钨基多孔材料及其梯度材料的流延法制备与孔隙结构控制

发布时间：2020-11-12 13:39

　　 钨基多孔材料及其梯度材料结合了钨基材料与多孔材料的特点,兼具W高熔点、低热膨胀系数、低蒸汽压、高强度与多孔材料低密度、高比强度与高比表面积的优点,在面向等离子体的极端条件、高温领域、微电子领域及制备高强高韧材料等方面拥有广阔应用前景。然而在其已有的制备方法中,传统粉末冶金法能耗高、效率低,活化烧结及冷冻铸造等新方法也难以调控其孔隙结构。本文提出流延成型结合造孔剂法制备钨基多孔材料及其梯度材料。首先采用流延成型工艺制备W-NaCl复相流延薄带,研究结果表明,当PVB含量为3.0 wt.%、分散剂含量为1.0 wt.%时,含50 vol.%NaCl的料浆粘度稳定性好,获得的流延薄带内部无明显缺陷、颗粒分散良好、两相分布均匀。其次,研究了排胶、热压与造孔剂溶解的工艺对钨基多孔材料生坯的影响,研究结果表明,流延薄带的最佳排胶工艺为真空下加热至780 ~oC,排胶后残留无定型C均匀包覆于W/NaCl颗粒表面;在780 ~oC-50 MPa-2 h的热压工艺下,获得了致密度好且NaCl未熔出的W/NaCl复相生坯;经循环去离子水溶解48 h得到钨基多孔生坯。对钨基多孔生坯采用无压烧结获得了钨基多孔材料,研究了烧成温度、保温时间与造孔剂含量对钨基多孔材料的孔隙率、孔结构与力学性能的影响,并通过与直接混料法的对比研究揭示了钨基多孔材料的孔隙结构调控机理。研究结果表明,在1600 ~oC-1 h的烧成工艺下,通过改变造孔剂含量(0-80 vol.%NaCl),可制备孔隙分布均匀、孔隙率为14.88-66.40%的钨基多孔材料,其小孔孔径约为1μm,大孔孔径为3-6μm,材料包含W、W_2C两相,其中W_2C由W与残留C反应合成在W颗粒表面,W_2C含量为14.32-34.76 wt.%。造孔剂含量为60 vol.%时,钨基多孔材料的孔隙率为44.32%,抗压强度为311 MPa,高于相似孔隙率的文献报道值(~140 MPa),孔壁中的W_2C陶瓷相提高了材料的抗压强度。流延法制备的材料孔隙分布均匀,烧成温度明显降低,这是因为有机添加剂使颗粒分散良好、分布均匀,排胶后残留C将W的烧结转变为W与C的反应烧结。最后,利用造孔剂含量分别为0-80 vol.%的W-NaCl复相流延薄带,设计并制备了孔隙率分布为“低-高-低”的夹心结构钨基多孔梯度材料,梯度材料内部无明显缺陷,夹心结构对称性良好,梯度结构变化趋势与实验设计基本相符。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.4
【部分图文】：

图 1-1 材料-组成—工艺-性能关系.1-1 Relationship among component, structure, technology and pro多孔材料[11]是指致密度小于 1 (0<孔隙率<1) 的金属材料。根属多孔材料可以分为毫米级、微米级、纳米级多孔材料。根据系，金属多孔材料的孔可以分为三类：贯通孔、盲孔和闭孔，面连通的孔，盲孔是终止于材料内部却开放于材料另一面的孔界相通，故统称通孔，而闭孔则是完全不与外界连通的孔。金构常分为“莲藕型”(lotus)和“泡沫型”(foam)，“莲藕型”(面上呈现的多孔结构，“泡沫型”(foam)是孔在三维空间上呈多孔材料的应用由其性质决定，而材料的化学组成和制备工的性质，其间关系见图 1-1。要使金属多孔材料得到更好的应属多孔材料的性质以及材料化学组成、制备工艺与材料性质

图 1-2 闭孔多孔铝的压缩应力应变曲线[12] Compressive stress–strain response of closed-cell alumin属多孔材料会有截然不同的应用。对于拥有贯通孔良的渗透性不可忽略，其孔结构可以截留流体中的固展水平的日益提高，孔径可调控为毫米级、微米级或金属多孔材料逐渐成为最受欢迎的多孔过滤材料[14]。其与人体骨骼良好的生物相容性，相似的孔隙率、孔类型（通孔）及弹性模量等优点[15]，被认为是理属多孔材料则因其独特的压缩应力-应变曲线而表现闭孔多孔铝为例，图 1-2 是其压缩应力应变曲线[12]，由为三个阶段，分别是线弹性变形阶段、屈服平台阶段阶段的应力平台跨度达到 50 %以上的应变，这一阶不同孔结构的金属多孔材料在热量的传递、交换与保用，含贯通孔结构的金属材料可以让流体在其孔隙间

方法能够在较低的烧结温度得到孔隙率可控的样品，但是其孔径00 μm)，孔形貌受限（狭长的长方体）。刘培生等[44]采用有机基体浸浆法获得了孔隙率为 30 %-70 %、孔隙大小为 200 μm-1 mm 的钨基多孔材法孔隙率调控范围较大，但孔隙过大且强度较低。Hamidi 等利用硬脂结剂及造孔剂，在 1500oC 的烧结温度下得到了微米级的孔隙率为 20 多孔材料，此方法能够在较低温度下得到钨基多孔材料并获得微米级孔孔径大小及孔隙率大小的调控范围有限。
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本文编号：2880803