三維網絡氧化鋁/鋼復合材料的制備及性能

鞏新悅

（佳木斯大學 黑龍江 佳木斯 154002）

0 引言

復合材料是21 世紀最早開發和廣泛使用的新材料之一。近年來，復合材料得到了快速發展，道路運輸、醫療器械、健身器械、電氣元件、車輛和工程領域等都有復合材料的應用。復合材料可以理解為一種新材料，具有每種材料的特性，由一系列（兩種及以上）材料組合而成，這些材料在性能上可以完全不同，該材料的應用領域比單組分材料更廣。近年來，隨著復合材料的不斷發展，陶瓷/金屬復合材料成為分析的重點。陶瓷/金屬復合材料不僅具有陶瓷材料的高硬度、致密性、耐腐蝕性和耐磨性，而且還具有金屬材料的塑性和電學性能。三維網絡陶瓷/金屬復合材料（3DNCMC）以其獨特的三維網絡結構和廣闊的應用前景，引起了研究者的廣泛關注，該復合材料具有高質量、高比模量、高強度比、耐疲勞、抗熱震和低熱增長常數等優異特性，在機械制造、交通運輸、能源動力、零部件及各種工程領域有著良好的應用前景。多孔陶瓷預制件的浸滲是實現3DNCMC 的關鍵技術。由于陶瓷和金屬通常不潤濕，陶瓷表面必須活化或金屬化。Lemster 等[1]通過在泡沫陶瓷表面形成鈦涂層解決了潤濕性的問題。楊少鋒等[2]在陶瓷顆粒中摻雜原子序數為28 的鎳顆粒，以解決氧化鋁與金屬元素合金之間的界面結合問題。Sang 等[3]通過引入鈦成功制備了氧化鋁/銅3DNCMC，不僅解決了潤濕問題，還改變了陶瓷/金屬的界面性能，最終改善了復合材料的性能。王守仁等[4]對復合材料抗壓強度的分析表明，復合材料的抗壓強度隨著增強截面質量分數的增加而增加。Chang 等[5]表明，強度隨著金屬截面而非陶瓷截面含量的增加而增強。因此，有必要對材料的制備方法進行優化，探索材料的種類、微觀結構和性能特征。本文采用化學氣相沉積法在泡沫陶瓷表面沉積金屬鎳涂層，以提高其潤濕性，并將液化鋼滲透到陶瓷骨架中，制備了三維網狀氧化鋁/鋼復合材料，研究了復合材料的微觀結構、表面性能、彎曲強度和磨粒磨損性能。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗中所用到的原料主要包括聚氨酯泡沫、氫氧化鈉、聚乙烯醇（PVA）、三氧化二鋁、二氧化硅、高嶺土、膨潤土、滑石粉、聚丙烯酸銨、硅溶膠、羧甲基纖維素、六水氯化鎳、高純H2、高純Ar、45 鋼，其中，陶瓷粉體組分的主要參數為三氧化二鋁、二氧化硅、高嶺土、膨潤土和滑石粉。制備陶瓷所用的添加劑原料為聚丙烯酸銨、羧甲基纖維素和硅溶膠。化學氣相沉積過程中的原材料有高純氫氣、高純氬氣、河南省焦作市化工三廠生產的氯化鎳六水合物。

1.2 實驗設備

本次實驗中用到的設備有昆山市超聲儀器有限公司生產的KQ-250DB 超聲波清洗器；吳江市立龍電熱設備有限公司生產的LL881Y-3 干燥箱；常州市衡正電子儀器有限公司生產的FA1004 分析電子天平；溫嶺市挺威真空設備有限公司生產的TW-1 型旋片式真空泵；上海精宏實驗設備有限公司生產的SXL1304 程控箱式電爐；沈陽科精設備制備有限公司生產的SYJ-150 低速金剛石切割機；日本日立生產的GX-71 奧林巴斯顯微鏡、日本 S-4800 掃描電鏡；張家口市宣化科華試驗機制造有限公司生產的MLS-225 磨料磨損試驗機；濟南中路昌試驗機制造有限公司生產的WDW-10H 型抗彎強度試驗機。

