第32卷 第1期 无 机 材 料 学 报
Vol. 32
No. 1
2017年1月
Journal of Inorganic Materials Jan., 2017
收稿日期: 2016-04-12; 收到修改稿日期: 2016-06-20
基金项目: 国际科技合作专项项目(2015DFR51090); 甘肃省自然科学基金(1508RJZA049); 国家自然科学基金(51674130);
省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室开放基金(SKLAB02014010)
Key Program for International S&T Cooperation Projects of China (2015DFR51090); Natural Science Foundation of Gansu Province (1508RJZA049); National Natural Science Foundation of China (51674130); Open fund of State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals(SKLAB02014010)
作者简介: 何 玲(1976–), 女, 博士, 教授. E-mail: hlswm@https://www.doczj.com/doc/8714339585.html,
文章编号: 1000-324X(2017)01-0056-07 DOI: 10.15541/jim20160243
三基色镍基自敏复合涂层的制备及其性能研究
何 玲, 李乾坤, 李文生, 崔 帅
(兰州理工大学 材料科学与工程学院, 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 兰州 730050) 摘 要: 检测耐腐蚀涂层在腐蚀环境下的完整性, 对预测涂层工作寿命至关重要。通过电化学沉积法成功地将三基色无机荧光颗粒: BaMgAl 11O 17: Eu 2+(蓝粉), Y 2O 3: Eu 3+(红粉), CeMgAl 11O 19: Tb 3+(绿粉)与金属镍复合, 在瓦特光亮镀镍浴中沉积出具有三基色指示功能的镍基自敏复合涂层。采用X 射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、表面轮廓仪、维氏硬度计、荧光发射光谱和电化学测试手段分别对涂层组织形貌结构、润湿性、沉积率、硬度、发光性能及自敏性能进行了检测, 结果表明, 阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和非离子表面活性剂聚乙二醇(PEG)可以有效提高三基色荧光粒子沉积率。三种荧光粒子与金属镍之间表现出不同的润湿性和匹配性, 使得其在镍基复合涂层中具有不同的作用: Y 2O 3: Eu 3+荧光粒子改变了涂层结晶取向, 且使晶粒细化, BaMgAl 11O 17: Eu 2+使涂层组织呈现节瘤状, Y 2O 3: Eu 3+和CeMgAl 11O 19: Tb 3+粒子明显提高了涂层硬度。三基色荧光粒子在腐蚀前后表现出不同的发光特性, 可以有效指示出涂层工作周期内的完整性, 起到良好的自敏检测作用。 关 键 词: 荧光颗粒; 电化学沉积; 自敏检测; 镍基复合涂层 中图分类号: TQ153 文献标识码: A
Synthesis and Properties of Self-sensitization Luminescent Composite Coatings
HE Ling, LI Qian-Kun, LI Weng-Sheng, CUI Shuai
(Lanzhou University of Technology, State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals, School of Materials & Science, Lanzhou 730050, China)
Abstract: It is very important for coating to detect integrity and working life in corrosive environment. The
self-sensitization luminescent coating were fabricated by electroplating technique from a modified Watts bath com-bined with blue-emitting (BaMgAl 11O 17: Eu 2+), red-emitting (Y 2O 3: Eu 3+), and green-emtting (CeMgAl 11O 19: Tb 3+) rare-earth fluorescent particles. The surface morphology, microstructure, wettability, deposition rate, hardness, and self-sensitization luminescent property of the obtained composite coatings were characterized by using fluorescence spectrophotometer, surface profile measuring instrument, vickers, scanning electronmicroscope (SEM), X-ray dif-fraction (XRD), and electrochemical test techniques. The results show that surfactants of non-ionic PEG (polyeth-ylene glycol) and cationic CTAB (cetyltrimethylammonium bromide) effectively improve the particles deposition rate. The fluorescent particles shows different wettability and matching with nickel, which have different effects on microstructure of the composite coatings. Y 2O 3: Eu 3+ fluorescent particles change the coating crystal orientation and
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grain refinement, BaMgAl11O17: Eu2+ fluorescent particles make the coating morphology presents knot. The coating
hardness is increased obviously in composite coatings containing Y2O3: Eu3+ and CeMgAl11O19: Tb3+ particles. The
fluorescent particles show different luminescent characteristics after corrosion, indicating good self-sensitization and
effective monitor on the integrity of the composite coatings.
Key words: fluorescent particles; electrodeposition; self-sensitization monitor; Ni-base composite coatings
镍基涂层能够减少机械部件表面的腐蚀, 提高工件寿命, 得到了广泛应用[1-4]。工件长期在腐蚀环境工作下, 涂层不可避免会出现减薄、脱落, 造成涂层和基体的破坏。因此, 对于腐蚀环境下工作的涂层, 建立一种早期预警指示机制来检测涂层在工作周期内的完整性至关重要。研究显示, 将荧光颗粒与镍共沉积, 能够有效提高涂层的硬度和耐腐蚀性能, 并实现预警指示效果。Feldstein等[5]首次实现了镍与荧光颗粒的化学沉积; Eldridge等[6]利用电子束物理气相沉积将荧光颗粒沉积在航空发动机热障涂层表面, 实现了荧光颗粒与金属涂层的分层性指示; Ganapathi等[7]在有机融熔液体(乙酰胺和二甲基钒)浴中电沉积金属与荧光颗粒。上述制备工艺中镀液的准备过程繁琐, 设备昂贵, 荧光粒子在沉积过程中会出现热猝灭, 降低荧光粒子的发光特性, 影响涂层的自敏指示特性。针对以上问题, He等[8]在较低温度下利用电化学沉积法在碳钢表面制备了蓝光指示性涂层, 并对其发光性能进行了研究。但是单一色彩自敏涂层难以满足不同腐蚀工况条件下的指示需求。稀土发光材料亮度高、发光稳定、寿命长, 已广泛应用于照明、生物等领域[9-12]。本工作采用电化学沉积法, 将商用三基色荧光颗粒(BaMgAl11O17: Eu2+、Y2O3: Eu3+、CeMgAl11O19: Tb3+)与镍复合沉积在不锈钢表面, 形成三基色发光自敏复合涂层, 并对三种荧光粒子与金属镍之间的润湿匹配性、复合涂层的组织结构, 以及在腐蚀环境中涂层发光衰减特性的差异进行了研究。
