粉煤灰颗粒HF酸表面改性处理

［ ］ 9 ! ! & 。迄 今 为 最佳的界面结构， 作了大量的工作 ［ ］ # 难 ， 具体表现为： （
止， 解决途径主要有颗粒增强体的表面改性及涂层 处理、 金属基体合金化及制备工艺方法的优化。其 中颗粒增强体的表面改性及涂层处理可以有效地改 善浸润性和阻止严重的界面反应， 因为颗粒增强体 经表面处理后， 在增强体与基体之间嵌入了一个中 间层， 既可以改善基体与颗粒的浸润性， 促进颗粒增
图$ 粉煤灰 . 9 : 照片
（ ） — — —只清洗； （ ） — — — （ ） — — — （ ） — — — 2 ; ’ 8 & (" #酸处理； < ! (" #酸处理； 3 $ (" #酸处理
为了更直观地观察 " # 酸溶液对粉煤灰颗粒 表面的侵蚀程度， （ ） （3 ） 中的颗粒进 2 ! 万方数据分别对图 $
（ ） （ ） 所示。 行放大， . 9 : 照片如图2 ! 3 图（ ） 是未经过任何处理粉煤灰颗粒的 . 2 9 :
第 *期
吴林丽等： 粉煤灰颗粒 / 0 酸表面改性处理
! B
图! 单个粉煤灰颗粒表面 " # $ 照片
（ ） — — —未处理； （ ） — — — ／ （ ） — — — ／ （ ） — — — ／ % & ’ ( ) *+ , ./ 0酸处理； 1 ’ ( *+ , ./ 0酸处理； 2 3+ , ./ 0酸处理
峰强度都随着 / 这是因为 0 酸浓度的增加而增加， 低浓度 / 而主要的 0 酸只溶解粉煤灰中的玻璃相， 莫来石、 石英、 磁铁矿等晶体相是不能溶解的， 这说 明粉煤灰经 / 玻璃相含量减小， 晶体相 0 酸处理后， 含量相对增加， 所以， 莫来石、 " 4 5 0 7 5 )、 ) ! 的特征峰
强体在基体中的均匀分布， 又可在颗粒与基体间造 成一个扩散垒， 直接阻挡各组元通过该层的扩散与 反应， 甚至作为牺牲层再依靠反应产物来阻挡有关 扩散与反应。
轧制、 锻造、 挤压进行铸造成型， 作为航空、 发动机活 塞等零部件的替代产品已受到人们的重视， 同时， 随 着高性能增强体颗粒和基体合金的推出， 复合材料 的性能也在逐渐提高。当前研究的最集中、 最成熟
关键词： 粉煤灰； 酸处理； ； 表面改性； , / 0 1 中图分类号： 6 7! # ! 8 & 9 ) 文献标识码： :
颗粒增强铝基复合材料因其具有高的比强度、 高弹 性 模 量、 高 温 性 好、尺 寸 稳 定、抗 磨 等 优
［ ］ ! ! * ， 并能够使用通用的金属加工工艺， 如铸造、 点
照片， 从图中可以看出， 颗粒外形近为非常规则的球 形， 粉煤灰颗粒表面为带有灰白色小点的光滑表面， 而经过酸处理的粉煤灰颗粒表面随着 / 0 酸浓度的 增加， 侵蚀程度加剧， 图! （& ） 是用 ’ ／ ( ) *+ , ./ 0 酸处理的粉煤灰， 可以看到颗粒表面在 / 0 酸酸处 理后侵蚀程度较小， 树枝状形态分布在表面， 整体特 征相近， 无太大波动， 表面仍有未被侵蚀到的区域。 图! （ ） 是经 ’ ／ 酸浓 1 ( *+ , ./ 0 酸处理的粉煤灰， 度的增加使粉煤灰颗粒受到进一步的侵蚀， 从图中 可以看出颗粒表面整体腐蚀均匀， 表面呈编织状。 而用3+ ／ , ./ 0 酸处理的粉煤灰颗粒中出现孔洞， 形状极不规则， 颗粒骨架遭到破坏。 粉煤灰主要含有 " 4 5 6 5 0 7 5 $ 5 等氧 8 )、 ) !、 ) !、 化物， 其中前三者质量百分含量之和占总量的 9 * : 以上。物 相 包 括 玻 璃 相 和 晶 体 相， 其中玻璃相占 晶体相只占 ) 并且粉煤灰中 * ’ :!9 ’ :， ’ : 左右， 的主要晶体相为莫来石 （! ・ 、 6 5 ) " 4 5 0 7 5 ) ! )） ) !和 对 " 4 5 )。为了进一步了解酸处理对粉煤灰的作用， 粉煤灰进行 ; 射线衍射分析， 分析结果如图 < （ ） % ! （ ） 所示， 从中可以看出莫来石、 2 " 4 5 0 7 5 万方数据 )、 ) ! 的特征
