钨基多孔材料及其梯度材料的流延法制备与孔隙结构控制

摘要

钨基多孔材料及其梯度材料结合了钨基材料与多孔材料的特点，兼具W高熔点、低热膨胀系数、低蒸汽压、高强度与多孔材料低密度、高比强度与高比表面积的优点，在面向等离子体的极端条件、高温领域、微电子领域及制备高强高韧材料等方面拥有广阔应用前景。然而在其已有的制备方法中，传统粉末冶金法能耗高、效率低，活化烧结及冷冻铸造等新方法也难以调控其孔隙结构。 本文提出流延成型结合造孔剂法制备钨基多孔材料及其梯度材料。首先采用流延成型工艺制备W-NaCl复相流延薄带，研究结果表明，当PVB含量为3.0wt.%、分散剂含量为1.0wt.%时，含50vol.%NaCl的料浆粘度稳定性好，获得的流延薄带内部无明显缺陷、颗粒分散良好、两相分布均匀。其次，研究了排胶、热压与造孔剂溶解的工艺对钨基多孔材料生坯的影响，研究结果表明，流延薄带的最佳排胶工艺为真空下加热至780℃，排胶后残留无定型C均匀包覆于W/NaCl颗粒表面；在780℃-50MPa-2h的热压工艺下，获得了致密度好且NaCl未熔出的W/NaCl复相生坯；经循环去离子水溶解48h得到钨基多孔生坯。 对钨基多孔生坯采用无压烧结获得了钨基多孔材料，研究了烧成温度、保温时间与造孔剂含量对钨基多孔材料的孔隙率、孔结构与力学性能的影响，并通过与直接混料法的对比研究揭示了钨基多孔材料的孔隙结构调控机理。研究结果表明，在1600℃-1h的烧成工艺下，通过改变造孔剂含量(0-80vol.%NaCl)，可制备孔隙分布均匀、孔隙率为14.88-66.40%的钨基多孔材料，其小孔孔径约为1μm，大孔孔径为3-6μm，材料包含W、W2C两相，其中W2C由W与残留C反应合成在W颗粒表面，W2C含量为14.32-34.76wt.%。造孔剂含量为60vol.%时，钨基多孔材料的孔隙率为44.32%，抗压强度为311MPa，高于相似孔隙率的文献报道值(~140MPa)，孔壁中的W2C陶瓷相提高了材料的抗压强度。流延法制备的材料孔隙分布均匀，烧成温度明显降低，这是因为有机添加剂使颗粒分散良好、分布均匀，排胶后残留C将W的烧结转变为W与C的反应烧结。 最后，利用造孔剂含量分别为0-80vol.%的W-NaCl复相流延薄带，设计并制备了孔隙率分布为“低-高-低”的夹心结构钨基多孔梯度材料，梯度材料内部无明显缺陷，夹心结构对称性良好，梯度结构变化趋势与实验设计基本相符。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 金属多孔材料

1.2.1 金属多孔材料的应用

1.2.2 金属多孔材料的研究现状

1.2.3 金属多孔梯度材料

1.3 钨基多孔材料

1.3.1 钨基多孔材料的应用

1.3.2 钨基多孔材料的研究现状

1.3.3 钨基多孔梯度材料

1.3.4 钨基多孔材料的制备难点

1.4 流延成型技术

1.4.1 流延成型技术的发展

1.4.2 流延成型技术制备多孔材料

1.5 本论文工作的提出及主要研究内容

第2章 实验与测试方法

2.1 实验

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验设备

2.1.3 实验工艺流程

2.2 表征与测试

2.2.1 流延料浆粘度

2.2.2 差热/热重分析

2.2.3 物相分析

2.2.4 微观结构分析

2.2.5 CHNS元素分析

2.2.6 红外光谱分析

2.2.7 拉曼光谱分析

2.2.8 致密度与孔隙率

2.2.9 抗压强度

2.2.10 孔径分布

第3章 结果与讨论

3.1 钨基复相流延料浆

3.1.1 分散剂含量对复相流延料浆粘度的影响

3.1.2 粘结剂含量对复相流延料浆粘度的影响

3.1.3 复相流延料浆的稳定性

3.2 钨基复相流延薄带

3.2.1 复相流延薄带的微观结构

3.2.2 复相流延薄带的厚度

3.3 钨基多孔材料生坯

3.3.1 排胶工艺对复相生坯化学组成的影响

3.3.2 热压压力对复相生坯结构与致密度的影响

3.3.3 造孔剂的溶解去除

3.4 钨基多孔材料

3.4.1 烧成温度对钨基多孔材料孔隙结构与力学性能的影响

3.4.2 保温时间对钨基多孔材料孔隙结构与力学性能的影响

3.4.3 造孔剂含量对钨基多孔材料孔隙结构与力学性能的影响

3.4.4 流延法制备钨基多孔材料的孔隙结构调控机理分析

3.5 钨基多孔梯度材料

3.5.1 钨基多孔梯度材料的设计

3.5.2 钨基多孔梯度材料的孔隙结构

第4章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及申请专利情况