文摘

高硬度和热稳定的纳米晶体的生产铝复合材料。Al粉磨是在室温下的氨流一段不到5 h。NH₃离解铣削时引起的吸收,在高速率、氮铝,硬化形成固溶体。数量的控制和艾尔₅O₆N在随后的研磨粉末烧结形成整合。这些丰富的把行动分散体高度限制在加热铝晶粒生长。铝颗粒的平均尺寸仍低于45纳米,甚至磨粉后烧结在650°C的1 h。

1。介绍

纳米材料是很有前途的材料提供新的机会大大提高的生活标准。在过去的几年,纳米材料的研究显著增长(1- - - - - -3]。晶粒尺寸降低到纳米尺度力学性能的改进,根据一些研究人员已经证明(4- - - - - -8]。目前,最常用的加工方法生产的纳米晶体材料包括惰性气体冷凝、化学反应方法,电沉积,严重的塑性变形,机械铣(9,10]。后者,也称为高能铣或机械合金化,被认为是在这方面的一个主要技术(11,12]。

Al粉历来强化各种micron-size直接添加陶瓷颗粒,如氧化铝、碳化硅、碳化钛、等(13- - - - - -15]。最近,基体复合材料增强submicrometric (0.1 - 1μ米)和nanometric (< 0.1μ米粒子广泛研究[16,17]。然而,的一个主要挑战实现nanometric陶瓷相的均匀分布在一个金属矩阵是避免结块的强化粒子18]。

人们已经发现,强化铝的粉末更均匀,当这些分散体形成通过直接反应铝与它的环境,而不是简单的混合铝陶瓷复合材料(19- - - - - -22]。铝很容易与元素,如C反应,O, N, H,导致在其传统的加工困难,但这种反应可以通过机械合金化形成,积极使用热治疗后,细分散在几个阶段矩阵。这些阶段,如氧化铝(Al₂O₃)、硬质合金(铝₄C₃),氮化(AlN)、氮氧化物和oxycarbonitrides [19),执行的加强而不是脆化的代理。的氢,铝形成氢化物,脆弱,但他们很容易被加热,形成氢,疏散在烧结(23,24]。

另一方面,氮化铝具有良好的导电率,低的热膨胀,高硬度和良好的抗氧化性能在高温(25]。这些特征表明,AlN机械应用程序可能是一个可接受的强化不仅也为物理目标如电子应用中,当复合/衬底结必须与热变化没有显著的扭曲(26]。几种制备方法Al /复合材料已报告。他们中的大多数是基于压力或无压金属渗透,喷雾沉积和热压、挤压铸造、机械合金化(27- - - - - -31日]。

本文描述了一种新的简单的方法来获得对铝瓶装纳米组件强化了自发形成nanometric AlN。这些增援部队形成通过mechanosynthesis Al粉在相对较短的氨气流量在室温下铣削*(5小时),其次是传统的粉末冶金整合过程。

2。材料和方法

起始物料的分散元素铝粉(俄卡61,Eckart-Werke,德国),纯度高于99.7%,平均粒径为80.5μm。铝粉在高能磨碎机磨粉球磨机(美国联盟的过程)。水冷式不锈钢容器使用有1400厘米³能力。3 wt。%超细粉有机蜡(etilen bis-stearamide)是用来控制焊接在铣削和断裂过程Al粉。机费用包含的粉72克和3600克的球(进料比wt. %: 50: 1)。铣削过程进行氨(NH₃1厘米)流动³/ s纯度高于99.96%。

为了研究粉末的形态和微观结构的演变,铣了从1到5 h与转子的速度300和500 rpm。相比之下,一个铣削过程在真空(Pa) 5日500 rpm 5 h也执行。粉末颗粒的大小是衡量激光衍射(莫尔文Mastersizer 2000),而形态学研究了扫描电子显微镜(SEM、飞利浦XL-30)配备一个能量色散微量分析系统。测量粉末压缩性,万能试验机(Instron 5505)与100 kN的负载细胞。

研磨粉被冷单轴合并紧迫(1300 MPa)和真空(5 Pa)烧结(1 h 650°C)。x射线衍射测量(XRD、力量D8进步,使用CuKα辐射)和透射电子显微镜(TEM,菲利普斯200厘米)的研磨和烧结粉末被用来识别、量化和测量微晶颗粒形成的阶段。维氏硬度(Struers架A300型Duramin)烧结契约是评估使用1公斤的负载,而相对密度是决定通过阿基米德原理和质量和尺寸测量。