1实验方法
1.1 试剂与仪器
试验以六水合硫酸镍、氯化镍、硼酸、1-4丁炔二醇、香豆素、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚乙二醇(PEG)、糖精作为镀液配置原料。将粒径为5~10 m的稀土三基色荧光粉颗粒(蓝光-BaMgAl11O17: Eu2+, 绿光-CeMgAL11O19: Tb3+, 红光-Y2O3: Eu3+)与涂层复合, 采用纯镍片作为阳极(90 mm×10 mm), 以抛光后的SUS304不锈钢片(90 mm×10 mm)作为阴极, 将磷酸三钠、氢氧化钠、无水碳酸钠、硅酸钠、盐酸(质量分数为36%~38%)作为基体预处理的原料。
实验利用DF-101集热式恒温加热磁力搅拌器进行搅拌, CHI660D电化学工作站进行电沉积和腐蚀测试。在F97荧光分光光度计对涂层发光性能进行检测, 在维氏硬度计上测量涂层硬度, 利用D8/ADV ANCE 型X 射线衍射仪和JEOL-6700F型扫描电子显微镜对试样的物相、微观结构和表面形貌进行分析。使用荧光显微镜中多相组织分析手段, 统计发光荧光粒子在涂层中所占的体积分数, 测算粒子在复合涂层当中的沉积率。
1.2实验过程
(1) 基体预处理
将打磨抛光好的不锈钢试片置于磷酸三钠、氢氧化钠、无水碳酸钠与硅酸钠配置成的有机除油溶液中, 在60℃下超声波清洗, 再用蒸馏水冲洗后放入干燥箱以待用。
(2) 镀液配置
将六水合硫酸镍(NiSO4·6H2O)、六水合氯化镍(NiCl2·6H2O)、硼酸(H3BO3)、糖精(Saccharin)、1-4丁炔二醇(1, 4-butynediolcoumarin)、香豆素(Coumarin), 阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和非离子表面活性剂聚乙二醇(PEG)一起加入去离子水中, 溶解后作为镀液溶液, 然后添加稀土三基色荧光粉颗粒(蓝光–BaMg–Al11O17: Eu2+, 绿光–CeMgAL11O19: Tb3+, 红光–Y2O3: Eu3+), 并将镀液超声分散, 镀液成分如表1所示。
表1电解液成份
Table1 Chemical composition of the electrodeposition bath
Composition NiSO4·6H2O NiCl2·6H2O H3BO3Saccharin1, 4-butynediolcoumarin Coumarin CTAB PEG
(g·L-1) 250 45 40 1 0.3 0.1
0.1/0.20.04
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(3) 电镀
荧光粉颗粒浓度为15~40 g/L, 采用NaOH (0.1 mol/L)和H2SO4(0.1 mol/L)将镀液pH调节至4.0, 将预处理好的不锈钢试片在HCl溶液浸泡60 s 以除去表面氧化层。镀液在50℃水浴中磁力搅拌, 搅拌速率为400 r/min, 电镀时间为40 min, 电流密度为70 mA/cm2。
2结果与讨论
2.1三基色荧光粒子的沉积率及其润湿性
三基色荧光颗粒的种类及其在镀液中的浓度对粒子在复合涂层中的沉积率都有较大影响。如图1所示, 由于三种荧光粉比重不同, 当荧光颗粒浓度升高时表现出不同的沉积特性。BaMgAl11O17: Eu2+和Y2O3: Eu3+沉积率出现先升后降的特性, 这是由于随着荧光颗粒浓度提高, 颗粒间团聚几率增大, 粒子会出现沉降而不能良好地悬浮在镀液中, 因此浓度为20 g/L时, BaMgAl11O17: Eu2+和Y2O3: Eu3+荧光颗粒的沉积率最大, 分别为64.1%和31.6%。而CeMgAl11O19: Tb3+比重大于前两者, 在相同浓度下镀液中的颗粒数最少, 发生团聚的几率减小, 因此随着浓度提高, 粒子的沉积率呈现上升趋势。三种荧光颗粒在复合涂层中的沉积特性不同的另外一个原因是由于阳离子表面活性剂(CTAB)使荧光颗粒表面形成带正电的离子氛, 而三种荧光颗粒Zeta电位的不同, 使粒子在相同浓度下沉积特性有所差异。综合考虑, 荧光颗粒浓度为20 g/L时, 复合涂层中的粒子的沉积性能最佳。
图2给出了三基色荧光粒子沉积率与阳离子表面活性剂CTAB浓度之间的关系。随着CTAB浓度
图1 不同浓度镀液中三基色荧光颗粒在复合涂层的沉积率Fig. 1 Deposition rate of fluorescence particles on the com-posite coatings in the plating bath with different concentrations
图2 表面活性剂(CTAB)浓度对粒子沉积率的影响
Fig. 2 Effect of surfactant (CTAB)concentration on deposi-tion rate of fluorescence particles
升高, 荧光粒子沉积率明显上升, 当CTAB浓度为0.2 g/L时, 三种荧光粒子沉积率都达到最大, 分别为70%(BaMgAl11O17: Eu2+)、36.5%(CeMgAl11O19: Tb3+)、36.4%(Y2O3: Eu3+), 继续增大CTAB的浓度会出现涂层开裂现象。CTAB浓度的升高一方面使更多的荧光粒子表面富集正电荷, 从而提高粒子在镀液中的悬浮量; 另一方面当过多的荧光粒子停留在电极表面时, 粒子之间容易发生团聚, 使涂层表面荧光粒子的沉积出现不均匀现象。非离子表面活性剂PEG在电沉积过程中对电极有极化作用, 提供沉积阻力, 加入少量PEG后, PEG的疏水基团吸附在荧光粒子表面, 亲水基团朝向水分子, 利用PEG 长链起到空间位阻效应, 减少荧光粒子之间的团聚, 最终使荧光粒子均匀沉积在电极表面。
图3给出了荧光粒子添加浓度为20 g/L, 表面活性剂浓度为CTAB(0.1g/L)时, 三种荧光粒子和镍离子在沉积过程中的过电位曲线。三种荧光粒子对
图3 不同复合涂层线性伏安曲线
Fig. 3 Curves of linear sweep voltammetry of different com-posite coatings
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CTAB的吸附能力不同导致荧光粒子在电极表面过电位的差异, 从而引起颗粒润湿性的不同。同时荧光粒子的吸附与Ni的结晶生长存在竞争机制, 粒子吸附在电极表面, 同时Ni2+在阴极的还原作用下析出。如图3所示, BaMgAl11O17: Eu2+和Y2O3: Eu3+粒子的过电位与镍离子相比负移, 这是由于表面吸附了CTAB后, 上述两种荧光粒子在电极表面优先占据Ni结晶形核位置, 阻碍了镍离子的电子转移, 使得荧光颗粒优先沉积, 表明在沉积过程中蓝色和红色荧光粒子具有良好的润湿性。蓝色荧光颗粒BaMgAl11O17: Eu2+的过电位负移程度大于红色荧光颗粒Y2O3: Eu3+。绿色荧光颗粒CeMgAl11O19: Tb3+的过电位相比纯镍涂层有所正移, 润湿效果不明显。
2.2三基色荧光粒子对涂层结构和硬度的影响
三种荧光粒子浓度为20 g/L时, 与镍共沉积后涂层的SEM表面形貌如图4所示。由图可知三基色发光复合涂层表面较为致密, 荧光粒子与涂层结合牢固, 未出现表面脱落的痕迹, 局部地方有少量氢气在电极表面发生吸脱附而留下的凹坑。Ni-BaMgAl11O17: Eu2+复合涂层中荧光粒子沉积率较高, 涂层表面荧光粒子出现局部团聚, Ni-CeMgAl11O19: Tb3+和Ni-Y2O3: Eu3+涂层中荧光粒子分布均匀, 分散性良好。
图5为三基色复合涂层的断面形貌, 图中三基色发光复合涂层与基体结合牢固, 界面处没有出现裂缝。在涂层纵向, 荧光颗粒的分布呈现差异性。电极表面, 随着沉积过程进行, 较小的颗粒嵌入涂沉积过程按照Stokes定律, 较大的颗粒优先沉积在层表层。图5(a)中发现BaMgAl11O17: Eu2+颗粒的沉积改变了涂层的结晶形貌, 出现节瘤状组织, 这是由于沉积率较大时荧光粒子发生团聚, 阻碍了Ni结晶形核和长大, 导致Ni结晶位置电流密度升高, 造成局部Ni晶粒迅速长大出现节瘤状组织。从图5(b, c)可以看出, CeMgAl11O19: Tb3+和Y2O3: Eu3+荧光粒子均匀分布在涂层中, 涂层致密, 没有节瘤状组织, 说明荧光粒子的吸附与Ni结晶生长相互竞争达到平衡。