1.3 實驗內容

本實驗采用有機泡沫浸漬法制備三維網絡三氧化二鋁泡沫陶瓷。按照56.25%的三氧化二鋁、7.5%的二氧化硅、5.25%的高嶺土、2.25%的膨潤土、3.75%的滑石粉和25%的去離子水8 的陶瓷漿料各組分的百分含量計算出應當稱量的各組分的量，用電子天平對各粉體質量進行稱量，稱量后均勻混合在一起。用量筒量取相應量的去離子水，將其（按照2 ∶1 比例）分成兩部分分別放入兩個燒杯中，編號記為①和②。往①號燒杯中加入2%的聚丙烯酸銨作為分散劑（作用是使陶瓷顆粒充分分散），將該燒杯放入超聲波清洗器中震蕩處理10 min，使其均勻地分散在去離子水中；在②號燒杯中加入0.5%的羧甲基纖維素作為流變劑和低溫粘結劑用來增加陶瓷漿料的流動性，并使陶瓷顆粒在低溫下能夠很好地粘附在一起，將該燒杯也放入超聲波清洗器中震蕩處理10 min，使其均勻地分散在去離子水中，并成黏稠狀。接下來將氨水溶液滴加到②號燒杯中，調節該燒杯中溶液的pH 值為11，因為在pH=11 時漿料黏度低且流動性最好，再向該燒杯中加入2%的硅溶膠作為高溫粘結劑。攪拌均勻后，將攪拌均勻的粉體開始緩慢加入①號燒杯中，邊加陶瓷粉體邊用玻璃棒進行攪拌，直至出現團塊狀無法進行攪拌時將②號燒杯中的羧甲基纖維素倒入少許，會發現團塊狀慢慢消失，可以繼續進行攪拌，繼續加入陶瓷粉體，如此反復進行，直至將陶瓷粉體和②號燒杯中的羧甲基纖維素全部加入①號燒杯中為止。如果此時①號燒杯中陶瓷漿料沒有很好的流動性，那么繼續攪拌直至使陶瓷漿料具有很好的流動性時停止攪拌，把該陶瓷漿料放入超聲波振蕩器中震蕩30 min，使得漿料的各組分更加均勻地混合，使得漿料的流動性進一步提高；將配置好的漿料放入圓玻璃瓶中，并放入幾個大小不一的二氧化鋯小球，擰緊蓋子，將玻璃瓶放在滾筒攪拌機上進行球磨，使陶瓷漿料充分混合均勻、陶瓷粉體充分球磨細化，球磨時間至少為24 h。

有機泡沫采用聚氨酯泡沫，將其裁剪成所需形狀，然后配置一定量的濃度為20%的NaOH 溶液，將聚氨酯泡沫浸沒在氫氧化鈉溶液中，將盛有氫氧化鈉溶液和聚氨酯泡沫的燒杯置于60 ℃水浴中，對聚氨酯泡沫表面雜質進行清洗6 h，接下來用鑷子夾出泡沫用水沖洗完后晾干；再配置濃度為5%的聚乙烯醇（PVA）溶液，該溶液需要在80 ℃環境下攪拌方能形成所需均勻黏稠的溶液，等該溶液達到所需狀態后取出。接下來將第一步晾干后的泡沫浸入該PVA 溶液中活化處理24 h，取出擠出多余PVA 溶液，避免堵孔，最后晾干。最后通過化學氣相沉積法在泡沫陶瓷表面均勻沉積一層鎳鍍層，然后將沉積好的泡沫陶瓷采用鑄造浸滲法將鋼液浸滲到泡沫陶瓷骨架中，形成以鎳作為過渡層的氧化鋁/鋼復合材料。鋼液浸滲三氧化二鋁網絡陶瓷骨架孔隙的過程相當復雜，該過程受到很多因素的影響，例如網絡陶瓷預制體的孔隙結構、大小、厚度，表面粗糙度、抗熱沖擊性等，鋼基體的浸滲溫度、浸滲時間、黏度等，還有化學氣相沉積的鎳鍍層的厚度、均勻性、與陶瓷表面的結合狀況等，此外，外界浸滲環境也對浸滲過程有著顯著的影響。

1.4 實驗結果

實驗結果中較亮的大片組織是鋼基體，黑色網狀組織是氧化鋁陶瓷，氧化鋁陶瓷中的一條較亮的亮帶是泡沫陶瓷的內部孔筋位置。可以看出，氧化鋁陶瓷與鋼基體界面分明，看不到孔洞缺陷，鋼基體與泡沫陶瓷骨架緊密結合在一起，界面處沒有裂紋，在陶瓷的泡沫骨架內部可以看到一條亮帶，在1 550 ℃的澆注溫度下，高溫熔融鋼液一旦與陶瓷表面的金屬鎳相接觸，就會發生互溶擴散，將鎳部分沖到鋼基體中，然后冷凝后陶瓷表面的鎳的位置被鋼占據。復合材料內部有Fe、Al2O3、莫來石等物相，本來存在的鎳相在高溫鐵液浸滲網絡陶瓷的過程中鎳相與鋼液發生了互溶擴散形成了新相鐵鎳合金，但是由于金屬鎳的含量很少，因此檢測不到該物相。

將氧化鋁陶瓷增強體制備成三維網絡結構，然后對陶瓷表面金屬化處理，最后將鋼液浸滲到泡沫陶瓷的網絡孔隙中，這樣就使得陶瓷增強體和金屬基體均具有三維貫穿網絡結構。陶瓷表面本身很粗糙，使得陶瓷與金屬之間的結合界面呈現鋸齒狀機械嚙合，還有部分鋼液浸滲到網絡陶瓷骨架的孔筋及三角微孔中，這就在微觀結構上也實現了三維貫穿網絡結構，這種結構形式使單位體積內陶瓷/金屬兩相的結合面積顯著增大、承受載荷能力提高，兩相結合強度提高在1 550 ℃（Ni 熔點以上溫度）下進行浸滲，陶瓷表面沉積的金屬鎳一部分擴散熔解到鋼中，形成鐵鎳合金，從而提高了潤濕效果，金屬相與陶瓷相的界面結合緊密。因此，這種結構形式的陶瓷/金屬復合材料的界面是機械嚙合和非反應潤濕結合共同作用的混合結合形式。

