三维网络氧化铝/钢复合材料的制备及性能

巩新悦

（佳木斯大学 黑龙江 佳木斯 154002）

0 引言

复合材料是21 世纪最早开发和广泛使用的新材料之一。近年来，复合材料得到了快速发展，道路运输、医疗器械、健身器械、电气元件、车辆和工程领域等都有复合材料的应用。复合材料可以理解为一种新材料，具有每种材料的特性，由一系列（两种及以上）材料组合而成，这些材料在性能上可以完全不同，该材料的应用领域比单组分材料更广。近年来，随着复合材料的不断发展，陶瓷/金属复合材料成为分析的重点。陶瓷/金属复合材料不仅具有陶瓷材料的高硬度、致密性、耐腐蚀性和耐磨性，而且还具有金属材料的塑性和电学性能。三维网络陶瓷/金属复合材料（3DNCMC）以其独特的三维网络结构和广阔的应用前景，引起了研究者的广泛关注，该复合材料具有高质量、高比模量、高强度比、耐疲劳、抗热震和低热增长常数等优异特性，在机械制造、交通运输、能源动力、零部件及各种工程领域有着良好的应用前景。多孔陶瓷预制件的浸渗是实现3DNCMC 的关键技术。由于陶瓷和金属通常不润湿，陶瓷表面必须活化或金属化。Lemster 等[1]通过在泡沫陶瓷表面形成钛涂层解决了润湿性的问题。杨少锋等[2]在陶瓷颗粒中掺杂原子序数为28 的镍颗粒，以解决氧化铝与金属元素合金之间的界面结合问题。Sang 等[3]通过引入钛成功制备了氧化铝/铜3DNCMC，不仅解决了润湿问题，还改变了陶瓷/金属的界面性能，最终改善了复合材料的性能。王守仁等[4]对复合材料抗压强度的分析表明，复合材料的抗压强度随着增强截面质量分数的增加而增加。Chang 等[5]表明，强度随着金属截面而非陶瓷截面含量的增加而增强。因此，有必要对材料的制备方法进行优化，探索材料的种类、微观结构和性能特征。本文采用化学气相沉积法在泡沫陶瓷表面沉积金属镍涂层，以提高其润湿性，并将液化钢渗透到陶瓷骨架中，制备了三维网状氧化铝/钢复合材料，研究了复合材料的微观结构、表面性能、弯曲强度和磨粒磨损性能。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验中所用到的原料主要包括聚氨酯泡沫、氢氧化钠、聚乙烯醇（PVA）、三氧化二铝、二氧化硅、高岭土、膨润土、滑石粉、聚丙烯酸铵、硅溶胶、羧甲基纤维素、六水氯化镍、高纯H2、高纯Ar、45 钢，其中，陶瓷粉体组分的主要参数为三氧化二铝、二氧化硅、高岭土、膨润土和滑石粉。制备陶瓷所用的添加剂原料为聚丙烯酸铵、羧甲基纤维素和硅溶胶。化学气相沉积过程中的原材料有高纯氢气、高纯氩气、河南省焦作市化工三厂生产的氯化镍六水合物。

1.2 实验设备

本次实验中用到的设备有昆山市超声仪器有限公司生产的KQ-250DB 超声波清洗器；吴江市立龙电热设备有限公司生产的LL881Y-3 干燥箱；常州市衡正电子仪器有限公司生产的FA1004 分析电子天平；温岭市挺威真空设备有限公司生产的TW-1 型旋片式真空泵；上海精宏实验设备有限公司生产的SXL1304 程控箱式电炉；沈阳科精设备制备有限公司生产的SYJ-150 低速金刚石切割机；日本日立生产的GX-71 奥林巴斯显微镜、日本 S-4800 扫描电镜；张家口市宣化科华试验机制造有限公司生产的MLS-225 磨料磨损试验机；济南中路昌试验机制造有限公司生产的WDW-10H 型抗弯强度试验机。