发光复合涂层的XRD图谱如图6所示, 图中(200)和(111)衍射峰对应于纯镍的衍射峰, 与镍相衍射峰强度比较, 荧光粒子衍射强度较弱。XRD图谱中未发现其他杂相生成, 说明荧光粒子没有与Ni发生反应。在涂层中分别添加BaMgAl11O17: Eu2+和CeMgAl11O19: Tb3+颗粒后, Ni的晶体结构没有改变。但是在涂层中添加Y2O3: Eu3+颗粒后, Ni相的结晶取向由(200)晶面向(111)发生转变, 这是由于电沉积过程中Y2O3: Eu3+颗粒改变了Ni(OH)2和活性氢原子的吸附作用, 进而抑制了Ni相(200)生长方向[13]。根据Scherrer方程计算三种涂层的晶粒大小:
D = Kλ/FW(S)×cos(θ)
式中λ、FW(S)、θ分别代表Cu-Kα的波长、卷积大小、衍射角, D为晶粒大小, K在涂层中一般取0.5。计算结果表明, 三种荧光粒子的晶粒大小分别为21.4 nm(BaMgAl11O17: Eu2+)、18 nm(CeMgAl11O19: Tb3+)、10.4 nm(Y2O3: Eu3+)。说明Y2O3: Eu3+颗粒中
图4 三基色发光复合涂层的表面SEM照片
Fig. 4 Surface morphologies of composite coatings
(a) Ni-BaMgAl11O17: Eu2+; (b) Ni-CeMgAl11O19: Tb3+; (c) Ni-Y2O3: Eu3+
图5 三基色发光复合涂层的断面形貌照片
Fig. 5 Cross-sectional optical micrographs of composite coatings (a) Ni-BaMgAl11O17: Eu2+; (b) Ni-CeMgAl11O19: Tb3+; (c) Ni-Y2O3: Eu3+
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图6 三基色发光复合涂层的XRD图谱
Fig. 6 XRD patterns of composite coatings
的钇原子具有钉扎镍结晶边界的作用[14-17]., 阻碍了镍原子扩散长大, 从而使Ni-Y2O3Eu3+涂层的Ni晶粒最小。
复合涂层硬度与第二相粒子的属性密切相关, 图7给出了荧光粒子添加浓度对复合涂层硬度的影响。由图7可知, 随粒子浓度升高, 涂层硬度增大, 增大趋势与粒子沉积率变化趋势一致。这表明影响涂层硬度的大小与荧光粒子的沉积率有密切关系, 荧光粒子沉积率越大其涂层硬度越高。荧光粒子属于陶瓷无机颗粒, 其本身就具有很高的硬度, 陶瓷颗粒对涂层会起到弥散强化的作用而使
图7 荧光粒子添加浓度对复合涂层硬度的影响
Fig. 7 Effect of concentration of fluorescence particles on the hardness of coatings 涂层硬度明显升高。
从系列样品中选取相近沉积率(35%~42%)的三种复合涂层, 给出了相近沉积率下复合涂层硬度、粗糙度等相关参数, 如表2所示。由表可知, 三种荧光粒子对涂层表面一致性产生了不同的影响。红光复合涂层硬度最高, 表面粗糙度R a和R max较大, 这是由于Y2O3: Eu3+粒子自身具有高硬度, 涂层晶粒最小而起到细晶强化的作用, 并且Y2O3: Eu3+颗粒中的钇原子具有钉扎镍结晶边界的作用, 可以有效抑制位错源的移动, 导致红光涂层在三种涂层中的硬度最高, 且红光涂层中Y2O3: Eu3+颗粒中的钇原子会抑制晶粒长大, 使晶粒沿纵向生长趋势增大, 表面粗糙度增加。而绿光复合涂层(Ni-CeMgAl11O19: Tb3+)硬度仅次于红光复合涂层, 且粗糙度最小, 这是因为CeMgAl11O19: Tb3+自身含有两种稀土元素Ce与Tb, 两种稀土元素充当惰性稀土相可以细化晶粒, 在涂层中也起到抑制位错源的作用[18-19], 使得涂层在结晶中趋于平整, 涂层粗糙度较小, 表面轮廓起伏较小, 因此涂层硬度仅次于红光复合涂层。蓝光复合涂层中BaMgAl11O17: Eu2+颗粒自身硬度较低, 粒子不具有细化晶粒的作用, 使得涂层晶粒粗大, 平均粗糙度R a较大, 涂层表面粗糙, 表面起伏较大。
2.3三基色发光自敏复合涂层的发光性能
图8为三基色发光复合涂层荧光粒子在254 nm 紫外光激发下的发射光谱。图8(a)为Eu2+在六方结构BaMgAl11O17基质晶格中的发光特征, 可见Eu2+取代了镜面层Ba2+的格位形成的发光中心, 在晶体场作用下发生4f65d1-4f7跃迁, 形成452 nm的蓝光发射。图8(b)为Tb3+在CeMgAl11O19基质中分别出现在490、542、590、620 nm的5D4→7F5发射。图8(c)为Eu3+在Y2O3基质晶格中出现了主峰位于611 nm Eu3+的5D0→7F2的发射。从图8可以看出, 涂层中荧光粒子的发光强度低于其本征发光强度, 说明荧光颗粒的发光在涂层中出现了猝灭现象。电化学沉积法在低温下进行, 荧光粒子在沉积过程中不受温度的影响, 荧光粒子不会发生热猝灭。因此涂层中荧光粒子与金属Ni接触后, 有可能发生了接触性猝灭效应, 使荧光发射强度下降。
表2复合涂层相关参数
Table 2 Properties of the coatings studied
Coating Grain size/nm Microhardness, HV Roughness parameters, R a /μm Roughness parameters, R max/μm Ni-BaMgAl11O17: Eu2+ 23.5 530 1.389 7.50
Ni-CeMgAl11O19: Tb3+ 17.1 745 0.847 3.96 Ni-Y2O3: Eu3+ 11.1 756 1.296 7.60
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图8 三基色发光复合涂层的发射光谱图
Fig. 8 Emission spectra of composite coatings
(a) Ni-BaMgAl11O17: Eu2+; (b) Ni-CeMgAl11O19: Tb3+; (c) Ni-Y2O3: Eu3+
图9给出了腐蚀前后三基色发光复合涂层的发射光谱, 由图可知, 腐蚀后涂层中的荧光颗粒发射峰位置没有改变, 但是发光强度减弱, 这是由于荧光粒子作为非导电介质, 在腐蚀过程中是一种有效抵抗腐蚀的屏蔽介质, 起到阻挡腐蚀路径的作用。蓝光和绿光复合涂层发光强度减弱程度较小, 红光复合涂层发光强度减弱明显。在Ni-Y2O3: Eu3+复合涂层中, Ni相的结晶取向由(200)面转变为(111)面, (111)晶面作为密排面比(200)晶面具有更好的耐腐蚀效果, 从而使Y2O3: Eu3+受到较多的腐蚀而造成发光减弱明显的现象。所以在长期腐蚀的工况条件下, 蓝光和绿光复合涂层在经过腐蚀后的发光衰减特性较慢, 自敏指示效果长久, 可以用于评价涂层长期腐蚀后的完整性。
3结论
1) 采用低温电化学沉积法成功制备了三基色镍基自敏发光指示涂层, 发现荧光粒子的种类和浓度对粒子沉积率产生了不同的影响, BaMgAl11O17: Eu2+沉积率最高, CeMgAl11O19: Tb3+和Y2O3: Eu3+沉积率较低, 阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂PEG能有效提高荧光粒子沉积率, 过电位的不同反映了三种荧光粒子润湿性的差异。
2) 三基色荧光粒子对涂层结构产生不同的影响, BaMgAl11O17: Eu2+荧光粒子在涂层中出现少量团聚和涂层结晶组织呈现节瘤状, Y2O3: Eu3+颗粒使涂层镍的结晶取向由(200)晶面向(111)转变。
3) 三基色荧光粒子的添加, 对涂层性能产生不同影响, Y2O3: Eu3+颗粒使涂层晶粒细化, 涂层硬度最高, CeMgAl11O19: Tb3+粒子使涂层粗糙度最小, 硬度提高。
4) 通过对比复合涂层腐蚀前后的发光强度可知, 复合涂层起到了自敏指示的作用, 其中蓝光(Ni-BaMgAl11O17: Eu2+)和绿光(Ni-CeMgAl11O19: Tb3+)复合涂层在长期腐蚀环境中自敏指示性能良好, 红光(Ni-Y2O3: Eu3+)复合涂层耐腐蚀性能较好, 但不具有长期指示作用。
图9 腐蚀前后三基色发光复合涂层的发光强度
Fig. 9 Emission spectra of composite coatings before and after corrode in the 3.5wt% NaCl solution
(a) Ni-BaMgAl11O17: Eu2+; (b) Ni-CeMgAl11O19: Tb3+; (c) Ni-Y2O3: Eu3+
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study of nanocrystalline Ni-CeO2 coatings in an acid NaCl solution.
