（材料学专业论文）alw复合材料及其密度梯度材料的制备研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 波阻抗梯度材料是波阻抗值沿厚度方向里梯度变化的新型功能梯度材料， 对靶具有准等熵蘧缩特憔，在动高压领域具有广泛的应用背景。本文选择越一w 作为研究体系，采用真空热压烧结的方法制备出a 1 w 复合材料及其密度梯度材 料。系统研究了a 1 w 复合材料的低温致密化及其致密化机理，详细测试了a l w 复合材料的声学、力学性能。并对a 1 w 密度梯度材料的结构进行了表征。 a 1 w 复合材料的x r d 结果表骧，当烧结温度低于5 5 0o e 时，魁w 复合材 料中仅存在a l 、w 两种物相，未发现其他物相；烧结温度超过5 6 0o c 时，复合 材料存在a l 、w 以及金属间化合物a 1 5 w 、砧1 2 w 。随着烧绐温度和烧结压力的 舞离，触w 复合材料的致密度明显提高。在5 5 0 3 0 0m p a - 1 2 0m i n 的烧结制 度下，含0 - - 9 2w t w 的a 1 w 复合材料均可烧结致密，其致密度均超过9 8 。5 。 分析认为，a 1 w 复合材料的低温致密化主要是依靠a 1 的烧结实现。烧结 前期主要是a l 、w 颗粒间的相对滑动、a l 颗粒的破碎和塑性变形，此过程速度 很快。烧结中期，a l 发生塑性变形与塑性流动，填充了颗粒闾的孔隙，致密度 大幅提高。烧结后期，烈元素向w 晶格中微量扩散，此过程比较缓慢，致密度 略有提高。 含0 - 9 2w t w 的a 1 w 复合材料的体积声速变纯范围为3 3 4 - - 5 2 8k m 妒1 ， 波阻抗值的变化范围为1 4 。1 3 0 3 。9 7 x 1 0 6 蛞m - 2 s - l ，变化趋势与理论预测结果相 符。随着w 含量的增加，a i - w 复合材料的显微硬度从4 5g p a 增加到1 1 0g p a ， 抗弯强度从2 6 5m p a 增加到5 3 0m p a 。 在工艺条件5 5 0 3 0 0m p a - 1 2 0m i n 下，热燕烧结制备出了含七层过渡层 的舢w 密度梯度材料。灿w 密度梯度材料整体致密，每层a l 、w 颗粒分布均 匀，过渡层界面清晰，平行度好。砧和w 含量呈明显的梯度分布。过渡层密度、 厚度测量值与p 一2 7 0 2 + 0 6 6 1 x 2 的设计结果相符。趟州密度梯度材料密度范 围为2 7 8 6 5g c m o ，波阻抗值范围为1 4 。1 3 砣9 。7 8 x 1 0 6 砖m - 2 s - 1 。 关键词：a 1 w ，烧结致密化，密度梯度材料，波阻抗 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f l i e r - p l a t e sw i t h 野a d e dw a v ei m p e d a n c ec a nb er e g a r d e d 勰an e wk i n do f f u n c t i o n a l l yg r a d e dm a t e r i a l s ( f g m s ) , w h i c hc r e a t eq u a s i - i s e n t r o p i cl o a d i n gt ot a r g e t m a t e r i a l s ，a n dh a v ec o m et os h o wg r e a tp o t e n t i a lf o rt h ea p p l i c a t i o ni nd y n a m i c h i g h - p r e s s u r et e c h n o l o g y i nt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o n , a 1 一ws y s t e mw a ss e l e c t e dt o p r e p a r ea 1 - wc o m p o s i t e sa n di t sf g m sw i mg r a d e dd e n s i t yb yv a c u u mh o t p r e s s i n g s i n t e r i n gm e t h o d ( v h p s ) t h ed e n s i f i c a t i o na n di t sm e c h a n i s m so f a l - wc o m p o s i t e s w e r em a i n l yi n v e s t i g a t e d 。