多孔铜镍铬合金的制备及高温压缩性能

2014-04-21梁慧

城市建设理论研究 2014年11期

梁慧

摘要：以硬脂酸为造孔剂，通过粉末烧结工艺制备多孔铜镍铬合金，并进行高温压缩实验。结果表明：所得的多孔铜镍铬合金的孔隙多为球形或近球形的，孔洞尺寸和形貌与硬脂酸的颗粒相似；其应力-应变曲线明显分为线性弹性区，屈服平台区和致密化区，三个阶段的变形机制不同。

关键词：多孔铜合金造孔剂高温压缩

中图分类号：TF594文献标识码： A

0引言

多孔金属或泡沫金属材料，是由刚性金属骨架和内部的孔隙组成的，兼具功能和结构双重属性的多功能复合材料。与致密金属材料相比，多孔金属材料具有显著的不同，多孔材料具有高孔隙率、低密度、透过性能好、耐腐蚀、耐高温降噪等优良特性，广泛应用于航空航天、电子通讯、冶金、建筑、新能源、环保等行业中，因此得到了世界各国科研工作者的广泛关注[1-3]。

与多孔铝或多孔铝合金相比，多孔铜合金具有优良的导热性能和耐高温特性，因此广泛用于电机、电器及电子元件的导热散热器件。此外，多孔铜合金还具有更好的导电性和延展性，而且成本比较低，可以替代镍用于制作电池及双电层电容器的电极材料。又由于多孔铜合金对人体基本是无害的，也在医学上得到了大量的应用，可以用于制备过滤材料如血液透析及水净化过滤材料。多孔铜合金的许多优良特性是传统结构材料无法比拟的，因此对多孔铜合金的研究有着重要的意义[4-5]。有研究表明[6]，多孔金属材料的性能不仅取决于基体材料、孔隙率及孔隙尺寸，而且与孔隙的结构有着密切的关系。多孔金属材料的孔隙可以分为两种：开孔和闭孔。对于功能性的多孔金属材料，开孔结构更具有优势。

多孔金属材料的制备方法众多，主要方法有铸造法、发泡法、沉积法和粉末烧结法等。各种制备工艺获得的多孔铜合金的孔隙结构及性能有所不同，所以其应用领域也不同。本文采用粉末烧结法制备多孔铜合金，通过混合、压制、去造孔剂、烧结的工艺方法获得多孔铜合金。造孔剂的选择尤为重要，造孔剂不同获得的多孔铜合金的孔隙形貌不同，则力学性能也不相同。王清周等[7]人利用NaCl为造孔剂制备多孔铜，其孔隙多为三维贯通开孔网络结构，而周芸等[8]人利用碳酸盐为造孔剂，获得高孔隙率的多孔铜基合金。作者采用球形或近球形的硬脂酸颗粒作为造孔剂来制备多孔铜镍铬合金。

1试样制备与试验方法

1.1实验材料

制备多孔铜镍铬合金的原材料为金属粉末和造孔剂，其中铜粉为雾化铜粉，平均粒度为25-35m，形状为球形；镍粉为羰基镍粉，平均粒度3-4m，球形粉末；铬粉采用平均粒度为40-50m的铬粉，造孔剂为硬脂酸。

