液態鎂與開孔泡沫碳在互穿相復合材料中的結合作用

鎂動力 分類: 科研 發布時間: 2021-10-13 16:11

論文概述

Mg-Cof復合材料由于具有良好的耐蝕性和生物相容性,在生物材料領域有較大潛在應用價值,近年來引起了研究人員極大興趣。對于涉及液體輔助工序制備的鎂基復合材料,為了獲得最優的材料加工條件及參數,必須充分了解各組分之間的潤濕和滲透行為。為此,需要測量扁平或壓實的增強材料和鎂液滴在不同溫度和時間下的接觸角。金屬基復合材料由于增強體顆粒的形狀不規則、表面粗糙,容易在研磨或儲存過程中發生團聚和導致其他元素富集,材料的潤濕性通常較差。開孔泡沫碳增強金屬基復合材料中的液態金屬組分可通過室壁上的窗口慢慢進入填充泡沫腔室,通過調節壓力防止破壞多孔結構;泡沫碳(Cof)可有效避免增強相偏析,提高材料剛度和耐磨性。而目前關于液態鎂和開孔泡沫碳之間的相互作用以及成鍵的影響因素還鮮有研究。

近日,來自波蘭西里西亞工業大學的Marcin博士等人采用靜滴法結合毛細管凈化技術,在不同工藝條件(不同氣氛)下,研究了液態鎂和開孔泡沫碳在700℃高溫下的相互作用。結果表明,由于Mg-Cof體系的不潤濕,未施加外部壓力時,熔融鎂并不能滲透進泡沫碳預制塊中;Mg/Cof接觸角約為135°,與相關文獻報道一致,印證了熔融鎂對泡沫碳預制塊的有效無壓滲透存在問題;由于泡沫碳所吸收氧的反應擴散,在Mg/Cof之間形成了約1 μm厚的MgO膜,表明Mg/Cof鍵合的氧化屬性。通過施加合適的外部壓力可以改善液態鎂與泡沫碳之間潤濕性差的問題。

系統研究了熔融鎂和泡沫碳分別在熔劑、氬氣保護下的相互作用,結果分別如圖1、圖2所示。在熔劑保護下,泡沫碳發生部分分解,鎂基體約有1 mm左右被泡沫碳強化,熔融鎂幾乎沒有滲透,僅由于金屬自身重力與泡沫碳稍有接觸;在氬氣保護下的試驗結果與熔劑環境相似,組分之間接觸部分厚度小于1 mm,但泡沫碳與鎂之間結合的部分未發生分解且結合良好。

圖1 (a)熔劑保護下的Mg/Cof復合材料,(b)樣品截面,(c)Cof和鎂接觸部分顯微組織圖

圖2 (a)氬氣保護下的Mg/Cof復合材料,(b)樣品截面,(c)Cof和鎂接觸部分顯微組織圖

重點研究了在高真空環境下,利用靜滴法加毛細管凈化時鎂液滴與泡沫碳之間的相互作用。在700 ℃的高真空環境下接觸300 s后,鎂液滴仍未滲透泡沫碳(見圖3);利用石墨毛細管持續推擠鎂液滴30 s,液滴仍然無法滲透,并部分破壞了泡沫碳的結構(見圖4)。待液滴凝固后,將樣品分成兩部分,一部分代表鎂液滴未浸潤泡沫碳,另一部分則由鎂和泡沫碳組成。對未浸潤部分進行SEM、EDS表征,可觀察到規則的鎂晶體和氧化層裂紋,原有的Mg/Cof接觸變成了Mg/MgO/Cof接觸(圖5)。

圖3 (a)高真空下鎂液滴和泡沫碳,(b)接觸60s,(c)接觸300s

圖4 (a)利用石墨毛細管推擠鎂液滴進入泡沫碳,(b)和(c)推擠后提起毛細管

圖5 (a)Mg/Cof樣品掃描圖,(b)Mg基體WDS能譜,(c)Mg,(d)O,(e)C元素分布

提出了一種開孔泡沫碳和液態鎂之間的鍵合結構模型,如圖6和圖7所示。在微觀尺度上,液態金屬與泡沫碳表面的接觸誘導了MgO膜在界面處形成,這是由于鎂與Cof組分吸收的殘余氧發生了反應,并導致擴散到滲透泡沫中的氧濃度降低。該模型還預測了兩種結構效應:一是在液態金屬前部形成了富集氧的納米區,這可能是由于鎂自身極易氧化或氣體保護環境有所缺陷所致;二是由高溫擴散引起的C在鎂內富集,這可能在Mg-C復合材料的各種處理工序中都會發生。

圖 6 開孔泡沫碳與液態 Mg 之間相互作用和鍵合的示意圖

圖 7 (a) 由反應擴散引起的發生在液態 Mg 和玻璃碳界面上的微結構效應示意圖

綜上所述,本研究探索了液態鎂和泡沫碳在不同氣氛下的相互作用,發現由于Mg-C潤濕性差,液態鎂在泡沫碳上不可能無壓滲透,通過施加合適的外部壓力可有效解決該問題。本研究最后提出了一種開孔泡沫碳和液態鎂之間的鍵合結構模型,為推動Mg-C復合材料發展奠定基礎。

來源:JMACCMg

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