t h ea c o u s t i cp e r f o r m a n c ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a l wc o m p o s i t e sw e r es t u d i e di nd e t a i l a tl a s t ，t h es t r u c t u r e so fa 1 一wf g m sw i t h g r a d e dd e n s i t yw e r ec h a r a c t e r i z e d x r dr e s u l t so fa l wc o m p o s i t e ss h o w e dt h a t ，o n l ya 1a n dw p h a s e se x i s t e di n t h ea 1 一wc o m p o s i t e ss i n t e r e db d o w5 5 0o ca n dn oo t h e rp h a s ew a sd e t e c t e d v v h e n t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ew a sh i g h e rt h a n5 6 00 ( 3 ，t h ep h a s e si na 1 一wc o m p o s i t e s w e r ea 1 ，wa n dt l l 出i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s ，n a m e l ya 1 5 wa n da l l 2 w w i t ht h e i n c r e a s eo fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，t h er e l a t i v ed e n s i t i e so fa 1 一w c o m p o s i t e si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y d e n s ea 1 - wc o m p o s i t e sw i lt h er e l a t i v ed e n s i t y o fm o r et h a n9 8 5 c o u l db eo b t a i n e d ，a tt h es i n t e r i n gc o n d i t i o no f5 5 0o c 一3 0 0 m p a - 1 2 0m i n a l wc o m p o s i t e sc o u l db ed e n s i f i e di nl o wt e m p e r a t u r e , d u et ot h a ta 1c o u l db e f u l l ys i n t e r e d t h er e l a t i v es l i d i n gb e t w e e np a r t i c l e s ，p a r t i c l e sb r e a k i n ga n dp l a s t i c d e f o r m a t i o no fa io c c u rm a i n l yi nt h ee a r l ys t a g e so fs i n t e r i n g t h es p e e do ft h i s p r o c e s sw a sv e r yr a p i d 。p l a s t i cd e f o r m a t i o na n dp l a s t i cf l o wo fa i ，a 1 一f i l l e dp o r e s b e t w e e nt h ep a r t i c l e sm a i n l yo c c u ri nt h em i d d l es t a g eo fs i n t e r i n g s ot h er e l a t i v e d e n s i t yo fa 1 - wc o m p o s i t e si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yi nt h el a t es t a g eo fs i n t e r i n g ，t h e r e l a t i v ed e n s i t yi n c r e a s e ds l i g h t l yd u et ot h ed i f f u s i o no f a lt owl a t t i c e t h ew a v ei m p e d a n c eo f 0 - 9 2w t 。w a 1 一wc o m p o s i t e sr a n g e df r o m14 。13t o 4 3 。