Al-SiO 2 体系反应生成纳米Al 2 O 3p /Al复合材料的机理
发布时间：2021-10-30 15:44
采用放热弥散法,利用Al和纳米SiO2混合粉末,原位制备了纳米α-Al2O3p/Al复合材料。用X射线衍射仪、扫描电镜、差示扫描量热法以及能谱仪分析了复合材料的组织组成,并研究了该体系的反应机理。结果表明,Al-纳米SiO2体系经900℃保温30 min可以反应完全,生成纳米Al2O3和Si,其中纳米Al2O3的体积分数可达7%且在铝基体上均匀分布;该体系的反应激活能随着反应的进行不断提高,说明在该体系化学反应的最后阶段必须提供足够能量,才能保证反应进行完全。
【文章来源】：特种铸造及有色合金. 2020,40(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
Al-纳米SiO2反应体系的DSC曲线
图4为不同温度下Al/纳米SiO2混合粉末连续加热的DSC曲线。可以看出,随着加热速率增加,DSC曲线中相应的放热峰向较高的温度移动。原因是当加热速率增加时,反应时间缩短。控制化学反应的因素,如反应物的传递和扩散等都与时间有关[16,19],当加热速率变大时,虽然单位时间内会产生较多的热量,但由于热量传递的滞后性,使材料内外颗粒表面的热量相差较大,即表面颗粒虽然达到了反应温度,但内部的颗粒还远没有达到反应所需的能量。同时因为表面颗粒与铝熔体反应生成的纳米Al2O3和Si附着在未发生反应的纳米SiO2表面,其扩散也需要时间,从而阻碍了纳米SiO2和铝熔体的进一步接触,阻滞反应的进行。根据不同加热速率下的DSC曲线,利用Kissinger方程可以计算出Al-纳米SiO2体系反应过程中所需要克服的能量势垒,即反应激活能。Kissinger方程表示为:
图6为Al/纳米SiO2在不同温度阶段激活能的变化及相对起始温度(Tonset)激活能增加率。由图6a和图6b可以看出,随着反应的进行能量势垒不断升高,尤其是反应结束的激活能约为起始反应激活能的6倍,说明反应后期如果未能提供足够的反应激活能,则该体系会反应不完全,有残留的纳米SiO2颗粒存在。因此,由于800 ℃下的能量达不到体系所需要的激活能,故反应速率较慢,反应不充分,仅有微量的纳米Al2O3颗粒生成;而在900 ℃时由于保温温度升高,给该体系提供了足够的能量,故纳米SiO2完全反应生成纳米Al2O3和Si,没有残余。图7为Al-纳米SiO2在800和900℃等温条件下的DSC曲线。可以看出,在800 ℃下Al-纳米SiO2体系反应完全需要很长时间(约50 min),而900 ℃时则会很快越过能量势垒,约30 min即可反应完全。图7 Al/纳米SiO2在800和900 ℃等温条件下的DSC曲线
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米Al2O3增强金属基复合材料的研究进展[J]. 马思源,郭强,张荻. 中国材料进展. 2019(06)
[2]挤压铸造对重熔原位α-Al2O3p/ZL109复合材料组织与性能的影响[J]. 徐进康,陈刚,张振亚,赵玉涛,周祥,刘新,严庆. 中国有色金属学报. 2019(03)
[3]电磁搅拌对Al2O3p/ZL109复合材料组织与性能的影响[J]. 徐进康,陈刚,张振亚,赵玉涛,周祥,刘新,严庆. 特种铸造及有色合金. 2018(06)
[4]稀土Er对A356.2合金微观组织和力学性能的影响[J]. 怯喜周,王研,陶然,陈飞,陈刚,赵玉涛. 铸造技术. 2016(12)
硕士论文
[1]原位亚微米α-Al2O3颗粒增强AlSi9Cu3基复合材料制备及其挤压铸造研究[D]. 严庆.江苏大学 2019
[2]变质及热处理对铸造铝硅合金组织及性能的影响[D]. 檀廷佐.南京航空航天大学 2012
[3]Al-SiO2-C（Mg）系反应合成内生型铝基复合材料[D]. 楚达.南京理工大学 2012
本文编号：3466997
【文章来源】：特种铸造及有色合金. 2020,40(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
Al-纳米SiO2反应体系的DSC曲线
图4为不同温度下Al/纳米SiO2混合粉末连续加热的DSC曲线。可以看出,随着加热速率增加,DSC曲线中相应的放热峰向较高的温度移动。原因是当加热速率增加时,反应时间缩短。控制化学反应的因素,如反应物的传递和扩散等都与时间有关[16,19],当加热速率变大时,虽然单位时间内会产生较多的热量,但由于热量传递的滞后性,使材料内外颗粒表面的热量相差较大,即表面颗粒虽然达到了反应温度,但内部的颗粒还远没有达到反应所需的能量。同时因为表面颗粒与铝熔体反应生成的纳米Al2O3和Si附着在未发生反应的纳米SiO2表面,其扩散也需要时间,从而阻碍了纳米SiO2和铝熔体的进一步接触,阻滞反应的进行。根据不同加热速率下的DSC曲线,利用Kissinger方程可以计算出Al-纳米SiO2体系反应过程中所需要克服的能量势垒,即反应激活能。Kissinger方程表示为:
图6为Al/纳米SiO2在不同温度阶段激活能的变化及相对起始温度(Tonset)激活能增加率。由图6a和图6b可以看出,随着反应的进行能量势垒不断升高,尤其是反应结束的激活能约为起始反应激活能的6倍,说明反应后期如果未能提供足够的反应激活能,则该体系会反应不完全,有残留的纳米SiO2颗粒存在。因此,由于800 ℃下的能量达不到体系所需要的激活能,故反应速率较慢,反应不充分,仅有微量的纳米Al2O3颗粒生成;而在900 ℃时由于保温温度升高,给该体系提供了足够的能量,故纳米SiO2完全反应生成纳米Al2O3和Si,没有残余。图7为Al-纳米SiO2在800和900℃等温条件下的DSC曲线。可以看出,在800 ℃下Al-纳米SiO2体系反应完全需要很长时间(约50 min),而900 ℃时则会很快越过能量势垒,约30 min即可反应完全。图7 Al/纳米SiO2在800和900 ℃等温条件下的DSC曲线
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米Al2O3增强金属基复合材料的研究进展[J]. 马思源,郭强,张荻. 中国材料进展. 2019(06)
[2]挤压铸造对重熔原位α-Al2O3p/ZL109复合材料组织与性能的影响[J]. 徐进康,陈刚,张振亚,赵玉涛,周祥,刘新,严庆. 中国有色金属学报. 2019(03)
[3]电磁搅拌对Al2O3p/ZL109复合材料组织与性能的影响[J]. 徐进康,陈刚,张振亚,赵玉涛,周祥,刘新,严庆. 特种铸造及有色合金. 2018(06)
[4]稀土Er对A356.2合金微观组织和力学性能的影响[J]. 怯喜周,王研,陶然,陈飞,陈刚,赵玉涛. 铸造技术. 2016(12)
硕士论文
[1]原位亚微米α-Al2O3颗粒增强AlSi9Cu3基复合材料制备及其挤压铸造研究[D]. 严庆.江苏大学 2019
[2]变质及热处理对铸造铝硅合金组织及性能的影响[D]. 檀廷佐.南京航空航天大学 2012
[3]Al-SiO2-C（Mg）系反应合成内生型铝基复合材料[D]. 楚达.南京理工大学 2012
本文编号：3466997
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