3所示。结果与讨论

3.1。粒度测定

图1显示的粒度分布应用基铝(AR)和机械合金粉末,在300和500 rpm,氨气流量(马马300年和500年,分别地)。马500粉(图的曲线1 (b))表明,与预期的相反韧性粉如铝,粒度减小其初始值(粉磨1 h,马500 - 1)。这是由于组件的快速分离和吸附氨从一开始的机械合金化过程,加强铝固溶体。这个加强与高能铣负责快速粒径降低。另一方面,缺乏对称性是观察曲线的3 - 5 h磨粉马(马500 - 3和500 - 5)。这可能与小粒度的粉末,大大促进粉末结块。

相比之下,低能量流程的铣削时300 rpm导致进化较慢的粒度(图1(一))。粉需要更多的时间来变硬,使均匀。和减少大小。因此,马英九300年粉末平均粒径偏大(图1 (c))和更广泛的粒度分布和马500粉磨时间。此外,较低的铣能源和粒子的顺向增加焊接过程还负责更高的粒度后观察1 h(马300 - 1)与AR(图1 (c))。

3.2。形态

图2显示了马的SEM显微图序列300粉磨时间的函数。转子转速,粉末形态发生变化后,通常的进化(32];1 h铣后,粉末颗粒片状形状(图2(一));2 h后,他们开始互相焊缝(图2(b));和3 h后,他们倾向于一个细长的多层结构(图2(c))显示时的粉末进行了研究。随着时间增加铣,发现细长的多层粒子进化到等轴粒子,显著降低它们的大小(图2(d))。

相比之下,这对于样品形态进化更快得到铣削在500 rpm。如图3后,粒子有一个片状形状1 h(铣(图3(一))和获得一个只有2 h后等轴的形态(图3(b))。通过增加研磨时间、粒度进一步减少,而其几何更圆(数字3(c)和3(d))。它可以观察到,粉末会结块,导致上述缺乏对称性的粉磨粒度曲线3 h和5 h(马马500 - 3和500 - 5)。

3.3。压缩测试

由于as-milled粉末颗粒的尺寸都很小,不可能来衡量他们的显微硬度。然而,压缩性测试(测量相对生坯密度与应用压实压力)是一种间接的方法来确定粉末粒子(固有的硬度19]。这条曲线是非常有用的决定,在粉末固结过程中,适当的压实压力,也就是说,所需的生坯密度。研磨粉的压缩性曲线如图所示4。曲线的AR和艾尔vacuum-milled粉在500 rpm 5 h (MA V 500 - 5)也包括比较。

氨在300 rpm的粉磨1 h马(300 - 1),按500 MPa的相对密度高于98%(图4(一)),而粉磨的相对密度相同的条件下,但5 h(马300 - 5)略高于78%。相比之下,基于“增大化现实”技术的Al粉达到一个相对密度接近100%相同的压实压力。这表明,即使使用转子的速度只有300 rpm,应变硬化效应很快就磨时间。

500 MPa的压力在500 rpm粉磨1和5 h(马马500 - 1和500 - 5)达到90和70%以上,相对密度(图4 (b))。这些值略低与300 rpm的粉磨相比,因为,正如所料,硬化效应随转子速度。然而,这不仅是由于增加铣能源。在氨流铣,固溶淬火对应变硬化的影响。这种说法可以验证通过比较(图4 (b))马的压缩性曲线500 - 5和粉磨在真空中相同的转子速度相同的持续时间(MA V 500 - 5)。从逻辑上讲,不规则颗粒之间的摩擦力由联锁行为可以增加硬化效应。

3.4。微观结构

真空的粉磨500 rpm烧结前后5 h (MA V马500 - 5和500 - 5 S, resp)。通过XRD分析以确定和量化(图形成的阶段5(一个))。as-milled粉末x射线衍射模式的只显示峰值。相比之下,在烧结紧凑模式的存在,碳化铝(Al₄C₃)和小氧化物(δ状态”₂O₃峰值检测。碳化物的形式来自etilen bis-stearamide蜡(H₃₅C₁₇CONHC₂H₄NHCOC₁₇H₃₅)作为过程控制剂在铣削过程中,而主要来自粉末粒子表面氧化物。

XRD模式通过里特维德细化(安装33Williamson-Hall[],和方法34和朗格弗德35)被应用于计算微晶尺寸和量化形成的阶段。这些方法给出了as-milled Al微晶的大小纳米,而烧结后,微晶尺寸增加到nm。这晶粒生长在加热是专门控制的固定效果₄C₃和艾尔₂O₃参加8.98和0.61卷。分别为%。