9 7 x1 0 6k g m 2 s ，a n ds o u n dw a v ev e l o c i t yr a n g e df r o m3 3 4t o5 2 8k m s la n d a g r e e dw i t ht h ec a l c u l a t e dv a l u e s w i t ht h ei n c r e a s eo ft u n g s t e n ，t h em i c r o h a r d n e s s l l 武汉理工大学硕士学位论文 r a n g e df r o m4 5g p at o110g p aa n d3 - p o i n t - b e n d i n gs t r e n 醛hr a n g e df r o m2 6 5m p a t o5 3 0m p a a l - wf g m sw i t hg r a d e dd e n s i t yw i t hs e v e ng r a d e dl a y e r sw e r ep r e p a r e db y v h p sm e t h o d ，a n dt h es i n t e f i n gs y s t e mi s5 5 00 ( 3 3 m p a ol2 0m i n a i - wf g m s 硒mg r a d e dd e n s i t yw e r ef u l l yd e n s e ，o fg o o dp a r a l l e l i s ma n da 1 ，wp a r t i c l e se v e n l y d i s t r i b u t e di ne a c hl a y e r t h ea ia n dwd e m e n th a do b v i o u s l yg r a d e dd i s t r i b u t i o n a l o n gt h et h i c k n e s s t h et e s t e dv a l u e so fd e n s i t ya n dt h i c k n e s so fe a c hl a y e rw e r e c o n s i s t e n tw i t ht h ev a l u e sc a l c u l a t e db y p ( x ) 一2 7 0 2 + 0 6 6 1 x 2 t h ed e n s i t yo f a l w f g m sr a n g e df r o m2 7 0t o8 6 5g e m d ，t h ew a v ei m p e d a n c er a n g e df r o m14 13t o 2 9 。7 8x 1 0 6k g m - 2 s k e y w o r d s ：a i w ：s i n t e r i n gd e n s i f i e a t i o n ，f g m sw i t l lg r a d e dd e n s i t y , w a v ei m p e d a n c e 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果母尽我所知，除了文中特黑孽加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本入完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大 学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同 时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使 用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ：日期 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 材料科学研究面临着两大任务哆一是对传统材料的改性；二是开发出具有 优良性能的新型材料。自二十世纪八十年代以来，世界各国材料学者在长期研 究传统材料的基础上，相继获理论上撼蹬了很多新的概念，并在实践中制备趱 一些具有独特性饿畿酶新材料，如：餐簏枫敏材料、纳装材料、纳米弥教材料、 超硬材料、梯度材料。材料复合化是材料发展的必然趋势，许多新材料正是在 材料复合的基础上应运丽生。其中，梯度材料就是基予材料复合思想提出的一 种垒薪的功熊材料，它蠢予具有薪颖懿材料设计内涵和优异豹特性以及重要的 疲用背景，出现就受到科研工作者的广泛关注翻离度的重视犯】。 羔。i 功畿梯度材料 1 i 。i 功能梯度材料的箍介 梯度功挠誊孝料( f u n c t i o n a l l yg r a d e dm a t e r i a l 简称f g m ) 是一类通过结构和 缝成要素的连续或准连续变豫，而获得性熊相应予结构与组成变化丽渐变得非 均质复合材料，其橛念示意图如图1 1 睽示。 f g m 的正式概念是在1 9 8 7 年秋嘲霸本著名学者新翳正之、平并敏雄释渡边 龙三等首先提出的1 3 - 5 1 ，当时旨在用于解决在设计制造新一代往返式航天飞桃的 热保护系统中感现的许多翘题。理论计算表骥【5 】当航天飞机以8 马赫的速度在 2 5 k i n 以上的高空飞行时，机头与空气摩擦将产生2 0 0 0 k 以上的离温，丽祝表酶 温度也在1 7 0 0 k 以上。另外，飞枕冲压式发动机燃烧室内壁由于暴露在高温燃 烧气体下，空气吸入霉的温度也接近2 0 0 0 k 。由于这种商温是不允许传入机内工 作室戆，所以往往靠作为燃料的液氢进行冷却，蔼液氢的温度则是处予2 0 k 静 低温。