超細粒子的添加對材料性能的影響

王俊杰

摘要：較全面，系統地綜述了有關超細拉子（微米、納米級）的添加對合金材料性能的影響， 并對彈性和剛度、強度、塑性等方面的影響進行介紹和說明。

前言：

超細粒子因其所具有的表面效應、體積效應及量子尺寸效應等性質而備受人們青睞， 把超細粒子添加入合金， 使不同粒子間產生性能的協同效應， 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， 提高其實際使用效果。

目前國外定義較嚴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粒子；根據我國超細粒子技術領域的現狀及國情，定義粒徑小于30微米的粉體為超細粒子。超細粉體通常又分為微米級、亞微米級及納米級。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，討論這些超細粒子的填充量、表面改性、界面處理等對合金材料的韌性、拉伸強度等性能的影響。超細粒子可以作合金材料的增韌劑、結晶成核劑等，改善合金材料的熱學性能和力學性能，具有很好的工業前景。而超細粒子對合金材料的添加由來已久，并且在工業上已有廣泛應用。例如：1995年福特和豐田公司開始使用Duralcan公司鑄造的20SiC顆粒增強鋁基復合材料作制動盤；Duralcan公司制造的20%Al2O3顆粒增強鋁基復合材料也應用于驅動軸。目前，超細顆粒在合金材料中的分散是使合金室溫韌性和強度得到提高的主要途徑之一，同時細小粒子在基體中的彌散分布又能有效阻止晶粒長大，達到提高合金再結晶溫度的目的。例如：在Mo—Ti合金中引入超細納米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域的發展，對合金各方面性能的要求日益苛刻，如何進一步改善力學性能以及熱學性能成為其發展的關鍵所在。

1.超細粒子添加前的制備和預處理

超細粒子凝集力很強，給它在基體中的分散帶來很大難度，在研究超細材料的過程中，其性能被充分利用存在的瓶頸就是超細粒子分散穩定性的問題。[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鍵因素。在制備和預處理過程中的防團聚問題上，從國內外各期刊發表的論文情況來看，濕化學法制備超細粉的分散研究非常廣泛，而物理法制備超細粉的分散研究較少.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驗的，目前，在制備過程中主要采取的方法[2]有加表面活性劑、有機溶劑洗滌、共沸蒸餾、冷凍干燥等，在預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.超細粒子添加對材料力學性能的影響

合金材料的力學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、強度、塑性、硬度、沖擊韌性，斷裂韌度及疲勞強度等，它們是衡量材料性能極其重要的指標[3]。而超細粒子添加到合金中體現的力學性能主要具有如下的特點：高強度和高韌性，高比強度和高比模量，抗蠕變和抗疲勞性好，高溫性能好，斷裂安全性高等。

根據相關文獻記載，董晟全等人[4]用超細粒子AlN添加入A1-7Si合金中，發現：其增強相A1N 顆粒尺寸約80nm呈顆粒均勻分布于（A1）基體晶粒內，Al一7Si中的共晶硅主要以棒狀形態分布于 （A1）基體的晶界上。這是因為面內生長所形成的細小增強體能阻礙位錯滑移，使材料的強度提高，伸長率降低。A1N 的異質晶核作用細化了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 超細顆粒添加入鋁合金液反應制備了Al3Ti/LY12合金材料，發現：Ti02與LY12鋁合金液反應后生成約40 nm的Al3Ti顆粒，彌散分布在LY12基體合金中，由于A13Ti/LY12界面良好結合，使復合材料的強度、塑性、均比LY12鋁合金有顯著地提高。綜合國內現有研究結果，已成功實驗的各種合金的強度和塑性都會有不同程度的提高。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動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晶粒中的彌散鑲嵌結構使得合金在受力時，會產生了高密度并且均勻分布的位錯。同時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系。根據共格界面強化機理，強度和塑性都將提高。這些是合金強度和塑性都能提高的主要原因。

3. 超細粒子添加對材料導電性能的影響

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，在長期工作狀態下，導電率較差的氧化膜會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，甚至產生熔焊現象，從而導致電接觸材料失效。郭忠全[6]用超細粒子Sn、Bi、Sb、Zn添加入銅基中，發現：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，且材料的導電性能滿足電接觸材料的要求。

通過向材料中添加超細粒子，發揮各組分之間的協同作用，可開發出高效和穩定的電極材料。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電機理占主導地位。用經典理論解釋導電現象，由于納米相的加入，馳豫時間縮短，電導率下降。銅的導電性能優異，僅次于銀。對于添加超細粒子材料的電導率，其影響因素很多，沒有完善的理論解釋。因為加入AlN納米粒子對合金工藝參數必定有影響，對于致密的合金的導電象解釋都是用經典的理論定性解釋，還沒有定量的解釋。對非致密材料的導電，只能從試驗的結果來分析，可以得出工藝參數對導電率的影響。

結語：

經過近半世紀發展，通過超細粒子添加技術制造出的新型功能合金材料已經在航空航天、汽車、軍工等重要領域取得廣泛應用，而規模化的應用也促使合金材料研發向更優異的綜合性能、更優成型加工工藝性方向發展，隨著我國工業不斷發展，研發新型金屬合金材料的需求非常迫切。為此，通過了解超細粒子的添加對合金性能的影響，預測未來的研究方向，深入開展金屬材料性能提升等工作，特別是開展超細粒子構型仿真研究，可以加快高性能、易加工金屬合金材料的研發進程，結合新型的制備超細粒子分散技術，有望使金屬合金材料的性能獲得革命性的提升。

參考文獻：

[1]李青山，張金朝，宋鸝等摻銻二氧化錫超細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聚方法綜述[J]， 化學研究，2005，16（4）105.107

[3]《材料力學性能》 作 者：劉春廷 出版社： 化學工業出版社 出版時間： 2009年08月

[4]董晟全，郭永春，李高宏.納米AIN顆粒增強鋁基復合材料的制備與力學性能研究[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合材料的研制及強化機理研究[D].山東大學，2011.

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

項目基金：遼寧科技大學2018年大學生創新創業項目（201810146008）