［ ］ 3 = 相对强度增加。文献 指出粉煤灰经 / 0 酸溶解
后的残留物主要由针状莫来石、 粒状石英及富硅的 球状粉煤灰构成。从图! （& ） （2 ） 中也可以看出这 ! 一结果。 另外， / 0 酸与粉煤灰表面上的 5 /> 基团交换： > > （ ） / 0 ?5 / 5?0 3 @ A/ ) @ 此处， 下标@表示被吸附的物质。由于式 （ ） 向 3 右移， 其结果是消除粉煤灰表面的羟基， 粉煤灰颗粒 的极性降低， 分散性得到改善。
图! " # 酸处理工艺流程图
$ 结果与讨论
粉煤灰的 % 射线分析结果显示， 颗粒中含有玻 璃体 （占 & ， 晶体相有莫来石、 ’ ( !) ’ (） " * 石英、 ， 还有少量的其它氧化物。从炉膛出来的原灰 , # + $ 表面有大量的 . ， 经与水作用后， 颗粒表面 / *,*. / 将出现大量的羟基， 使其具有显著的亲水性、 吸附性
粉煤灰颗粒 , - 酸表面改性处理
吴林丽， 姚广春， 刘宜汉， 张晓明
（东北大学 教育部材料先进制备技术工程研究中心， 辽宁 沈阳 ! ） ! " " " )
! ! !
摘
要： 粉煤灰颗粒表面由于在收集、 贮存过程中的物理、 化学吸附， 使颗粒与颗粒相互聚集， 分散 性差。作复合材料增强相时， 颗粒的分散性直接影响复合材料的性能。经 , - 酸处理后， 降低了表面的极性， 粉煤灰颗粒的分散性提高。 , - 酸与粉煤灰表面上的 . ,$ 发生反应， 随着 , 表面侵蚀加剧。’ 莫来石、 / 0 1 结果表明， - 酸浓度的增加， 2 3 分析结果表明， 这是因为低浓度 , / 4 . 5 . - 酸浓度的增加而增加， - 酸只溶解 (、 ( + 的特征峰强度都随着 , 粉煤灰中的玻璃相， 而主要的莫来石、 石英、 磁铁矿等晶体相是不能溶解的， 结果使玻璃相 含量减少， 而晶体相含量相对增加， 所以特征峰相对强度增加。
（ ） — — —未处理； （ ） — — — ／ （ ） — — — ／ （ ） — — — ／ # $ % & ’ () * + ,.酸处理； / % & () * + ,.酸处理； 0 1) * + ,.酸处理
（ ）莫来石、 、6 的特征峰强度都随着 5 2 3 4 5 ’. ’ 2 . 酸浓度的增加而增加； 降低 （ ） ! . 酸与粉煤灰表面上的 5 -7 反应， 了颗粒的极性， 分散性得到提高。
国家重点基础研究规划项目 （I ） ! 基金项目： ! % % % " & ) % " +
! ! 收稿日期： ( " " ) $ " ) $ ! (
万方数据 作者简介： 吴林丽 （ —） ， 女， 东北大学博士研究生。 ! % # &
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粉煤灰 ! 筛分 ! 清洗 $ ! 酸处理 ! 清洗 ! 烘干 ! 处理后粉煤灰 " " " " " " " " " " 配制一定浓度的酸溶液 酸溶液 # 碱中和
! 结
论