这样用于热保护系统的材料就处在极离温度和极高温差的严酷环境中。 在这种苛刻的工作环境中，陶瓷和耐热金属以及它们的传统复合材料都不能满 足使用要求，梯度枣霉料的概念以及最初的热寂力缓和型梯凄材料的概念就是在 武& 理t 人学坝十t 学位论文 这种应用背景r 应运而生的。热应力缓和型梯度材料在面对高温或高温氧化环 境的一侧使用具有优良耐热、隔热和高温抗氧化性能的陶瓷材料，而在需要强 制冷却得一侧使用金属材料，以保证其高热传导性能和足够的机械强度：再通 过中问过渡层的组成成分、显微结构和性能的逐渐变化，来缓和因热物性的不 匹配以及大温差环境而产生的巨大热应力。 在这种设计思想和结构模式的引导下日本、中国、美国、德国、俄罗斯、 瑞士、英国、法国等国相继展开研究井为此投入大量人力、物力和财力、二十 多年以来，人们在热应力缓和型f g m 复合理论设计、材料合成技术与结构控制 方法以及材料的特性评价等等方面的研究取得了许多重要进展【】和一系列成果 ”。每两年召开一次，从1 9 9 0 年至今己召开了多届国际f g m 研讨会1 1 5 - 2 t 1 ，与 会人数、参与国家和提交论文数量都在不断增多，说明已经有越来越多的国家 加入到这一新型材料的研究领域。国内在这一领域的研究起步稍落后于日本， 月前，在我国开展梯度材料研究单位中的武汉理工大学材料复合新技术国家实 验室走在前列他们的一个专门小组紧紧跟踪国际领先水平，把握国际动态， 在f g m 的结构与性能方面以及f g m 的制各与结构控制研究方面的突出工作， 已引起了国际f g m 界的密切关注。 h o m o g e n e o u s m a t e r i a l b o n d i n go r c o a t i n g 圈1 i n h o m o g e n i z e d j j i l i n t e r f a c ee l i m i n a t e d f g m 图1 - 1 功能梯度材料的概念示意图口2 1 f i 9 1 1s c h e m a t i c d i a g r a m o f c o n c e p t f o r f g m s 日前，f g m 的研究主要集中在以下三个方而：是f g m 的设计与优化， 通过材料成分、结构的梯度化来提高已有性能或发现新的功能，如将均质材料 武汉理工大学硕士学位论文 不可能同时具有的两种相矛盾的特性统一起来以适应外界环境酶要求，丽通过 形成梯度结构来寻求其可能潜在的新的特性也日益引起人们的重视。二是开发 或采用新的合成制备技术来实现材料组成、结构的梯度化，包括以构造技术为 基硇和以质量传输技术为基础的多种梯度复合技术。它们的选取主要依据物系 设计和材料几何尺寸而定，不同的方法在材料制备与结构控制上各具特点；三 是进行f g m 的特性评价，尽管不同功能的f g m 的特性评价方法不同，但共通 的是将特性检测的结果反馈，用以检验和修正设计、制备过程的参数以及工艺 条件。可以说，设计_ 制各一评价_ 设计三位体是f g m 研究的基本模式。 1 1 2 功能梯度材料的制备 通过材料制备工艺和结构控制手段实现设计结果，这是f g m 研究的核心。 实现f g m 的组分和结构渐变的手段很多，按照制备过程中的物相状态可以分为 气相、液相和固相制各技术，如表1 1 所示。 表1 - 1 梯度材料的捌备方法幽 物相状态反应性质制备方法 化学化学气楣沉积( c v d ) 气物理气相沉积( p v d ) 相物理等离子喷涂常压、减压溅射 分予束外延( m b e ) ，离子注入 电沉积( 水溶性电解析出，熔融性电解析出) 液 化学 氧化还原反应 相熔射法，共晶反应法 物理 溶液凝固法，离心梯度浇注法 自蔓延燃烧法( s h s ) 固 化学 热分解法，涂布法 穗粉末冶金( 激光倾斜烧结法，等离子放电烧结法、 物理热眶烧结法) 部分结晶化法，扩散法 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 功能梯度材料的应用 f g m 源于结构材料，随着对f g m 研究的逐步深入，人们已不褥局限于热 应力缓和功能，丽将“梯度化”材料设计思想和结构控制方法孳l 入到其它些功能 型的应用领域，如高效率、宽温域热电转换f g m 、光电转换f g m 、生物活性 f g m 、光波选择f g m 以及电学、磁学结构f g m 等等；f g m 的体系组成也由最 初的金属一陶瓷体系扩展到金属金属。陶瓷一陶瓷。聚合物一聚合物、金属 一聚合物、陶瓷一聚合物等多种组合，显示出越来越广泛的应用背景l 凋，其具 体应用如表1 2 所示。 表1 - 2 功能梯度材料的应用【2 5 】 应用领域应用范围 核反应第一层壁及周围材料、电器绝缘材料、等离子 核工程 体测试、控制餍窗躁材辩 陶瓷发动机、耐磨机械构件、耐热机械构件、耐腐蚀 机械工程 机械构件、其他机械构件 高性能激光器组、多模光线、大霸径g r i n 透镜、光 光学工程 盘 生物医学工程人造齿、人造骨人造关节、人造脏器 超声波诊断装置、声纳、支架一体化传感器、与媒体 传感器 匹配好的音畴传感器 功能高分子膜催化剂、燃料电池纸、纤维、衣服、食 化学工程民用工程 品、建材 电磁体、永久磁体、超声波振子、陶瓷震荡器、硅半 电子工程 导体化合物、混合集成电路、长寿命加热器 1 2 波阻抗梯度材料 波阻抗梯度材料是一种特殊的梯度功能材料，其波阻抗在材料的厚度方向 上按定的规律里定规律连续或准连续变化。