1.3 实验内容

本实验采用有机泡沫浸渍法制备三维网络三氧化二铝泡沫陶瓷。按照56.25%的三氧化二铝、7.5%的二氧化硅、5.25%的高岭土、2.25%的膨润土、3.75%的滑石粉和25%的去离子水8 的陶瓷浆料各组分的百分含量计算出应当称量的各组分的量，用电子天平对各粉体质量进行称量，称量后均匀混合在一起。用量筒量取相应量的去离子水，将其（按照2 ∶1 比例）分成两部分分别放入两个烧杯中，编号记为①和②。往①号烧杯中加入2%的聚丙烯酸铵作为分散剂（作用是使陶瓷颗粒充分分散），将该烧杯放入超声波清洗器中震荡处理10 min，使其均匀地分散在去离子水中；在②号烧杯中加入0.5%的羧甲基纤维素作为流变剂和低温粘结剂用来增加陶瓷浆料的流动性，并使陶瓷颗粒在低温下能够很好地粘附在一起，将该烧杯也放入超声波清洗器中震荡处理10 min，使其均匀地分散在去离子水中，并成黏稠状。接下来将氨水溶液滴加到②号烧杯中，调节该烧杯中溶液的pH 值为11，因为在pH=11 时浆料黏度低且流动性最好，再向该烧杯中加入2%的硅溶胶作为高温粘结剂。搅拌均匀后，将搅拌均匀的粉体开始缓慢加入①号烧杯中，边加陶瓷粉体边用玻璃棒进行搅拌，直至出现团块状无法进行搅拌时将②号烧杯中的羧甲基纤维素倒入少许，会发现团块状慢慢消失，可以继续进行搅拌，继续加入陶瓷粉体，如此反复进行，直至将陶瓷粉体和②号烧杯中的羧甲基纤维素全部加入①号烧杯中为止。如果此时①号烧杯中陶瓷浆料没有很好的流动性，那么继续搅拌直至使陶瓷浆料具有很好的流动性时停止搅拌，把该陶瓷浆料放入超声波振荡器中震荡30 min，使得浆料的各组分更加均匀地混合，使得浆料的流动性进一步提高；将配置好的浆料放入圆玻璃瓶中，并放入几个大小不一的二氧化锆小球，拧紧盖子，将玻璃瓶放在滚筒搅拌机上进行球磨，使陶瓷浆料充分混合均匀、陶瓷粉体充分球磨细化，球磨时间至少为24 h。

有机泡沫采用聚氨酯泡沫，将其裁剪成所需形状，然后配置一定量的浓度为20%的NaOH 溶液，将聚氨酯泡沫浸没在氢氧化钠溶液中，将盛有氢氧化钠溶液和聚氨酯泡沫的烧杯置于60 ℃水浴中，对聚氨酯泡沫表面杂质进行清洗6 h，接下来用镊子夹出泡沫用水冲洗完后晾干；再配置浓度为5%的聚乙烯醇（PVA）溶液，该溶液需要在80 ℃环境下搅拌方能形成所需均匀黏稠的溶液，等该溶液达到所需状态后取出。接下来将第一步晾干后的泡沫浸入该PVA 溶液中活化处理24 h，取出挤出多余PVA 溶液，避免堵孔，最后晾干。最后通过化学气相沉积法在泡沫陶瓷表面均匀沉积一层镍镀层，然后将沉积好的泡沫陶瓷采用铸造浸渗法将钢液浸渗到泡沫陶瓷骨架中，形成以镍作为过渡层的氧化铝/钢复合材料。钢液浸渗三氧化二铝网络陶瓷骨架孔隙的过程相当复杂，该过程受到很多因素的影响，例如网络陶瓷预制体的孔隙结构、大小、厚度，表面粗糙度、抗热冲击性等，钢基体的浸渗温度、浸渗时间、黏度等，还有化学气相沉积的镍镀层的厚度、均匀性、与陶瓷表面的结合状况等，此外，外界浸渗环境也对浸渗过程有着显著的影响。

1.4 实验结果

实验结果中较亮的大片组织是钢基体，黑色网状组织是氧化铝陶瓷，氧化铝陶瓷中的一条较亮的亮带是泡沫陶瓷的内部孔筋位置。可以看出，氧化铝陶瓷与钢基体界面分明，看不到孔洞缺陷，钢基体与泡沫陶瓷骨架紧密结合在一起，界面处没有裂纹，在陶瓷的泡沫骨架内部可以看到一条亮带，在1 550 ℃的浇注温度下，高温熔融钢液一旦与陶瓷表面的金属镍相接触，就会发生互溶扩散，将镍部分冲到钢基体中，然后冷凝后陶瓷表面的镍的位置被钢占据。复合材料内部有Fe、Al2O3、莫来石等物相，本来存在的镍相在高温铁液浸渗网络陶瓷的过程中镍相与钢液发生了互溶扩散形成了新相铁镍合金，但是由于金属镍的含量很少，因此检测不到该物相。

将氧化铝陶瓷增强体制备成三维网络结构，然后对陶瓷表面金属化处理，最后将钢液浸渗到泡沫陶瓷的网络孔隙中，这样就使得陶瓷增强体和金属基体均具有三维贯穿网络结构。陶瓷表面本身很粗糙，使得陶瓷与金属之间的结合界面呈现锯齿状机械啮合，还有部分钢液浸渗到网络陶瓷骨架的孔筋及三角微孔中，这就在微观结构上也实现了三维贯穿网络结构，这种结构形式使单位体积内陶瓷/金属两相的结合面积显著增大、承受载荷能力提高，两相结合强度提高在1 550 ℃（Ni 熔点以上温度）下进行浸渗，陶瓷表面沉积的金属镍一部分扩散熔解到钢中，形成铁镍合金，从而提高了润湿效果，金属相与陶瓷相的界面结合紧密。因此，这种结构形式的陶瓷/金属复合材料的界面是机械啮合和非反应润湿结合共同作用的混合结合形式。