（ ）粉煤灰经过酸处理后， 颗粒的分散性提高； 3 （ ） ／ 和 ／ )’ ( ) *+ , -. ’ ( *+ , ./ 0 酸浓度对粉 煤灰既可以达到表面侵蚀作用， 又不会对粉煤灰的 基本骨架造成影响， 是比较合适的酸处理浓度；
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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第’ %卷
图! 粉煤灰颗粒的 " 射线衍射分析
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文章编号： （ ） ! " " # $ % & # ’ ( " " ) " * $ " " + # $ " *
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第$ ’卷
［ ， ］ ! 0 ! 1 和表面化学活性 。极性基团的作用使得粉煤
灰颗粒多以聚集态存在。 图$ （ ） （ ） 列出了未处理粉煤灰与不同浓度 2 ! 3 从宏观上看， 未处理 " # 酸处理粉煤灰的扫描照片， 粉煤灰颗粒相对聚集， 并且部分大颗粒上粘附有小 颗粒， 而经过酸处理后， 粉煤灰颗粒的分散性在一定 程度上有所改善， 这表明一定浓度的 " # 酸处理对 粉煤灰有作用的。从图$ （ ） 中可以看出， 用 !4 ／ 3 5 6 表明 ! 7" # 酸处理的粉煤灰中分散着颗粒的碎片， ／ 4 5 6 7" # 酸处理对粉煤灰颗粒基本骨架已经造成 破坏。而用’ ／ ／ 8 $ &4 5 6 7 和’ 8 &4 5 6 7" # 酸处理的 粉煤灰基本上保持了颗粒的原来骨架， 以烘干后， 粉 煤灰颗粒形成一层新的表面层， 去除颗粒表面的吸 附水和结合水， 并且增大了颗粒的比表面积。说明 ／ ／ ’ 8 $ &4 5 6 7 和’ 8 &4 5 6 7" # 酸浓度对粉煤灰既可 以达到表面侵蚀作用， 又不会对粉煤灰的基本骨架 造成影响， 是比较合适的酸处理浓度。
颗粒在材料中的分布状况对复合材料的性能起着至 关重要的作用， 而其分布状况决定于制备工艺。 当颗粒 增 强 体 与 金 属 复 合 时， 遇到了很大困 ）在制备条件下， 大多数颗粒 ! 与金属熔体之间的润湿性差， 使颗粒很难加入和分 ）在制备过程中， 颗粒常与熔 散， 并且容易结团； （ ( 体在界面发生化学反应。国内外学者为改善金属基 体与颗粒增强体间的浸润性、 控制界面反应以形成
参考文献：
［ ］8 ， 1 * 9 # : 4 <=& , * >7 / * ? : @ + 7 # ? 9 7 / * B : # 4 B 4 B # + C ) 4 B C )7) # : D 4 E ; A ; ［ ］ ， （ ） ： G & 1 H H ! ! I 1 1 ( ( ! ( H & / * ) * ? 4 : 6 ? F ［ ］8 ’ * 9 # : 4 <=& 3 B : 9 6 ? 4 ? * @) 6 : # +) # : D 4 E / * ) * ? 4 : 6 ? / * B : # 4 B 4 B @ + J ; A F ; A ， ， ， ［ ］ # ? 9 ; 6 D # ) 4 / ?* D* : 9 6 D) 6 : # + ? < &K B 4 : 6 0 D # 9 4 : 6 ; + # ? ? / F ： ， ， ， 3 : # : 6 ? ( ’ ’ L ! H ! 1 H H 2 & M & ’ % & ［ ］N ， ： 2 6 # BO * + 0 6 B P B Q 4 D * B ) 6 B :N 4 Q 4 ? 