由于波阻抗梯度材料具有独特 4 武汉理工犬学硕士学位论文 的准等熵疆缩性能，因丽在动高压物理领域显示如极高的应用价值，受到备霆 科研工作者的广泛关注。 1 2 1 波阻撬梯度材料的应用 在天体物理、地球物理、固体物理、核武器以及惯性约束聚交等的研究中， 常常需要精确了解极端高压( 1 0 0 0 - 2 0 0 0g p a ) 条件下的物质的行为和响应特性， 两常觏的静离躯加载技术哭熊产生2 0 3 0g p a 的聪力，远不能满足上述研究的 要求，要获褥更高煎垂力剃要依靠棱爆炸、磁悉缭、激光热载、辘道炮、电炮 等动态惠压技术。其中，利用轻气炮( 包括级辍气炮和二级轻气炮) 技术将 波阻抗梯度材料驱动到赢速后撞击平面靶板来产生超高匿的冲击套疆载方法。这 种方法所需设备篙单、实验经费低，藤且在潞试精度、数据哥信度等方面具有 较翡显的优势。 然而，传统的冲击加载采用的是均质材料。冲击加载时，均质材料高速撞 击靶材，立即在靶内产生具有陡峭波阵霞的强间断冲击波蚓( 圈i - 2 中a 所承) 。 由于冲击波加载的速率缀高，在其波燕面内存在不可逆的热耗散效应，在靶内 剧烈的熵增和温升，靶板在获得高压的同时也将同时产生高温，使靶板困勰温 熔化甚至汽化以及材料动麓的热耗散，导致无法进一步压缩靶板，从丽缀难褥 裂更高静鹾力。 与通常使用的均质材料的冲击棚载技术不同，警波阻抗梯度材料被加速到 高速并与靶板相撞击时，在靶内产生的是一个波阵面被展宽、具有平缓上升压 力削面的平面压缩波f 2 6 】，即：先产生一个较弱的树始羼缩，以焉隧加载时间的 延长，珏力缓慢地增加，如图l 艺中b 所示。这种压缩波的加载速率明显速降低， 由不可逆热糕数所弓| 起的热效应成分太大减少，可以得到熵增很小的加载效果， 称其为准等熵压缩波( q u a s i - i s e n t r o p i cc o m p r e s s i o ne n e r g y w a v e ) 。融于准等烧罐 缩波酶加载速率嚷显降低，对靶酶压缩时闻较长，因焉莲缩劐同一个院容时， 材料的熵增遮小于不可逆冲击压缩产生鲶熵增，材料中的温舞也远低予冲盎压 缩产生的温升辟表现在聪力一比容关系上( 图1 3 ) ，准等熵压缩在相同的做功 条件下熊够实现比冲击加载更高的蓬缩比。也就是说，剩用波阻抗梯度材料的 准等熵压缩特性可以有效地解决传统均质材料冲击加载过程中存在嚣两个闯 题：偏离等熵的热耗散闯题翻能量的传递闯题。 5 武汉理正大学硕士学位论文 萎 差 o ne n e r g y t i m e 图l - 2 冲击加载波形与准等熵压缩波波形 f i g 1 艺p r o f i l e so fs h o c kl o a d i n gw a v ea n dq u a s i i s e n t r o p i cc o m p r e s s i o nw a v e 彗 蓉 毒 致致殇 。场l u m e 图1 3 准等熵压缩与冲击加载的比较 f i g 1 3p - f c u r v e so fs h o c kl o a d i n ga n dq u a s i - i s e n t r o p i cc o m p r e s s i o n 当波阻抗梯度材料被驱动到一定速度并撞击靶板时，对靶板进行的是准连 续或连续变化的准等熵压缩。由于准等熵噩缩波的上升前沿比较平缓，准等熵 加载作用时间相对冲击加载作用的时间要长得多。按照冲量作用原理，靶板将 获得更多的动量，即波阻抗梯度材料的动能可以更多地转换成为靶的动能，获 得更高的击靶压力。如果将靶板材料换成质量较小的二级波阻抗梯度材料，梯 度材料撞击时可以将其携带的动能更多地转化为二级波阻抗梯度材料的动能， 6 武汉理工大学硕士学位论文 丽且准等熵压缩波在二级波阻抗梯度材料自由面的卸载过程表现为多个连续波 的逐步卸载，有效地避免二级波阻抗梯度材料的卸载熔化或汽化现象，实现二 级波阻抗梯度材料的完整发射，使之获得极高的材料飞行速度，击靶后就能够 在实验室中产生相当于核爆水平的t p a 量级( 1 资鑫- l 。o 1 0 疆p a ) 超高蘧。由此 可见，准等熵压缩是利用波阻抗梯度材料实现超高速发射的基础。 另一方面，准等熵压缩是一种研究材料偏离冲击绝热状态( o f f - h u g o n i o t s t a t e ) 的重要手段，利用波阻抗梯度材料的准等熵技术是进行材料状态方程研究 的重要手段之一l 矧。在天体物理、地球物理、固体物理、核物理以及惯性约束 聚变等的研究中，需要精确了解极端高压条件( t p a 量级) 下物质的动态响应特 性和完全状态方程 2 8 - 3 6 】( e q u a t i o n - o f - s t a t e ，简称e o s ，它是描述物质系统中压 力p 、比容v 和温度t 等参数之间的函数关系式用于表达在一定熟力学条件下 物质的性状) 。