1.2实验方案

由于铬粉的粒度不均匀，首先采用球磨工艺利用行星球磨机打磨6h。铬粉磨好以后，将三种预合金粉末混合均匀。按照一定的质量比比例关系称量出粉末，采用行星球磨机进行混料，其中磨球为陶瓷球。混合时间不宜过长，否则会对金属粉末起到破坏作用，使得粉末的形状发生改变，所以选取混合时间为2h。将混合均匀的合金粉末与硬脂酸按照体积比为1:1装入原料瓶中。经过多次尝试发现添加少量的无水乙醇能够使粉末和造孔剂混合的比较均匀。粉末少量时可以采用手动混粉，将无水乙醇加入到装有合金粉末和造孔剂的原料瓶中进行混合，混粉时间约为15min，使得金属粉末能够均匀附着在硬脂酸颗粒上，且原料瓶壁上基本上没有预合金粉末附着。混合时间过短，合金粉末不能完全附着在硬脂酸颗粒上；混合时间过长，则附着在造孔剂上的粉末会由于酒精的挥发而大量脱落。当粉末的量比较大时可以采用混粉机进行混合，混合时间根据需要而定。混粉结束后，需要立即进行压制，否则在空气中放置过久，无水乙醇大量挥发，将导致造孔剂和合金粉末分离脱落。本实验中使用的压制设备为粉末压片机，为了减少摩擦力防止试样掉角，便于脱模，可以在装粉前在模具内壁涂少量的硬脂酸锌酒精溶液作润滑剂。在压制过程中，如果压力过小则不能够压制成型，压力过大则会将造孔剂压碎，使得最终烧结的样品孔隙率减小。经过多次试验，采用300MPa进行压制。最终获得的压制样品如图1所示。压制成型以后需要去除造孔剂，而硬脂酸的沸点为232℃，选择在300℃时去除造孔剂。利用管式炉进行加热升温至300℃，保温2h，以便能够尽量多的去除压坯中的硬脂酸，去除造孔剂后的压坯见图2。去除造孔剂后，将压坯再次放入真空烧结炉中，在950℃下烧结1h，保护气氛采用氢气，随炉冷却至室温。

图1 加压300MPa获得的压制件图2去除造孔剂后的压制件

2实验结果与分析

2.1宏观形貌

最终获得的烧结样品如图3所示，表面上存在大量的孔隙。烧结后的多孔铜镍铬合金的纵剖面图见图5，从图中可以看出，孔型为球形或者近球形的，孔洞形状大小不一，与造孔剂的形状有关。

图3烧结后的铜镍铬合金图4铜镍铬合金的纵剖面

2.2 高温压缩性能

采用蠕变疲劳试验机对标准样品进行高温压缩实验，温度设定为650℃，应变速率为10-3/s。将采集的数据，利用orgin8.0进行处理后得到其应力-应变曲线如图5所示。从图中可以看出多孔铜镍铬合金的应力-应变曲线可以分为三个阶段，即线性弹性区，屈服平台区和致密化区。从图中可以看出当应变小于10%时，多孔金属材料处于线弹性阶段，主要表现为孔壁的弹性变形，去除应力后可以恢复到原始状态。当应变超过10%以后，开始进入屈服平台区，部分孔洞开始被压垮，此阶段曲线并不平滑，主要是内部孔洞的分布不均匀和部分大孔洞被压垮引起的。继续加载，在应变达到50%以后，多孔铜镍铬合金的孔壁互相接触，基体金属开始被压缩，导致应力迅速上升，进入致密化区，多孔合金向致密合金转变。

图5 多孔铜合金的应力-应变曲线

3结论

利用硬脂酸做造孔剂，通过粉末混合、压制、烧结制备得到多孔铜镍铬合金。

制备获得的多孔铜合金的孔隙形貌多为球形或者近球形的孔洞，大小不一。

多孔铜合金的高温压缩曲线分为三个阶段，每个阶段的变形机制不同。

参考文献

[1]BA N H ART J . Aluminium Foams f orLighterVehicles[ J] . International Journal ofVehicle Design , 2 00 5, 37 ( 2 3) : 1 14 - 125 .

[2]陈文革，张强。泡沫金属的特点、应用、制备与发展[J].粉末冶金工业，2005,15（2）：3.

[3]J Banhart.Manufacture,characterization and application of cellular metals and metal foams[J].Progress in Materials Science,2001,46:559

[4]罗远辉。泡沫铜制备工艺研究[J].有色金属，54（4）：17

[5]S。Xie，J.R.G.Evans.High Porosity Copper Foam[J].Journal of Materials Science,2004,39:5877

[6]曹立宏, 马颖. 多孔泡沫金属材料的性能及其应用[ J ] .甘肃科技, 2006, 22( 6) : 117-119