Acta Metallurgica Sinica, 2013, 49(9): 1121-1130.
镍基复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于镍的高温性能优良,因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。 镍基复合材料主要用于液体火箭发动机中的全流循环发动机。这种发动机的涡轮部件要求材料在一定温度下具有高强度、抗蠕变、抗疲劳、耐腐蚀、与氧相容。在目前正在研制的系统中这些部件选用镍基高温合金。虽然用SiC 颗粒或纤维增强的复合材料可以达到高强度、高刚度和抗蠕变。但在全流循环发动机的富氧驱动气体环境下,这些材料不能兼顾与氧的相容性。发动机起动瞬变过程的热冲击环境,排除了涡轮叶片采用加涂层的材料系的可能。 因此,用整体材料制作的涡轮叶片,必须经受住富氧燃烧产物所形成的环境。因为涡轮部件和涡轮盘在大约9min 运行中一般不用冷却,所以在短时运行中,整体材料温度达到730℃是正常的。对某些设计,希望密度低于6.5g/cm3 的材料的强度要大于1040MPa。应力、温度和化学环境都十分苛刻,要延长维修平均间隔时间(MTBR)使这些材料性能目标更难达到。其它非旋转部件也必须经受住极端运行环境的考验。喷注器面板、喷注壳体和预燃烧器在高温下都必须抗氧化、耐腐蚀、抗氢脆。喷嘴调节和控制流入主燃烧室的推进剂流量。预燃烧室是个小型燃烧室。在这个燃烧室里,产生涡轮驱动气体。在目前一些系统(其中一些被有效冷却)中,这些部件使用钴合金。未来发动机的这些部件,预计有极端的热环境(气体温度接近918℃)和高达62MPa 的压力。Si3N4 整体材料正在用作喷嘴壳体,但陶瓷壳体与金属推力室的匹配困难还没有解决。由于喷嘴壳体的形状是轴对称的,所以早就有人建议这种壳体采用连续纤维增强的复合材料,但部件的匹配条件向连续纤维增强的复合材料提出挑战。 以下为两种比较典型的镍基复合材料及其主要性能: (一)、镍基变形高温合金 以镍为主要基体成分的变形高温合金。镍基变形高温合金以汉语拼音字母“GH”加序号表示,如GH36、GH49、GH141等。它可采用常规的锻、轧和挤压等冷、热变形手段加工成材。按强化方式可分为固溶强化镍基变形高温合金,弱时效强化镍基变形高温合金和强时效强化镍基变形高温合
金属基复合材料的种类与性能 摘要:金属基复合材料科学是一门相对较新的材料科学,仅有40余年的发展历史。金属基复合材料的发展与现代科学技术和高技术产业的发展密切相关,特备是航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展对材料提出了日益增高的性能要求,除了要求材料具有一些特殊的性能外,还要具有优良的综合性能,有力地促进了先进复合材料的迅速发展。单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料均难以满足这些迅速增长的性能要求。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。 关键词:金属;金属基复合材料;种类;性能特征;用途 1. 金属基复合材料的分类 1.1按增强体类型分 1.1.1颗粒增强复合材料 颗粒增强复合材料是指弥散的增强相以颗粒的形式存在,其颗粒直径和颗粒间距较大,一般大于1μm。 1.1.2层状复合材料 这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基材料中含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。片曾的间距是微观的,所以在正常比例下,材料按其结构组元看,可以认为是各向异性的和均匀的。 层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近,而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。因为增强物薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小,因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。 由于薄片增强的强度不如纤维增强相高,因此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而,在增强平面的各个方向上,薄片增强物对强度和模量都有增强,这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。 1.1.3纤维增强复合材料 金属基复合材料中的一维增强体根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须。长纤维又叫连续纤维,它对金属基体的增强方式可以以单项纤维、二维织物和三维织物存在,前者增强的复合材料表现出明显的各向异性特征,第二种材料在织物平面方向的力学性能与垂直该平面的方向不同,而后者的性能基本是个向同性的。连续纤维增强金属基复合材料是指以高性能的纤维为增强体,金属或他们的合金为基体制成的复合材料。纤维是承受载荷的,纤维的加入不但大大改变了材料的力学性能,而且也提高了耐温性能。 短纤维和晶须是比较随机均匀地分散在金属基体中,因而其性能在宏观上是各向同性的;在特殊条件下,短纤维也可以定向排列,如对材料进行二次加工(挤压)就可达到。 当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时,基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征,但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。 1.2按基体类型分 主要有铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。目前以铝基、镁基、钛基、镍基复合材料发展较为成熟,已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。在这里主要介绍这几种材料 1.2.1铝基复合材料 这是在金属基复合材料中应用最广的一种。由于铝合金基体为面心立方结构,因此具有良好的塑性和韧性,再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点,为其在工程上应用创造了有利条件。再制造铝基复合材料时通常并不是使用纯铝而是铝合金。这主要是由于铝合金具有更好的综合性能。
金属基复合材料的制备技术 摘要:现代科学技术的发展和工业生产对材料的要求日益提高,使普通的单一材料越来越难以满足实际需要。复合材料是多种材料的统计优化,集优点于一身,具有高强度、高模量和轻比重等一系列特点。尤其是金属基复合材料(MMCs)具有较高工作温度和层间剪切强度,且有导电、导热、耐磨损、不吸湿、不放气、尺寸稳定、不老化等一系列的金属特性,是一种优良的结构材料。 Abstract: The development of modern science and technology and industrial production of materials requirements increasing, the ordinary single material is more and more difficult to meet the actual needs. Composite material is a variety of statistical optimization, set merit in a body, has the advantages of high strength, high modulus and light specific gravity and a series of characteristics. Especially the metal matrix composite ( MMCs ) has the high working temperature and interlaminar shear strength, and a conductive, thermal conductivity, wear resistance, moisture, do not bleed, dimensional stability, aging and a series of metal properties, is a kind of structural material. 