这是由于：在冲击加载过程中，由于加载速率很高，被压缩的材 料发生显著的熵增而导致较大的温升，在获得高压的同时也将伴随产生高温， 因翁材料的有关物理参量的变化同时受压力和温度的双重因素的影响，难以区 分温度和压力的作用，这样得到的状态方程只是一种以压力、比容和比内能为 参量的不完全方程，温度依然无法确定。为了得到完全的状态方程，必须要在 冲击加载测量结果的基础上补充一些偏离冲击绝热线的状态量。相对于冲击加 载霭畜，由于准等熵压缩的加载速率较低，被加载材料的熵增和温舞很小，因 而有关物理力学参量的变化将主要由压力因素决定，从而可分解出温度和压力 因素对材料高压物性的影响。将准等熵压缩数据与冲击加载数据结合起来，就 可以建立趋材料的有关物理力学参量与各窦独立的温度变量和压力变量之闻的 关系，进而获得对动态加载下材料的响应特性、高压状态方程、本构关系和高 压物性更为全面的了解。 l 。2 。2 波阻抗梯度材料的研究进展 二十世纪八十年代美国从事核武器研制的圣地贬国家实验室( s a n d i a n a t i o n a ll a b o r a t o r i e s ) 就最早剑各了波阻抗梯度材料并应用在准等熵加载技术 中，为研究各种材料在几十乃至几百g p a 动态加载下的准等熵压缩特性提供了 关键的实验条件3 7 1 。他们在份题为“产生高压准等熵平面压缩波的可行性研 究”报告【3 8 1 中，较为详细地论述了密度渐变飞片技术( 称为 p i l l o w ”飞片技术) 7 斌汉理工大学硕士学位论文 产生准等熵压缩波的理论基础与实验技术。1 9 8 3 年，b a r k e r 等将p i l l o w 飞片用 于准等熵压缩的研究，在钽材料中提供了波形较好的准等熵压缩波，最高压力 达7 2 g p a 3 9 1 。1 9 8 7 年，c h h a b i l d a s 等同时采用p i l l o w 飞片和组合飞片 ( p m m a a l c u ) 对钨进行了类似的对比实验研究，疰力最高达到了2 5 0 g p a l 4 0 。 近年来，美国圣地亚国家实验室( s n l ) h n g u y e n 等人提出了w - a 1 4 ”体系、 m g c u 4 2 1 体系等二元体系。 隧着对波阻抗梯度材料的重视，国内也展开了波阻抗( 密度) 梯度材料的 研制及准等熵压缩的相关研究工作，取得了不少长足的进步。1 9 9 0 年，丁峰t 4 3 , 4 4 1 等利用4 层梯度材料( p m m 姒l c w t a 体系) 对无氧铜靶样品进行了准等熵压 缩的初步研究，靶内产生的压力达3 2 g p a 。1 9 9 6 年后，武汉理工大学采用粉末 冶金的方法制备国一系列梯度材料如a 1 魏麓体系、w 。m o 氍 4 6 a 7 体系、 w - m o t i m f 2 2 】体系、w - c u t i 枷m g 4 8 , 4 9 体系，实现了对h 6 2 铜和9 3 w 合金 的准等熵压缩，得到了由较弱的初始压力剖面和一段平缓、连续的上升前沿所 组成、波阵面被展宽至0 9 - 2 5 陴的准等熵压缩波。 此外，俄罗斯、法国、日本等国【5 1 ，5 2 】也相继在准等熵压缩方面取得了一定进 展。 1 3 论文研究工作的提出与主要研究内容 1 3 1 研究体系的选择 已有的研究表明t 3 9 ，为实现较好的准等熵压缩，由梯度材料击靶所产生的压 缩波的初始应力应只占峰值应力很小的一部分，这就要求梯度材料前界面( 撞 击西) 的波阻抗值应尽量低，而后界面的波阻抗值尽可能高( 一般比撞击面的 波阻抗值高l o 倍左右) 。此时，如果梯度材料撞击面的波阻抗又比靶材料的小 1 0 倍，那么就可以得到只占应力峰值1 8 左右的初始冲击。因此，在选择材料 物系时要尽可能遵循以下的主要原则【5 3 】： ( 1 ) 中间过渡层尽量不形成或少生成脆性化合物，以保证材料的力学性熊。 ( 2 ) 各物系尽量能同时致密，以简化制备工艺，并减少因不同过渡层在先 后不同温度下烧结产生界面不平行的可能性。 ( 3 ) 避免局部密度或波阻抗值的突变，满足“波阻抗沿厚度方向连续变化 8 斌汉理工大学硕士学位论文 的要求。 ( 4 ) 保证复合物系的可加工同一性。 由于金属与合金材料的综合性能较好、各种冲击状态参量数据齐全，因此 构成梯度材料物系为金属。梯度材料体系大多数是叠层材料或准连续变化的材 料，容易产生金属间化合物或者波阻抗值容易发生突变( 叠层材料) 。如 p m m a a i c u 、w 二c i u t i a 1 m g 体系为叠层材料，层与层之间的波阻抗值的跳跃 性缀大。a 1 e 珏体系层与层之阀的波阻抗值的跳跃性较小，但容易生成金属闻化 合物，而金属间化合物较脆，力学性能较差，因此，在i 中击作用下，梯度材料 就会破坏而无法实现准等熵压缩。 研究表明：若体系选择过于复杂，成分控制难度大，波阻抗连续性难以精 确控铡。选择密度跨度大的二元体系直接作为梯度材料体系具有以下优势：一 是成分( 波阻抗) 可以精确控制；其次是成分( 波阻抗) 可以准连续变化；最 后是物态数据准确，有利于进行数据模拟。 为制备出精确控制成分和波阻抗的f g m ，科学工作者试图通过减少梯度材 料中组分，制各掇成分简单的二元系功能梯度材料，通过准连续变化来避免上 述的缺点。