类似于vacuum-milled粉,只有阿尔XRD模式(图的峰出现5 (b))的粉磨,也5 h,在氨流(马500 - 5)、微晶大小nm。然而,烧结后的情况就完全不同了;在固溶氮、铣、创建纳米晶体氮化铝(AlN)和铝氮氧化物(Al₅O₆N) (和海里,分别地。,also calculated by XRD) during powder heating (Figure5 (b))。因此,提出mechanosynthesis过程可以产生NH₃在室温下分离,而在正常情况下(没有铣),这个事件只发生在温度约为550°C。这可能是优于其他方法准备Al / AlN复合材料通常包括复杂的步骤或以非常低的执行或高温(36- - - - - -39]。正如所料,铝氮化和氮氧化物的数量取决于磨时间,如量化结果表所示1。值得注意的是,3 h和5 h后铣削在500 rpm, 20.25和49.58卷。% AlN的分别,表明AlN的形成与这种方法非常有效,即使是短磨时间。

更有趣的是,这些纳米晶体分散体对晶粒生长。烧结后,粉磨的Al微晶大小增加到5 h真空海里,XRD模式,虽然它只会增加纳米粉末研磨的氨气体流相同的时间。

为了检查这些尺寸,合并契约通过TEM研究了。图6(一)显示了烧结致密的亮视场图像准备从5 h vacuum-milled粉末。由图像分析结果对这些标本显微图给出的平均粒径海里,导致铝颗粒的15倍标本准备从粉磨下氨流5 h(图6 (b)),这导致的纳米TEM图像通过图像分析。

上述显著数量的分散体,与小粒度,肯定会增加压块的硬度从一个氨流粉磨处理。然而,这种预期的硬度可以减少由于难以巩固这种艰难的粉末。

图7显示绿色()和烧结()的相对密度压缩准备从一个氨流粉磨500 rpm。马V的值比较的还包括500 - 5。马的低硬度500 - 1粉可以达到高绿色密度(95.4%);然而,片状形状和尺寸相对较大颗粒的烧结过程的困难,增加了密度仅为1.3%。增加研磨时间3或5 h使粉末硬化,避免高生坯在紧迫的阶段。尽管高粉的特定区域,由于其体积小,似乎生坯密度较低的原因,结合耐火材料的低sinterability阶段(现在在一个更高的金额),sinterability水平的这些样本是限制(图7)。的相对密度的改善最终产品目前在作者的研究实验室,使用添加剂如铜促进液相烧结。

纳米铝颗粒和困难的存在阶段从ammonia-milled粉末分散在契约准备让他们的硬度,尽管他们相对升高,高于实现契约准备从vacuum-milled粉(图7)。非凡的,硬度478高压₁是实现烧结粉末研磨5 h的契约NH吗₃。

4所示。结论

铝粉是attrition-milled氨流1厘米³1到5 h / s,转子的速度300和500 rpm。以下的结论。(1)一个简单的方法在室温下对铝瓶装纳米复合材料增强了生产批量与原位生成的氮化铝和氮氧化物nanodispersoids。(2)在铣削过程中,氨分解,大量的氮纳入Al粉、硬化固溶体。因此,它是可能的努力获得小和等轴的粒子后只有2 h的铣削。(3)研磨粉,在真空或在北半球₃气体流,只显示的存在与微晶尺寸约为铝和分别nm。加热后,氮化铝(AlN)和氮氧化物(Al₅O₆N)形成ammonia-flow-milled粉末,而在vacuum-milled粉,只有氧化铝(Al₂O₃)和硬质合金(铝₄C₃)出现。(4)AlN的ammonia-flow-milled粉具有较高的数量(49.58 vol. %)和艾尔₅O₆N nanometric分散体,微晶尺寸如下nm。因此,这些阶段高度限制铝晶粒生长在烧结过程中,保持它500 - 5 S nm (MA)。(5)最后契约产生与这些ammonia-flow-milled粉末具有硬度高(478高压₁),尽管他们低相对密度值。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

金融支持Ministerio de Ciencia e Innovacion,西班牙,通过研究项目dpi2012 - 37948 - co2 - 01和dpi2009 - 08291。作者也要感谢技师j·平托,马德里和m·m·桑切斯(西班牙塞维利亚大学)实验援助。