2 氧化铝/钢复合材料的性能

2.1 复合材料的抗弯强度

利用三点弯曲法对复合材料的抗弯强度进行测定，不同体积分数复合材料抗弯强度值表明：复合材料的抗弯强度随着陶瓷增强体体积分数的增加呈现减小的趋势，但是复合材料的抗弯强度总体高于氧化铝实体陶瓷的抗弯强度，10 ppi 复合材料的抗弯强度是氧化铝陶瓷的4.46 倍。宏观弯曲裂纹集中在压头下压部位背压面附近，裂纹都存在于增强体与基体的结合界面处以及陶瓷增强体骨架处，并沿着两相界面扩展，这说明界面结合处仍是复合材料最薄弱的地方。复合材料弯曲过程：由于复合材料的三维网络贯穿结构，复合材料在受到压头压力时，受力是相当复杂的，刚开始也发生弹性变形，当力增大到一定程度致使复合材料中的钢发生屈服时，这种特殊结构的互锁机制就会发生作用，陶瓷体就开始制约钢基体的屈服变形。当压力继续增大到陶瓷增强体无法抵抗钢基体变形时，这时复合材料开始发生非弹性弯曲。陶瓷材料属于脆性材料，它在这时就开始萌生裂纹。随着力的进一步增大，裂纹就开始沿着两相界面扩展。复合材料在测量仪上压力和变形呈现的总体规律是随着压力的增大，变形开始增大，而当压力增大到一定程度时随着变形量继续增加压力又呈减小趋势，这个最大值也就是复合材料的抗弯强度。但是随着增强体体积分数的增加，复合材料的抗弯强度呈现下降趋势，原因是陶瓷属于脆性相，复合材料中陶瓷体的体积分数多到一定程度，在钢基体还没有达到强度期限时，陶瓷体先达到其强度极限，复合材料就从脆性相陶瓷处产生裂纹增多，裂纹迅速扩展，因此，随着陶瓷增强体体积分数的增加，复合材料的抗弯强度呈现下降趋势。氧化铝/钢复合材料断口形貌结构图见图1。

2.2 复合材料的磨粒磨损性能

对不同体积分数增强体的复合材料及钢分别进行磨粒磨损实验，由于陶瓷增强体体积分数不同，复合材料密度也不同，随着陶瓷增强体体积分数的不断增加，复合材料的体积磨损量呈现减少的趋势，复合材料的体积磨损量整体上均比钢基体要小得多，钢基体的体积磨损量是20 ppi压缩复合材料的4.43 倍，陶瓷增强体体积分数越大，复合材料的耐磨性越好，钢基体的磨痕深度最大，随着复合材料中增强体体积分数的增加，复合材料的磨痕深度逐渐减小，复合材料磨损表面上磨粒对金属材料的犁沟深度也就越小。钢中磨粒对其划痕较为密集且较深，而复合材料中磨粒对其划痕较为分散且较浅。原因是在进行磨粒磨损实验时，复合材料界面结构可以在一定范围内传递摩擦载荷，有效避免了陶瓷相在磨损载荷下的脆断。由于金属基体相和陶瓷增强相的耐磨性有着显著的差异，所以，复合材料的磨损过程可以简要概括为：磨粒在橡胶轮法相和切向压力作用下，金属韧性相首先发生磨损，磨损到一定程度后将陶瓷脆性相骨架暴露出来，让其承受较大载荷，脆性相在被载荷作用下的磨粒部分划落形成剥落坑，继续磨损会将脆性陶瓷相的微凸体也剥落下来，最后两相再次一起承担载荷，这样往复循环直至磨损过程结束。

3 结语

本文主要采用消失模真空负压铸造法制备了三维连续网络结构三氧化二铝陶瓷/钢复合材料，并对复合材料的铸造工艺过程进行研究；然后观察复合材料的宏观形貌，复合材料的陶瓷与金属相界面的状态，复合材料在电镜下的界面组织结构及元素分布，复合材料的物相组成，研究复合材料的界面结合机理；最后对复合材料的抗弯强度、磨粒磨损等一系列性能进行测试，并观察在电镜下复合材料的断裂形貌和磨粒磨损形貌，研究复合材料的断裂机理和磨粒磨损机理。