e h s t r e i t z 和h n g u y e n 4 1 】等人通过粉末冶金手段，采用树脂为粘结 剂，通过按组分梯度变化叠层，制各了a 1 w 基的密度梯度材料，然而从严格意 义说，该体系仍然不是二元体系，因为树脂仍作为第三相存在；并且没有对烧 结温度、致密化机理做研究。物态数据不甚准确，不利于数据模拟，也没有相 关的波阻抗变化规律见诸报道。h n g u y e n 4 2 】等人用流延成型技术制备能适当控 制波障面的m g - c u 组分梯度飞片，实现了密度值的准连续变化，变化范围为 1 7 和8 9 0g e m - 3 ，基本上实现了密度和声波阻抗值则与组分成单调近乎线性关 系，与模拟计算值非常吻合，即波阻抗值可控的准连续变化。周敬【5 0 】采用粉末 铺层和放电等离予烧结( s p s ) 技术制备m g - w 体系梯度材料、系统研究了m g - w 复合材料的工艺、致密纯杌理嗣相关性麓。在6 0 0 。( 2 - 3 0m p a - 5m i n 的烧结制度 下制备了钨含量为o 9 2w t 的系列致密度超过9 8 5 的m g - w 复合材料。通 过颗粒级配的方法，实现了9 3w t w m g 的钨基复合材料的致密化。采用粉末 铺层和s p s 烧结技术得到了整体致密、表西平整、无宏蹴裂纹的m 黟w 密度材 料，密度梯度变化范围为1 7 4 9 c i i l 气l o 5 5g c m o 。总体而言，国内外对二元体 系的梯度材料还处于初始阶段，对于二元体系的报道亦很少。但由于二元体系 的巨大研究及应爝前景，目前是梯度材料的研究热点。 9 武汉理工大学硕士学位论文 表1 3 部分金属物质的基本物性参数 2 2 1 t a b l el 一3t h ep h y s i c a lp r o p e r t yp a r a m e t e r so f a f e wk i n d so f m e t a l 为制备密度跨度大的二元组分功能梯度材料，需选择密度差别较大的两种 金属作为组元。因此，对于二元体系，高波阻抗的金属有：w 、o s 、i r 、h 等( 见 表1 3 ) 。高密度端选择了金属钨( w ) ，因为w 的密度1 9 3g - e m 一，并且w 的 价格较便宜；低波阻抗的金属有：趟和m g 等。低密度端选用越金属，因为 a l 的密度相对较低，虽然高予金属m g 的密度，且触与w 易生成金属间化合 物，但是m g 金属的蒸汽压很低，易汽化，且易氧化，不利于复合材料成分控制。 如果采取一定的乎段抑制砧、w 之间的金属闻化合物产生，a l 可以比m g 更适 合制备与w 结合的复合材料。因此，本文选用a 1 w 体系作为研究对象。 由砧w 二元相图可知( 图l - 5 ) ，一定温度时a 1 w 之间生成复杂的a 1 1 2 w 、 a s w 、a 1 4 w 等金属闻化合物。前文已述h n g u y e n 制备的以树脂为粘绪剂a l w 基的密度梯度材料，h g 勖珏季蚓等人研究了机械合金的方法制各了通过非平衡状 态的成型，固溶度达到8 6 的w - a 1 合金。h u k o v i d 5 5 1 和s t u b i c a r i 酌l 等人等人研 究a 1 w 合金的薄膜。王立梅【5 7 】等人通过实验方法探讨微量的的铝对钨的活化烧 结行为。越w 研究非常复杂，匿嚏外对越，w 体系的材料报道很少。因此，本 文系统研究a l 、w 复合材料，具有重要的意义。 l o 武汉理正大学硕士学位论文 图1 5 础w 二元相图 f i g 1 - 5p h a s ed i a g r a mo f a l 一wb i n a r ys y s t e m 1 3 2 制备方法的选择 波阻抗梯度材料制备方法有很多( 见表1 1 ) ，其中液相法和气相法的大部 分制备工艺( 如气相沉积法、等离子喷涂法等) ，由于存在设备费用高、工艺控 制难度大、合成的材料孔隙率高、强度低，以及在材料性能呈现梯度方向上尺 度较小等不利因素，使它们在应用上表现出很大的局限性。相比丽下，固棚法 不需要复杂昂贵的设备、操作简单，易于控制而且有希望制备大型构件，因此 得到了较为广泛的应用。其中层问结合法和粉末冶金法就是制备波阻抗梯度材 料最常用的两种方法网。 层间平面结合法包括粘结法和焊接法，是用直接粘结或平面焊接的方法将 波阻抗不同的片状材料结合在一起，从何获得多层组合波阻抗梯度材料。其优 点是梯度材料的整体致密度高，梯度材料平整性好，波阻抗面之间的平行精度 高；其缺点是层闻的结含强度较低，波阻抗梯度变化的连续性差，这些都是影 响其准等熵压缩性能。 粉末冶金法包括成型和烧结两个工序，按其成型工艺不同又可分为层叠法 和共沉降法。其中共沉降法事基于s t o k e s 自由沉降公式，通过控制不同组分， 不同粒度和粒度分布的混合粉末在沉降介质中沉降行为，来获得满足设计要求 的梯度沉积层。采用共沉降法可以获得组成连续变化，相应的波阻抗也连续变 化的波阻抗梯度材料，但这种制备方法操作过程比较复杂，控制难度相对较大， 武汉理工大学硕士学位论文 技术工艺还霈进一步搽索和改进。采用粉末冶金法翻备的波阻抗梯度材料。层 叠法是首先选用的两种或多种金属粉末按照不同的组成的金属粉末一层一层铺 起来，通过控制每一层的组成和厚度，就可以得到波阻抗按特定规律变化的波 阻抗梯度飞片。