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TECHNICAL ARTICLES根据多层复合材料在制备过程中组员材料的不同物理状态,可以将多层复合材料的制备方法大体分为叁类:固相-固相复合、液相-固相复合、液相-液相复合。固相-固相复合的方法主要有爆炸焊接法,轧制法、扩散法,以及不同的方法组合,我司研制的真空热压烧结设备以及蝉辫蝉烧结设备也可应用在该领域。液相-固相复合主要包括铸轧法、反向凝固法、堆焊法、喷射沉积法等。液相-液相复合主要包括电磁连铸法等。本期着重介绍固相-固相复合的方法。
爆炸焊接法:爆炸焊接法是以炸药作为能源,利用爆炸产生的高速冲击作用于不同的连接组元之间,在极短的时间内发生剧烈的碰撞、变形、甚至熔化,从而实现界面的牢固连接。由于界面之间的作用时间极短,不会出现明显的扩散层,也不会生成脆性的金属间化合物,该工艺对设备要求不高,工艺相对简单,成本较低,特别适用于强度、熔点等差异较大的合金和金属复合材料的制备。但是由于爆炸高能快速的特点,在界面多呈现波浪形、结合强度较低、可控性差,且不合适制备厚度较薄的板带材的制备。另外,爆炸产生的噪声污染与环保问题往往是限制其应用的重要因素。
轧制法:轧制法分为热轧复合和冷轧复合。其基本原理是,在轧机较大的压力作用下(或者耦合高温的热效应),使得不同材料组元表面的氧化膜破碎,裸露出新鲜的金属表面。在连续且较大的塑性变形作用下,使得裸露处新鲜接触表面形成机械咬合及原子间的键合,从而形成牢固的结合界面。在热轧复合的过程中,界面氧化问题是影响界面结合的一大问题。为了防止热轧过程中界面的氧化,目前多采用预先焊接的方法,即先将组元按照一定的顺序装配在一起,再通过焊接将四周密封来大限度地降低氧化现象。而对于冷轧复合来说,往往存在一个临界下压量值,当变形量超过该临界值后才能获得良好的界面结合。传统认为首道次的下压量大于50%时就能获得良好的界面,但对于某些材料而言,单道次下压量并不是充要条件,同时对总下压量也有相应的要求。目前多采用叁步法工艺,即&濒诲辩耻辞;表面处理+乳制+退火&谤诲辩耻辞;,来获得界面结合良好、尺寸精度高的复合材料板坯。整体而言,轧制法对组元材料成分、表面质量、工艺参数要求比较严格,工艺相对比较复杂,且对材料尺寸有所限制。
扩散法:扩散法是把经过表面清理的金属板材按照一定的顺序堆迭在一起,在高温下保持一定的时间,通过原子间的互扩散将不同材料结合在一起,形成牢固的结合。在扩散的过程中,往往会附加一定的压力,使得不同组元之间保持一种压紧的状态,但该压力并未使不同组元发生明显的宏观塑性变形,在界面附近的残余应力较少。在异质金属固态扩散的过程中,界面的结合先后经历点接触、面接触及体接触叁个阶段。在扩散的初期,主要是多点的物理接触阶段。在界面附近的原子依靠变形,使得异质原子之间的距离逐渐变小,达到形成微弱的化学键的条件。第二阶段为化学交互作用阶段。随着扩散进行,接触位置直接由点接触变为面接触,并形成激活中心,在界面两侧产生物理和化学的交互作用,终形成稳定的化学键。在形成面接触之后,通过结合面向界面周围叁维立体空间扩散,终形成冶金结合,该阶段为&濒诲辩耻辞;体&谤诲辩耻辞;扩散阶段。
累积迭轧法(ARB):累积迭轧法是一种基于剧烈塑性变形来制备超细晶结构材料的方法。主要的工艺流程为:母材预处理+堆迭+轧制+对半切割+堆迭+轧制&丑别濒濒颈辫;,每完成一个工艺循环就称为一个道次。通过这种方法获得的样品厚度与初始样品的厚度相同,但是层数却逐渐增加,且每一层均产生巨大的变形。若初始层数为2层,经过n道次后,后的层数为2n。通过ARB方法,一方面可以实现异质材质的结合,另一方面也可以实现多层复合材料的剧烈塑性变形,获得多层复合材料的超细晶组织。
热压烧结法:
具体过程是把松散粉末或粉末压坯同时施加高温和外压,在石墨模具中的松散粉末在高压下被加热烧结,从而形成固定形状的产物。加热方式有电阻式、感应式等方法;加压主要用机械加压或液压加压等。热压烧结的特点:热压烧结由于加热加压同时进行,粉料处于热塑性状态,有助于颗粒的接触扩散、流动传质过程的进行,因而成型压力仅为冷压的1/10;还能降低烧结温度,缩短烧结时间,从而抵制晶粒长大,得到晶粒细小、致密度高和机械、电学性能良好的产物。无需添加烧结助剂或成型助剂,可生产超高纯度的陶瓷产物。热压烧结的缺点是过程及设备复杂,生产控制要求严,模具材料要求高,能源消耗大,生产效率较低,生产成本高。
图1上海皓越生产的国产麻豆MD传媒视频(左)外观(右)炉内构造
放电等离子(SPS)烧结法:放电等离子烧结(SPS)是一种低温、短时的快速烧结法,可用来制备金属、陶瓷、纳米材料、非晶材料、复合材料、梯度材料等。它是一种利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法。通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用。烧结过程中,电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体,使烧结体内部各个颗粒均匀的自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。SPS烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外,在SPS技术中,颗粒间的有效放电可产生局部高温,可以使表面局部熔化、表面物质剥落;高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如去处表面氧化物等)和吸附的气体。
图2上海皓越生产的放电等离子烧结炉(左)外观(右)炉内构造
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皓越科技是一家集研发、生产、销售电炉为一体的先进型技术公司。公司一直专注于先进陶瓷与复合材料、半导体材料、碳材料和锂电及新能源材料装备四大领域,拥有丰富的行业经验和专业技术,竭诚服务于客户,提供完善的一体化产业解决方案。