关键词:复合材料(Composite material)、发展概况(Development situation)、金属基复合材料(Metal base composite materia l)、发展前景(Development prospect) 正文: 一:复合材料简介 复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的物质以微观或宏观的形式复合而成的多相材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为:①纤维复合材料。②夹层复合材料。③细粒复合材料。④混杂复合材料。[1] 二:金属基复合材料简介 (1)定义:金属基复合材料是以金属或合金为基体,以高性能的第二相为增强体的复合材料。它是一类以金属或合金为基体, 以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒状组分为增强相的非均质混合物, 其共同点是具有连续的金属基体。 (2)分类:按增强体类型分为:1.颗粒增强复合材料;2.层状复合材料;3.纤维增强复合材料 按基体类型分为:1.铝基复合材料;2.镍基复合材料;3.钛基复合材料;4.镁基复合材料 按用途分为:1.结构复合材料;2.功能复合材料 (3)性能特征:金属基复合材料的性能取决于所选用金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布等。综合归纳金属基复合材料有以下性能特点。 A.高比强度、比模量 B. 良好的导热、导电性能 C.热膨胀系数小、尺寸稳定性好 D.良好的高温性能和耐磨性
镍 基 复 合 材 料 的 应 用 10级金属(1)班 1007024101
镍基复合材料的应用 镍基复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于镍的高温性能优良,因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。 镍基复合材料主要用于液体火箭发动机中的全流循环发动机。这种发动机的涡轮部件要求材料在一定温度下具有高强度、抗蠕变、抗疲劳、耐腐蚀、与氧相容。在目前正在研制的系统中这些部件选用镍基高温合金。虽然用SiC 颗粒或纤维增强的复合材料可以达到高强度、高刚度和抗蠕变。但在全流循环发动机的富氧驱动气体环境下,这些材料不能兼顾与氧的相容性。发动机起动瞬变过程的热冲击环境,排除了涡轮叶片采用加涂层的材料系的可能。 因此,用整体材料制作的涡轮叶片,必须经受住富氧燃烧产物所形成的环境。因为涡轮部件和涡轮盘在大约9min 运行中一般不用冷却,所以在短时运行中,整体材料温度达到730℃是正常的。对某些设计,希望密度低于6.5g/cm3 的材料的强度要大于1040MPa。应力、温度和化学环境都十分苛刻,要延长维修平均间隔时间(MTBR)使这些材料性能目标更难达到。其它非旋转部件也必须经受住极端运行环境的考验。喷注器面板、喷注壳体和预燃烧器在高温下都必须抗氧化、耐腐蚀、抗氢脆。喷嘴调节和控制流入主燃烧室的推进剂流量。预燃烧室是个小型燃烧室。在这个燃烧室里,产生涡轮驱动气体。在目前一些系统(其中一些被有效冷却)中,这些部件使用钴合金。未来发动机的这些部件,预计有极端的热环境(气体温度接近918℃)和高达62MPa 的压力。Si3N4 整体材料正在用作喷嘴壳体,但陶瓷壳体与金属推力室的匹配困难还没有解决。由于喷嘴壳体的形状是轴对称的,所以早就有人建议这种壳体采用连续纤维增强的复合材料,但部件的匹配条件向连续纤维增强的复合材料提出挑战。 以下为两种比较典型的镍基复合材料及其主要性能: (一)、镍基变形高温合金 以镍为主要基体成分的变形高温合金。镍基变形高温合金以汉语拼音字母“GH”加序号表示,如GH36、GH49、GH141等。它可采用常规的锻、轧和挤压等冷、热变形手段加工成材。按强化方式可分为固溶强化镍基变形高温合金,弱时效强化镍基变形高温合金和强时效强化镍基变形高温合金3类。
科技信息SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2013年第5期作者简介:刘铎(1980—),男,汉族,工程师,主要从事特种设备型式试验、检测及复合材料制造、电阻焊和堆焊的研究。 0前言磨损是导致工程材料失效的最主要因素之一,如何通过改善材料 的耐磨损性能来降低材料的损耗,一直是材料科学工作者非常关注的 问题。镍基自熔性合金(NiCrBSi )具有较好的力学性能和耐蚀性,是一 种常用的耐滑动磨损材料,其形成的NiCr 、Cr 2B 、Cr 5B 3、CrB 及一些碳 化物有助于提高结合强度和硬度。用其制备的NiCrBSi/WC 复合涂层, 对于汽车气缸摩擦副的耐磨损性提高有很大作用[1-2]。近年来,很多研 究集中在添加元素对镍基合金的性能变化作用,例如Mo 的加入可以 改善涂层的抗咬死性,减少熔覆层的开裂敏感性[3];Ce 或La 2O 3可以促 进硬质相和棒状第二相均匀分布,减少气孔和夹杂[4];Al 2O 3提高复合 材料涂层的整体抗冲蚀性[5];六方BN 具有和石墨一样的润滑机制,具 有更好的热稳定性,对涂层自润滑性的提高有显著影响[6];CrC 促进硬 质相形成,延长涂层在磨损过程中的使用寿命[7]。相应的涂层制备方法 有很多种,常见的有激光熔覆、火焰喷涂、等离子喷涂、高频感应熔覆、 喷焊等等。其中等离子喷涂方法使用较为普遍,其具有参数调整方便 灵活,沉积效率高的优点,在耐磨耐蚀涂层制备方面应用广泛。 本文主要探讨利用超音速等离子喷涂技术制备NiCrBSi/20%WC 复合涂层,并对喷涂后的涂层进行火焰重熔处理,通过对复合涂层火 焰重熔处理前后的显微组织进行检测分析,了解其微观结构变化对复 合涂层机械性能的影响。1试验方法所选用基体材料为碳素结构钢Q235A ,试样尺寸为80×40×5 mm ,表面经喷砂处理后粗糙度达到R a =3.2μm ,并用丙酮清洗。喷涂材 料选用镍基碳化钨粉末(含20%WC ),粒子尺寸在50-150μm ,形貌见 图1,其中不规则块状物质即为碳化钨。 图1NiCrBSi/20%WC 合金粉末形貌 沉积涂层使用美国普莱克斯生产的3710型超音速等离子喷涂设 备,等离子枪为SG-100型。喷涂前利用等离子焰流对基体进行预热 处理,喷涂工艺参数如下所列:电压42V ;电流550A ;氩气45psi ;氢气 15psi ;喷涂距离110mm 。涂层的厚度约0.4mm 。喷涂后涂层经氧-乙炔 火焰重熔后,制备金相试样,用5%的硝酸酒精对界面和涂层部分进行 腐蚀,使用扫描电镜观察涂层的微观结构,能量色散谱(EDS )分析涂 层的成分,X 射线衍射仪的Cu 靶K α线进行相结构研究。用显微硬度 仪分析横截面的显微硬度,测试点选取10个,取平均值,载荷砝码为 100g 。利用滑动摩擦磨损试验机进行磨损试验15分钟,并用扫描电镜 观察磨损区域的表面形貌。2 试验结果与分析2.1涂层的相结构与微观形貌等离子喷涂后的NiCrBSi 涂层,具有典型的热喷涂涂层结构特征,主要是由扁平化的粒子组成,其间夹杂熔化不完全的颗粒,存在部分孔隙。在加入20%WC 后,可以观察到分布于涂层中的WC 颗粒,见图2。这部分WC 颗粒主要来源于喷涂过程中,由于焰流速度过快而未熔化的WC 粉末。通过电镜照片可以观察到,其分布并不均匀,但这种高硬度的材料是提高涂层耐磨性的主要成分。 图2喷涂后NiCrBSi/20%WC 复合涂层形貌 为涂层进行能谱分析,在涂层中有个别区域出现细长针状物质,通过能谱分析可以发现,其主要成分依旧是Ni ,质量百分比占了50%,但Si 、Fe 和Cr 含量相对其他区域有所增加,(Fe ,Cr )7C 3形状大部分为针状,与此结构相似。Cr 和C 的产物很多,但涂层中出现的主要是(Fe ,Cr )7C 3,这与三者之间的反应有关[8]。Fe-C 与Cr-C 产物中都可以溶解Cr 或者Fe ,但在高于1200℃时,Cr-C 反应产物稳定存在,Fe-C 主要是以液态产物存在。由于涂层中的主要元素是Ni ,Ni 与Fe 可以形成γ-Fe ,但由于粉末本身Fe 含量较少,故形成的γ-Fe 并不多。虽然涂层中含有B 元素,但由于能谱对于C 元素只能定性分析而不能定量表示,B 元素比C 元素原子量更低,因此能谱无法检测其存在。但B 和Si 元素可以溶解于γ-Fe 和(Fe ,Cr )7C 3中。氧-乙炔火焰重熔后的涂层,结构产生变化。加入WC 后的涂层,在重熔过程中,主要被γ-Ni 固溶体所包覆。虽然还有块状组织,但经过加热,主要形成W 2C 相,分布于涂层各部分,这在摩擦磨损中起到重要作用。