这种成型方法操作篙单易于控制，但手工操作不可能做到每一 层的厚度无限薄，因此得到的波阻抗梯度材料无法彻底消除内部宏观界面，波 阻抗在厚度方向的变化只能是准连续的；鉴于波阻抗飞片材料的整体致密度， 平整性和波阻抗( 密度) 面之闻的平行精度对与飞片的质量具有非常重要的意 义，因而层叠法结合粉末冶金烧结麴方法对于制备准连续变佬的梯度飞片材料 仍是最有效的方法。 粉末冶金的方法有很多，传统的热压烧结法在制各梯度材料领域有着不可 忽略的优势。 热噩烧结，通常是指粉体物料坯体在低予物相熔点的温度，在外力的作用 下，排除气孔，缩小体积，提高强度和致密度，逐渐变成坚固整体的过程。烧 结过程，即材料不断致密他的过程，是通过物质的不断传递和迁移来实现瀚。 热压法是謦前采用最多的一静方法，它有以下的优点狰蛐h ： 1 ) 由于塑性流动而达到高密度，有可能得到近于理想密度的烧结体；2 ) 由 于在高温时加压，促进颗粒间的接触和加强扩散效果，随着烧结温度的升高， 可缩短烧络融闯；3 ) 可制成控制晶糠长大，盎微缎蹑粒构成的烧结体。 基予热压烧结的优点，本文选择真空热压烧结的方法制备越w 复合材料及 其密度梯度材料。 1 3 3 论文的主要研究内容 本文研究旨在制备出高致密的烈w 复合材料及研究其致密化机理和制备 出满足设计要求的a 1 w 密度梯度材料。主要研究内容有： 采用真空热压烧结的方法制各不同缀分配比酶a l - w 复合材料，研究w 含 量与粒径、备个工艺参数对朋w 复合材料致密化盼影响，a l 州复合材料烧结 致密化机理，以获得a l 。w 复合材料的烧结工艺制度。 测试不闲组分配比的a i - w 复合材料的相关物性参数，势鼬_ w 密度梯度材 料提供参数。 根据以上获得的a 1 w 复合材料的最佳工艺制度，制各出a 1 w 密度梯度材 料，并对其结构进行表征。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 实验原料 第2 章实验与测试方法 ( 1 ) a 1 粉 实验用a l 粉由北京有色金属研究院提供。采用o p t i m a4 3 0 0 d v 型全普直读 耦合等离子体发射光谱仪，依据国标j y t 0 1 5 1 9 9 6 对化学成分进行了分析，结 果见表2 1 。壹表可觅，原料a l 粉纯度高达9 9 9 ，含有微量的杂质元素。越 粉平均粒径约为6l a i n ，粒度分析见图2 1 ，微观形貌图如图2 2 所示。粉体为球 形颗粒，圆整度极佳，在大颗粒表面有少量小颗粒附着。 表2 - 1a 1 粉元素分析 t a b l e 2 1e l e m e n t a la n a l y s i so f a lp o w d e r 粒径范围，g m 图2 - l 粒径为6 0 5 岬的铝粉的粒度分布 f i g 。2 一lt h es i z e - d i s t r i b u t i o no f a lp o w d e r 1 3 武祝理1 人学硕j ：学位论文 霪 图2 - 2 原料a l 粉的s e m 图 f i g2 2t h es e mi m a g eo f a lp a r t i c l e s ( 2 1 w 粉 实验用w 粉为厦门金鹭特种台金有限公司生产的不同粒千争的w 粉，w 粉 的规格有d 5 0 = 02 岬、d 5 0 = 1 “m 、d 5 0 = 2h m 、d 5 0 = 5 岬。w 粉的纯度均大于9 99 ，四种不同粒径的w 粉x r d 图谱见图2 - 3 分析认为，原料w 中除存在w 的衍射峰以外，不存在其他物相。吲2 - 4 为w 颗粒的形貌，可咀看出w 颗粒的 形状较规整。 w 5p m t tt ?： ?：? 圈2 3 w 原料的x r d 图谱 f i 9 2 3 t h e x r dp a t t e m so f wp o w d e r s ：一lh 武& h 1 从学- j i 学位论卫 2 2 实验设计与工艺流程 2 2 1 实验设计 按照不同的比例分别称取a 1 粉与w 粉，在研钵中均匀混合得到混合粉术。 称取一定量的混合粉术装入w c c o 硬质台金模具巾，采用锦州i 吭垡公司生产的 z r y _ 4 0 型热压炉( d s l 圈2 - 5 ) 真空烧结样品( 工作真守度：】x 1 0 2 p a ) 。 烧结工艺制度如图2 - 6 所示。o a 时间段内，烧结温度从窄温引至温度点e ， 升温速率为1 0 。c r a i n ：a b 时间段则从温度e 升至 升温速率为2o c m i n ，在此 温度区间内缓慢加压至所需保温蚯力= b c 为保温时间，压力维持稳定：烧结在c 点结束后，维持压力不变，当自然降温至温度值为3 0 0 0 c 的g 点时，泄压至零。 图2 - 5 热压烧结炉的示意图 f i g2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f h o t p r e s s i n gs e t u p 图2 - 6 烧结工艺制度 f i 9 2 6 h o t p r e s s i n g