型加工工藝性方向發(fā)展，隨著我國(guó)工業(yè)不斷發(fā)展，研發(fā)新型金屬合金材料的需求非常迫切。為此，通過了解超細(xì)粒子的添加對(duì)合金性能的影響，預(yù)測(cè)未來的研究方向，深入開展金屬材料性能提升等工作，特別是開展超細(xì)粒子構(gòu)型仿真研究，可以加快高性能、易加工金屬合金材料的研發(fā)進(jìn)程，結(jié)合新型的制備超細(xì)粒子分散技術(shù)，有望使金屬合金材料的性能獲得革命性的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]李青山，張金朝，宋鸝等摻銻二氧化錫超細(xì)粉水分散體系的制備[J]， 玻璃與搪瓷2002，4（301 22-24

[2]李松杰，侯翠紅，張寶林？液相法制備納米氧化錫防團(tuán)聚方法綜述[J]， 化學(xué)研究，2005，16（4）105.107

[3]《材料力學(xué)性能》 作 者：劉春廷 出版社： 化學(xué)工業(yè)出版社 出版時(shí)間： 2009年08月

[4]董晟全，郭永春，李高宏.納米AIN顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備與力學(xué)性能研究[J].熱加工工藝，2000，3：43—47.

[5]郭永春，李建平，李高宏. 原位自生納米AI Ti/LYI2復(fù)合材料的組織及性能[J].熱加工工藝，2002，2：28—29.

[6]郭忠全. 高性能銅基電接觸復(fù)合材料的研制及強(qiáng)化機(jī)理研究[D].山東大學(xué)，2011.

[7]鄧景泉. 銅基/n-AlN功能復(fù)合材料的成分、組織及性能研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

項(xiàng)目基金：遼寧科技大學(xué)2018年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201810146008）