火焰重熔处理对于整个涂层来说,使各种合金元素相互扩散,形成Cr 7C 3,CrB ,Cr 2B 等弥散分布于γ-Ni (主要是Ni-Cr )的硬质相。一般来说,Cr 7C 3维氏硬度可以达到1450HV ,而CrB 可达到1300HV 。经过重熔处理,由于加热充分和元素的扩散效应明显,涂层与基体能够形成冶金结合,较之等离子喷涂形成的主要是机械结合的涂层,其结合强度大幅提高。2.2硬度测试加入20%WC 的等离子喷涂涂层硬度可以由600HV 经过重熔提高到将近1000HV 。这与重熔后硬质相弥散分布,缺陷减少有很大关系。2.3摩擦磨损试验图3a )为等离子喷涂NiCrBSi/20%WC 涂层磨损后的形貌,图3 b )则为经重熔后复合涂层的磨损形貌。通过比较可以发现,NiCrBSi/ 20%WC 涂层的试样磨损表面有明显的犁沟和少量剥落的坑,这是由 重熔处理过程对镍基合金复合涂层的组织变化影响 刘铎王玉刘颖孙大超 (沈阳特种设备检测研究院,辽宁沈阳110035) 【摘要】采用超音速大气等离子喷涂方法,在Q235A 钢基体上制备了含有20%WC 的NiCrBSi 复合涂层,并对涂层进行氧-乙炔火焰重熔处理。利用扫描电子显微镜对重熔前后的涂层进行微观结构分析,并采用X 射线衍射方法研究其相组成。发现重熔处理后涂层中缺陷减少,WC 、CrB 和Cr 7C 3等硬质相被γ-Ni 固溶体所包覆,对提高涂层的显微硬度和耐摩擦磨损性能有显著作用。 【关键词】WC ;NiCrBSi ;重熔处理;复合涂 层 ○科教前沿○72
辽宁科技大学本科生专业选修课 现代表面分析检测方法 结课论文 论文名称:NI基纳米复合电镀镀层的性能研究学生:郑奇 院系名称:材料与冶金学院 授课教师:金辉 专业班级:材料化学14-1 学号: 联系电话:
NI基纳米复合电镀镀层的性能研究 摘要:采用复合电镀技术通过向电镀溶液中加入平均粒度为90 nm的Al2O3粉, 在Ni基材上制备了Ni-纳米Al2O3复合镀层,应用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(EDAX)及透射电镜(TEM)等手段对复合镀层的表面形貌和结构进行了表征,并通过试验考察了镀层的磨损性能。结果表明,纳米Al2O3颗粒均匀分布在Ni纳米晶中;纳米Al2O3颗粒的加入不仅细化了基体Ni的晶粒尺寸,而且还具有弥散强化作用,从而提高了Ni- Al2O3纳米复合镀层的硬度和耐磨性能[1]。 关键词:纳米Al O3;复合电镀;结构;形貌;耐磨性能 2 复合电镀技术具有设备简单、易操作、价格经济等优点,已广泛应用于航空、汽车、电子等行业。复合电镀中常用的第二相固体颗粒有碳化物、氧化物和氮化物如SiC、ZrO2、Ti02、Si3N4等。大量试验结果表明,金属基复合镀层的性能不仅与颗粒性质还与颗粒的含量、尺寸及分布有关。Al2O3颗粒具有特殊的机械和化学特性,如高化学稳定性,高硬度和高温耐磨性等,可作为金属基复合物的增强第二相应用在微器件表面,从而提高器件的耐磨性能。普通微米粒由于颗粒粗大,所得镀层表面粗糙,颗粒与基体金属材料界面结合较弱,镀层质量差。随着纳米粉制备技术的不断发展,性能更优异的纳米复合镀层出现。本工作采用复合电镀技术,通过向普通电镀液中加入平均粒度约为90 nm的Al2O3粒子,在Ni 基材上制备了Ni-纳米Al2O3复合镀层并对其摩擦磨损性能进行了研究[1]。一.试验 选用尺寸为15 mm×10 mm ×2 mm的电解Ni片为基材,同一成分的Ni 片为电镀时的阳极。试样用水砂纸磨至800号后经酒精、超声波清洗。镀液为弱酸性镀液,pH值为,镀液配方为:LNiS04·7H20,L NH4Cl,g/L H3B04,L C12H25OSO3Na。纳米Al2O3粉直接加入镀液,为保证纳米粉颗粒的悬浮,在复合电镀过程中施以磁力搅拌。镀液温度为35℃,电流密度3A/dm2,施镀时间2h,镀层厚约为50μm。显微硬度测量在MHV2000维氏数字显微硬度计上进行,载荷为,加载时间为10S,取10个点的平均值为最终的硬度值。摩擦磨损试验在
镍基涂层是以镍为基体,复合其他金属、非金属或硬质相颗粒的合金体系。镍基涂层由于其优异的耐腐蚀性能可应用在超大规模集成设备、微机电系统、模内镶件、磁头、内燃机汽缸、钟表机芯和石油容器涂层等方面。在实际应用中,需要根据主要性能要求和材料属性优化选择制备方式。 一、电子束焊接法 电子束焊接法将高能电子束作为加工热源,用高能量密度的电子束轰击焊件接头处的金属,使其快速熔融,然后迅速冷却。这种方法可以形成高密度的表面合金膜,改善一些材料的表面敏感特性。低能量的强流电子束在可靠性,高效率,低成本,低X射线辐射等方面优于脉冲激光器和高功率离子束源。美国NASA采用强流脉冲电子束对热障涂层多层系统中的NiCoCrAlY涂层进行改性,使其结构致密,保护基体抗氧化,对热障涂层的稳定性起着关键作用。 二、激光表面合金化 激光表面合金化利用高能密度的激光束快速加热熔化,使基材表层和添加的合金元素熔化混合,从而形成以原基材为基的新表面合金层。激光表面合金化广泛适用于材料的表面改性,提高金属合金的腐蚀性能和耐磨性。激光加工可以在合金的表面掺入硬质颗粒,使这些颗粒在熔融基底溶解,改变其冶金结构和性质。实验表明,经过激光处理的涂层表面光滑平整、无裂纹,硬度高,且耐腐蚀性能获得大幅提升。 三、物理气相沉积。 物理气相沉积技术是在真空条件下,将材料源气化成气态原子、分
子或部分电离成离子,在基体表面沉积成具有某种特殊功能的薄膜。物理气相沉积涂层具有低摩擦、高耐磨和耐氧化性能,可以有效提高合金的耐磨损和抗腐蚀特性。例如,采用物理气相沉积在Ni-P涂层上复合CrN,既降低了磨损率,又兼顾涂层的耐蚀性能。 四、化学气相沉积 化学气相沉积是反应物质在气态条件下发生化学反应,生成固态物质沉积在加热的固态基体表面。化学气相沉积被应用于Ni基超合金的制备,例如,在Ni基上制备β-NiAl金属粘结涂层。 五、电镀 电镀已经成功利用电镀法生产了众多的纳米结构金属、合金以及金属基复合涂层。常规方法难以制备的低熔点挥发性金属与高熔点金属的合金,可以通过电镀来实现。电镀能使本身不能从水溶液还原的金属,与铁族元素以共沉积方式获得镍基三元合金涂层。 总的来说,对于不同的应用场合应采用不同的制备工艺:电子束焊接法适用于高密度的镍基涂层;激光表面合金化适用于镍基复合硬质第二相颗粒的涂层,提高耐磨性;物理气相沉积适用于功能性薄膜的制备,无污染;化学气相沉积适用于形状复杂结构的涂层制备,覆盖性好,纯度高,控制精准;电镀使用于大面积涂层制备,操作容易,能耗较低。
附录: 题目:金属基复合材料的应用级展望 院(系)轻纺工程系 专业高分子材料加工技术 届别2012届 学号0919080102 姓名汪振峰 指导老师袁淑芳老师 黎明职业大学 2011年12月
金属基复合材料的应用及展望 汪振峰 (黎明大学,福建泉州,362000) 摘要:金属基复合材料是近几年来复合材料研究中的热点。本文综述了金属基复合材料的分类、性能特点、制备方法,总结了其主要进展及应用。 关键词:金属基复合材料;特点;应用 1、前言 随着近代高新技术的发展,对材料不断提出多方面的性能要求,推动着材料向高比强度、高比刚度、高比韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展。复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题,推进了材料的进展。 复合材料(Composite Materials)是为达到预期的使用特性将不同性质的两种或两种以上材料结合为一体而设计制造的新材料。金属基复合材料(MMCs即Metal matrix composites)是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料。其目标是解决航空、航天、电子、汽车、先进武器系统等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要,它在60年代末才有了较快的发展,是复合材料一个新的分支.目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导电性和导热性以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点,成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料。 金属基复合材料集高比模量、高比强度、良好的导热导电性、可控的热膨胀系数以及良好的高温性能于一体,成为当代发展迅速的重要先进材料之一。 2、金属基复合材料的分类 金属基复合材料是以金属为基体,以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。因此,对这种材料的分类既可按基体来进行、也可按增强体来进行。 2.1按基体分类: 2.1.1铝基复合材料 这是在金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝的基体为面心立方结构,因此具有良好的塑性和韧性,再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点,为其在工程上应用创造了有利的条件。 在制造铝基复合材料时,通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金。这主要是由于与纯铝相比,铝合金具有更好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体,则根据实际中对复合材料的性能需要来决定。
