表面活性剂对高能球磨Mo-Cu复合粉末形貌特征的影响

2021-04-21

铸造设备与工艺 2021年1期

（中北大学材料科学与工程学院，山西太原 030051）

由于Mo-Cu 合金具有良好的导热、导电、耐烧蚀和耐热等性能，因此广泛用来制造电接电极、电触头、大功率微波器件和大规模集成电路中的基板、镶嵌块、连接件和散热元件等[1-3]，还可用来制造军用燃气舵、鼻锥、发动机喷管等耐高温部件[4-6]。许多研究发现，高能球磨合金化是制备纳米材料的一种有效方法，通过机械合金化方法可以制备许多新型材料。由于纳米复合材料具有纳米晶粒效应和界面效应，因此，对纳米晶材料的研究具有很大应用前景，也是目前材料领域的一个热点研究方向。而制备高性能Mo-Cu 合金的前提条件是首先制备出超细晶纳米晶复合粉末，随后通过烧结工艺可实现高性能Mo-Cu 合金的制备。本研究通过高能球磨实现纳米晶复合粉末制备。

在机械合金化制备Mo-Cu 纳米晶复合粉末过程中，影响复合粉末特性的因素很多，其中有球磨时间、球磨转速、球料比、表面活性剂、充填系数等，本文研究了表面活性剂对Cu 质量分数为8%的Mo-Cu 复合粉末形貌特征的影响。

1 试验方法

使用平均粒度为38 μm 的Cu 粉、平均粒度为3.2 μm 的Mo 粉，按照Cu 质量分数为8%的Mo-Cu 合金重量百分比混合成原料，把配比好的原料混合粉末填入V 型混料机中搅拌30 min，随后把预混料放入QM-0.25L 星行球磨机不锈钢球磨罐中。球料比为10：1，装填系数为30%，自转速度（ωr）250 r/min，公转速度（ωR）200 r/min，球磨时间25 h，复合粉末球磨过程中充入干燥的氩气，以防止粉末氧化。在球磨前分别在球墨罐中添加硬脂酸（SA，30 g）、液体酒精（C2H5OH，10 mL）单一组元表面活性剂，球磨结束后通过检测粉末形貌来确定过程控制剂对复合粉末形貌状态的影响规律。高能球磨后Mo-Cu超细晶复合粉末形貌特征采用扫描电镜（SEM）进行研究。

2 实验结果与分析

复合粉末在球磨过程中，由于磨球和Mo、Cu 粉末颗粒之间反复碰撞，Mo、Cu 粉末将产生加工硬化，当加工硬化到一定程度，粉末将发生撕裂，同时撕裂的粉末之间又会不断的焊合，这个过程会持续不断进行，当粉末撕裂时，新鲜的原子面将暴露，这时Mo、Cu 颗粒新鲜表面原子金属键配位数会减少，表面原子的配位数减少会产生大量的不饱和金属键和悬键[7，8]，导致颗粒表面活性提高，这会引起不同类原子之间吸引力增强，不同类型原子之间的距离将变短，原子之间互扩散将加快，此时Mo、Cu 颗粒逐渐失去原始的形状，形成非稳态的复合层片状显微组织形态。球磨过程中未添加表面活性剂（PCA）时，Mo、Cu 粉末由同类原子构成的颗粒由简单的软团聚变成为结合力较强的不同类原子非稳态硬团聚，随着高能球磨的进行，Mo、Cu 粉末将形成较为致密的层片状复合颗粒，高能球磨Mo、Cu 粉末的SEM 形貌特征如图1 所示。

机械合金化可以极大地改变粉末的形貌特征。原始混合粉末形状主要是由球形的Mo 颗粒和少量的球形Cu 颗粒形成。球磨前，尽管在V 型混料机中Mo、Cu 粉末经过机械混合2 h，但由于Mo、Cu 粉末颗粒都存在一定的软团聚现象，所以在SEM 照片仍存在明显的局部富Mo、Cu 粉团聚颗粒现象。高能球磨后，复合粉末中未出现明显的单个等轴形Mo 颗粒和等轴形Cu 颗粒，复合粉末形状呈现片状化，形成Mo、Cu 金属互相包覆在一起的复合粉末团聚颗粒，此时层片状团聚颗粒内包含若干个微颗粒。

球磨过程没有添加表面活性剂的Mo、Cu 复合粉末颗粒呈现为等轴状团聚颗粒，颗粒尺寸较大，但是团聚的复合粉末颗粒的大小很不均匀如图1b）所示。添加表面活性剂硬脂酸（SA）高能球磨后团聚颗粒为长条状和等轴状混合形态，团聚颗粒大小分布较也不均匀，如图1c）所示。而添加酒精球磨的复合粉末团聚颗粒为等轴状，且尺寸更为细小，如图1d）所示。

图1 高能球磨复合粉末的SEM 形貌特征

添加表面活性剂对球磨粉末的团聚和颗粒粒度均匀性的影响可以从SEM 图片上表现出来。高能球磨Mo、Cu 粉末在没有添加表面活性剂时，团聚颗粒尺寸较大，并且颗粒大小分布很不均匀，存在粒度较大的团聚颗粒。而球磨过程添加表面活性剂形成的团聚颗粒尺寸较小，且大小相近，这表明添加表面活性剂对复合粉末团聚有一定的阻碍作用，而且添加表面活性剂（酒精）的团聚粒度比添加硬脂酸（SA）的粒度更均匀、更细小。这情况可能是由于采用液态活性剂酒精可以更有效地将Mo、Cu 粉末分散，导致机械合金化可以更均匀地实现，因此团聚颗粒尺寸更小，且分布均匀。使用硬脂酸（SA）作为表面活性剂时，硬脂酸在球磨过程中在粉末中本身分散性不好，而液态酒精由于流动相好，因此分散性也好，所以硬脂酸（SA）对粉末团聚的阻碍作用也就小。添加硬脂酸（SA）作为PCA 时，随着高能球磨时间的增加，Mo、Cu 复合粉末团聚颗粒的尺寸将增大，粉末颗粒粒度分布不均性也会增加，Mo、Cu复合粉末由原始细小的球形颗粒趋转变为团聚在一起形成尺寸较大形状的复合颗粒。当使用表面活性剂（酒精）作为表面活性剂时，随着高能球磨时间的增加，Mo、Cu 复合粉末颗粒也发生团聚，但复合粉末发生团聚的程度将减小。