4 * B &R ? 9 # + + * ? # + C ) 4 B C )7 @ + A A ［ ］ ， ， ／ ： P D 4 G * C D B # +1 H H !G # B C # D 6 $ D C # D I! # ? 9/ * ) * ? 4 : 6 ?G & F A. A! F ! H & ［ ］ R ! # D B 4 6 S ?P& P B 6 D 7F D * 0 C / : ? + 6 # 0 : * + * >/ * ? : # B 0? : D * B 6 D F ; A$ A ; ［ ］ ， ， # + C ) 4 B C )0 4 6/ # ? : 4 B ? N 4 6T # ? : 4 B # B # 6 ) 6 B :1 H H L 1 I ; G& ;U ; （ ） ： I 1 L ! 1 H & ［ ］ O ( C *8 V， 8 * 9 # : 4<=， W # : 9N& < D 6 # D # : 4 * B* @ # + C ) 4 B 4 C )7 @ + ; F A ［G ］ & # ? 9F # D : 4 / C + # : 6/ * ) * ? 4 : 6$ * > 0 6 D) 6 : # + + C D 6 / 9 B 4 C 6 F AF ; A: X ， ， （ ） ： G * C D B # + * @U # : 6 D 4 # + ? 3 / 4 6 B / 6 1 H H M 2 ’ 1 ( 2H M 1 ! 2H M ! & ［ ］ 郝元恺& 非连续物增强轻金属复合材料研究现状及展望 ［ ］ 材 I G & 料导报， ， ： 1 H H ! ( I M ! M 1 & ［ ］ 梅 志，崔 昆，吴人洁，顾明元&颗粒增强体的表面处理方 M 法 ［ ］ ， （ ） ： G &材料开发与应用， 1 H H M 1 ’ ! 2 ’ ! 2 ! & ［ ］ 陈 建，潘复生&合金元素影响铝 ／ 陶瓷界面润湿性的研究现 L 状 ［ ］ ， （ ） ： G &兵器材料科学与工程， 1 H H H ’ ’ ! ( 2 ! ( L & ［ ］ . ／ H 6 D D *RT# B 0N 6 D $ &Z 6 : : 4 B 6 9 # Q 4 * C D 4 B: 9 6R [ 73 4 3 4 T AY ;$
［ ］ & 和商业化最大的是颗粒 ／ 铝基复合材料 。增强体
! 实验过程
粉煤灰的粒度分析结果表明， 粉煤灰中直径小 平均直径为 于& "" ; 的颗粒质量占总量% * <以上， 颗粒比较细小， 所以， 粉煤灰酸处理前要 ! ! 8 9 !" ;， 进行筛分， 用+ 筛下 " "目标准筛对粉煤灰进行筛分， 部分的粉煤灰待用。 为了考察不同浓度 , - 酸处理对粉煤灰颗粒的 分散性及表面的侵蚀程度的影响， 分别对未处理粉 煤灰和不同浓度 , 试 - 酸处理的粉煤灰进行试验， 验条件： ／ ／ , - 酸浓度为 " 8 ( *; = > ?、 " 8 *; = > ? 和! ／ 温度为室温， 搅拌时间 *; ， ; = > ?， 4 @ ! * " A 烘干 ( 。用清水清洗粉煤灰三次， 再加入配制好的 , B -酸 溶液， 进行搅拌处理 *; ， 用抽滤机进行抽滤， 再 4 @ 用清水清洗三次， 最后在 ! ， 制得酸 * " A 下烘干 (B 处理后的粉煤灰试样。 对酸处理后的粉煤灰进行扫描电镜分析， 并对 处理后的粉煤灰进行扫描分析和 0 3 ’ 能谱分析。 , - 酸处理的工艺流程图如图!所示。