金属基复合材料的制备方 法 Newly compiled on November 23, 2020
金属基复合材料的制备技术 摘要:现代科学技术的发展和工业生产对材料的要求日益提高,使普通的单一材料越来越难以满足实际需要。复合材料是多种材料的统计优化,集优点于一身,具有高强度、高模量和轻比重等一系列特点。尤其是金属基复合材料(MMCs)具有较高工作温度和层间剪切强度,且有导电、导热、耐磨损、不吸湿、不放气、尺寸稳定、不老化等一系列的金属特性,是一种优良的结构材料。 Abstract: The development of modern science and technology and industrial production of materials requirements increasing, the ordinary single material is more and more difficult to meet the actual needs. Composite material is a variety of statistical optimization, set merit in a body, has the advantages of high strength, high modulus and light specific gravity and a series of characteristics. Especially the metal matrix composite ( MMCs ) has the high working temperature and interlaminar shear strength, and a conductive, thermal conductivity, wear resistance, moisture, do not bleed, dimensional stability, aging and a series of metal properties, is a kind of structural material. 关键词:复合材料(Composite material)、发展概况(Development situation)、金属基复合材料(Metal base composite materia l)、发展前景(Development prospect) 正文: 一:复合材料简介 复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的物质以微观或宏观的形式复合而成的多相材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为:①纤维复合材料。②夹层复合材料。③细粒复合材料。④混杂复合材料。[1] 二:金属基复合材料简介
包覆改性的镍基正极活性材料锂二次电池 发明人:林云青、陈泽伟、曾鹏程 深圳市比克电池有限公司 摘要 本发明公开一种非水电解质锂二次电池,它以石墨碳材料为负极活性物质,以锂离子可逆“嵌入/迁出”的含锂复合氧化物为正极活性材料,以六氟磷酸锂(LiPF6)溶于环状碳酸酯和链状碳酸酯混合溶剂中的电解质溶液为电解质,其特征是,上述正极活性材料为表面包覆改性的LiNi1-x-y-z Co x Al y Mn Z O2 (式中x,y,z分别满足0 权利要求书 1.非水电解质二次电池,以石墨碳材料为负极,以锂离子(Li+),可逆“嵌入/迁出”(intercalation/deintercalation)的含锂复合氧化物为正极,以六氟磷酸锂(LiPF6)溶于环状碳酸酯和链状碳酸酯混合溶剂中的电解质溶液为电解质,其特征是上述正极活性材料为表面包覆改性的LiNi1-x-y-z Co x Al y Mn z O2 (式中x,y,z分别满足0 镍基合金复合管道脉冲钨极氩弧焊打底焊接工艺 刘立永唐元生杨永强陆斌刘永华张之万【摘要】通过革新改进焊接方法等措施,采用直流脉冲钨极氩弧焊(GTAW+P)根焊打底及热焊层焊接工艺,减小了焊接过程中的热输入,减少晶粒组织变大几率,提高了焊缝金属的组织稳定性、塑性和韧性。关键词:镍基合金管道;脉冲钨极氩弧焊;焊接过程控制;焊后检测为了能够使中石化普光气田分公司天然气运输管道检修工作顺利开展,我公司按照签订的合同要求,进行焊接技术研发。经过第一阶段的焊接工艺研发所得经验和结果,组织和实施第二阶段的焊接工艺筛选和正式焊接工艺评定。经试验结果比对,可见试件在耐腐蚀(点蚀、晶间腐蚀开裂)试验中所出现的问题较多。针对以上问题的出现,各专家和教授进行了讨论和研究,通过革新改进焊接方法等措施,以减小焊接过程中的热输入,减少晶粒组织变大几率,提高焊缝金属的组织稳定性和塑韧性。下面介绍革新工艺当中的直流脉冲钨极氩弧焊(GTAW+P)根焊打底及热焊层焊接工艺。1. 材料特性镍基合金具有良好的高温强度和优良的耐磨损、耐高温、抗热震冲击、抗氧化性能和优良的耐强酸、碱性介质和含有氯离子的氧化还原介质等物质的腐蚀,主要用于石油、化工、环保、航天以及核工业等行业各类零部件的制造、修复和预保 护。但镍基合金导热性差、线膨胀系数大、冷却速度较快、熔合性能较差,焊接过程中保护不当会产生熔池氧化等,增加了焊接难度,因此应该选择操作技能水平较高、有丰富经验的焊工进行施焊。材料的化学成分如表1所示,常温下力学性能如表2所示。2. 直流脉冲钨极氩弧焊原理及特点脉冲钨极氩弧焊的原理是用可控的脉冲电流加热熔化工件,每一个脉冲会形成一个点状熔池。脉冲频率间歇时,仅有维弧电流继续工作,熔池凝固而形成一个有效焊接接头。当下一个脉冲电流作用时,在已凝固焊接接头的局部和母材上产生第二个点状熔池,当出现第二个脉冲频率间歇时,熔池又凝固成第二个有效焊接接头并与前一个相连接。依此周而复始地进行,便形成一条完整的焊接接头。表1 镍基复合材料化学成分(质量分数)(%)化学CSiMnPSCrNiMoCuFeTiAl 成分19.538.02.51.50.6规范值 ≤0.05≤0.5≤1.00≤0.02≤0.005~~~~≥22.0~≤0.2 23.546.03.53.01.2实测值0.019 0.2110.530.0110.00122.69 38.86 3.22 1.90 29.98 0.81 0.110 表2 镍基材料力学性能力学性能屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率(%)剪切硬度HBW规范值 ≥415≥457≥20≤250实测值35447353.5414 脉冲钨极氩弧焊的特点是:①可以精确控制对工件的热输入和熔池尺寸,提高焊缝抗烧穿和熔池的保护能力,易获得均匀的熔深,特 镍基二元系正极材料 Ni-base binary system cathode material LNC 杉杉科技·湖南杉杉新材料有限公司 Hunan Shanshan Advanced Material Co., Ltd. 镍基二元系正极材料的普遍特点Universal characteristics Ni1-x Co x O2(0.1≤x≤0.3) 化学式:Li a Chemical formula 优点Advantage ●高比容量,≥180mAh/g,超过钴酸锂30~50mAh/g ; ●High specific capacity, ≥180mAh/g, 30~50mAh/g over than LCO ●较好的高、低温放电特性; ●Good discharge property at high and low temperature ●资源成本较低,生产成本依赖于生产规模 ●Resource cost is low but production cost depends on production scale. 