2 氧化鋁/鋼復合材料的性能

2.1 復合材料的抗彎強度

利用三點彎曲法對復合材料的抗彎強度進行測定，不同體積分數復合材料抗彎強度值表明：復合材料的抗彎強度隨著陶瓷增強體體積分數的增加呈現減小的趨勢，但是復合材料的抗彎強度總體高于氧化鋁實體陶瓷的抗彎強度，10 ppi 復合材料的抗彎強度是氧化鋁陶瓷的4.46 倍。宏觀彎曲裂紋集中在壓頭下壓部位背壓面附近，裂紋都存在于增強體與基體的結合界面處以及陶瓷增強體骨架處，并沿著兩相界面擴展，這說明界面結合處仍是復合材料最薄弱的地方。復合材料彎曲過程：由于復合材料的三維網絡貫穿結構，復合材料在受到壓頭壓力時，受力是相當復雜的，剛開始也發生彈性變形，當力增大到一定程度致使復合材料中的鋼發生屈服時，這種特殊結構的互鎖機制就會發生作用，陶瓷體就開始制約鋼基體的屈服變形。當壓力繼續增大到陶瓷增強體無法抵抗鋼基體變形時，這時復合材料開始發生非彈性彎曲。陶瓷材料屬于脆性材料，它在這時就開始萌生裂紋。隨著力的進一步增大，裂紋就開始沿著兩相界面擴展。復合材料在測量儀上壓力和變形呈現的總體規律是隨著壓力的增大，變形開始增大，而當壓力增大到一定程度時隨著變形量繼續增加壓力又呈減小趨勢，這個最大值也就是復合材料的抗彎強度。但是隨著增強體體積分數的增加，復合材料的抗彎強度呈現下降趨勢，原因是陶瓷屬于脆性相，復合材料中陶瓷體的體積分數多到一定程度，在鋼基體還沒有達到強度期限時，陶瓷體先達到其強度極限，復合材料就從脆性相陶瓷處產生裂紋增多，裂紋迅速擴展，因此，隨著陶瓷增強體體積分數的增加，復合材料的抗彎強度呈現下降趨勢。氧化鋁/鋼復合材料斷口形貌結構圖見圖1。

2.2 復合材料的磨粒磨損性能

對不同體積分數增強體的復合材料及鋼分別進行磨粒磨損實驗，由于陶瓷增強體體積分數不同，復合材料密度也不同，隨著陶瓷增強體體積分數的不斷增加，復合材料的體積磨損量呈現減少的趨勢，復合材料的體積磨損量整體上均比鋼基體要小得多，鋼基體的體積磨損量是20 ppi壓縮復合材料的4.43 倍，陶瓷增強體體積分數越大，復合材料的耐磨性越好，鋼基體的磨痕深度最大，隨著復合材料中增強體體積分數的增加，復合材料的磨痕深度逐漸減小，復合材料磨損表面上磨粒對金屬材料的犁溝深度也就越小。鋼中磨粒對其劃痕較為密集且較深，而復合材料中磨粒對其劃痕較為分散且較淺。原因是在進行磨粒磨損實驗時，復合材料界面結構可以在一定范圍內傳遞摩擦載荷，有效避免了陶瓷相在磨損載荷下的脆斷。由于金屬基體相和陶瓷增強相的耐磨性有著顯著的差異，所以，復合材料的磨損過程可以簡要概括為：磨粒在橡膠輪法相和切向壓力作用下，金屬韌性相首先發生磨損，磨損到一定程度后將陶瓷脆性相骨架暴露出來，讓其承受較大載荷，脆性相在被載荷作用下的磨粒部分劃落形成剝落坑，繼續磨損會將脆性陶瓷相的微凸體也剝落下來，最后兩相再次一起承擔載荷，這樣往復循環直至磨損過程結束。

3 結語

本文主要采用消失模真空負壓鑄造法制備了三維連續網絡結構三氧化二鋁陶瓷/鋼復合材料，并對復合材料的鑄造工藝過程進行研究；然后觀察復合材料的宏觀形貌，復合材料的陶瓷與金屬相界面的狀態，復合材料在電鏡下的界面組織結構及元素分布，復合材料的物相組成，研究復合材料的界面結合機理；最后對復合材料的抗彎強度、磨粒磨損等一系列性能進行測試，并觀察在電鏡下復合材料的斷裂形貌和磨粒磨損形貌，研究復合材料的斷裂機理和磨粒磨損機理。