缺点Disadvantage ●制备相对较难;Prepared relatively difficultly ●热稳定性和安全性偏差;Poor safety and heat stability. ●充放电循环时会与电解液发生反应产生气体; ●It reacts with electrolyte to produce gas during charge and discharge cycles. ●在循环寿命与储存性能等方面较差。 ●Poor cycle life and storage (Ni0.8Co0.2)1-y M y O2 解决办法:Li a Solution 需要开发比容量更高、安全性更好、在自然界中储量更为丰富的绿色能 环境友好、把本文推荐给朋友加入我的书架 加入引用管理器 E-mail Alert RSS 作者相关文 陈军 丁能文 李之峰 钟盛文 With the rapid development of energy storage power supply and becomes one of focuses of the future study. The performance of lithium ion capacity upgrade space, large energy consumption for production process, existence of security risks, etc. Therefore, it is necessary to develop green have been carried out at home and abroad recent years. Several main kinds of organic cathode materials including conductive polymer, sulfur compounds, nitrogen oxygen free radical compounds and containing oxygen conjugated compounds were introduced. The electrochemical properties, electrochemical reaction mechanism and advantages and disadvantages of these compounds were compared and analyzed. Through the analysis and prospects for the future, the problems need to be solved for cathode material of lithium ion battery is pointed out, and the future direction for research and improvement of organic cathode materials is proposed. Key words:Organic compound Lithium ion battery Cathode material Electrochemical performance Specific capacity Conductivity 出版日期: 2015-06-24 PACS:O621.23 O621.25+9.2 基金资助:国家自然科学基金项目(No. E0210)资助(无钴Ni-Mn固溶结构强化高比容量镍基正极材料基础研究) 通讯作者:陈军 E-mail: chenjun@https://www.doczj.com/doc/8714339585.html, 作业(第一章) 一概念 比强度:材料的抗拉强度与材料的密度之比称为比强度 比模量:材料的弹性模量与材料的密度之比称为比模量 刚度(性):刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。 二试从使用温度、性能和生产成本方面比较树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。 (1)使用温度: 树脂基复合材料:60~250 ℃; 金属基复合材料:400~600℃; 陶瓷基复合材料:1000~1500℃ (2)硬度: 陶瓷基>金属基>树脂基(取决基体) (3)耐自然老化性能: 陶瓷基>金属基>树脂基 (取决于基体材料性能和与增强材料的界面粘接) 三何谓复合材料?如何命名(试举例说明)? 根据增强材料与基体材料的名称来命名。将增强材料的名称放在前面,基体材料的名称放在后面。 四复合材料的共同特点是什么? (1)综合发挥各种组成材料的优点,使一种材料具有多种性能,具有天然材料所没有的性能。 玻璃/环氧树脂复合材料具有钢的强度,又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能 (2)可按对材料的性能要求进行材料的设计和制造。 针对某种介质耐腐蚀性能的设计 (3)可制成所需的任意形状的产品,可避免多次加工工序。 可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序 五按增强纤维成分分类复合材料可分为哪几种? (1)玻璃纤维复合材料 (2)碳纤维复合材料 (3)有机纤维(芳香族聚酰亚胺树脂、芳香族聚脂纤维、高强度聚烯烃纤维)复合材料(4)金属纤维(如钨丝,不锈钢丝)复合材料 (5)陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维)复合材料 作业(第二章) 一概念: 蠕变:材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。 塑性变形:材料的塑性变形是微观结构的相邻部分产生永久性位移,并不引起材料破裂的现象。 水泥:凡细磨成粉末状,加入适量水成为塑性浆体,既能在空气中硬化,又能在水中硬化,并能将砂石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料的通称。 水玻璃:水玻璃为硅酸钠溶液状态,南方多称水玻璃,北方多称泡花碱。 反玻璃化:许多无机玻璃可以通过适当的热处理使其由非晶态转变为晶态,这一过程称为反玻璃化(加入成核剂,如TiO2)。具有热膨胀系数小,力学性能好和导热系数大等特点。 二金属基复合材料基体选择的原则是什么? (1)金属基复合材料的使用要求 镍基超级电容器电极材料的控制合成及其电容性质超级电容器作为一类新兴能量存储器件,由于功率密度高、充放电速率快、循环寿命长、使用温度范围宽、效率高等特点,在许多领域得到了广泛的应用。电极材料对超级电容器的性能起着重要作用。 过渡金属氢氧化物和硫化物具有优异的电化学性质且价格低廉、环境友好,近年来它们作为潜在的超级电容器电极材料引起科技工作者的广泛关注。本文以镍基氢氧化物和硫化物(α-Ni(OH)2、Ni7S6、NiCo2S4)为研究对象,较系统的研究了合成条件、结构修饰和材料复合对电极材料电化学性能的影响。 具体的工作主要包含以下五个方面:1.以硫酸根与硫离子之间简单的离子交换反应为基础,用α-Ni(OH)2纳米线与硫化钠反应合成多孔穴α-Ni(OH)2纳米线。用XRD、STEM、HRTEM、AFM、SAED、XPS、EDS mapping和N2吸附-脱附等温线对多孔穴α-Ni(OH)2纳米线进行了表征。 实验结果表明,硫离子部分取代了α-Ni(OH)2纳米线中的硫酸根离子,由于空间体积效应产生了纳米孔穴;随着硫化钠溶液浓度的增加,α-Ni(OH)2纳米线表面的孔穴数量和孔穴直径增加。用循环伏安法、恒电流充放电和交流阻抗进一步研究了多孔穴α-Ni(OH)2纳米线的电化学电容性质。 电化学实验结果表明,随着孔径的增加,多孔穴α-Ni(OH)2纳米线的比电容增加。α-Ni(OH)2纳米线的多孔穴结构有利于电子和离子的传输,有利于电解质的存储,有利于缓解充放电过程中电极的体积变化,因而表现出较大的质量比电容、优异的速率容量和循环稳定性。 2.利用氧化石墨烯的不同还原程度,在其表面原位控制生长α-Ni(OH)2纳米线和α-Ni(OH)2纳米粒子,得到α-Ni(OH)2 NWs/RGO复合材料和α-Ni(OH)2镍基合金复合管道脉冲钨极氩弧焊打底焊接工艺
镍基二元材料产品
有机正极材料
复合材料
镍基超级电容器电极材料的控制合成及其电容性质