Fe-Si的机械合金化及β-FeSi的制备研究

摘要

Fe-Si合金是一种非常有发展潜力的功能材料，原料来源丰富，价格低廉，使其具有很高的研究价值。其中β-FeSi2作为热电材料，在世界能源危机日益显现和人们致力于绿色能源开发的今天，对其的研究开发应用有着重要的现实意义。本课题采用了机械合金化的方法，以SEM和XRD为主要分析手段，通过对Fe-Si混合粉体的合金化过程及其相变规律的系统研究，结合合金粉体的成型及热处理工艺试验，探索出了一种工艺简单、高效、快速的β-FeSi2制备新方法：用纯度为99.5％的Fe粉和纯度为99.9％的Si粉按1:2(原子比)的成分配比在球磨速度450r/min、球料比80:1工艺下球磨5h，使其机械合金化，然后，将合金粉体压制成型再经800℃保温1h热处理获得了单相β-FeSi2热电材料。 本文主要研究内容与结果如下： 对Fe-Si粉体的机械合金化过程进行了研究，得出Fe-Si合金机械合金化过程主要分成三个阶段。第一阶段为混合粉体的破碎过程，脆性的Si粉在短时间内被破碎成细小的颗粒状粉体，延性的Fe粉被球磨介质挤压成片状粉体；第二阶段是延性的片状的Fe粉和硬脆的颗粒状的Si粉形成层状复合粉体的过程；第三阶段为合金化过程，合金相的核在Fe粉和Si粉冷焊面上形成，通过Fe、Si原子扩散，核向两边扩展长大成为Fe-Si金属间化合物。 对Fe-Si粉体机械合金化工艺参数的影响进行了研究，结果表明：过低的球磨速度不利于Fe-Si粉体的机械合金化进程。球料比较低时，由于磨球运动自由度大，平均自由程较长，因此对粉体的破碎作用较大，可获得比较细小的粉体。但粉体合金化程度较低。球料比增大，虽然破碎作用减弱，但由于磨球对粉体挤压和碰撞次数增加，更有利于粉体间焊合。故粉体合金化程度提高，同时获得β-FeSi2相的量增多。延长球磨时间可以促进合金化进一步进行，成分趋于均匀，粉体颗粒更细小。综合各种球磨工艺因素的影响，得出最佳的Fe-Si机械合金化工艺为球磨速度450r/min、球料比为80:1、球磨时间为5h，在该工艺下粉体可在较短的时间内完全合金化，组成相为α-Fe2Si5、β-FeSi2和8-FeSi。 对Fe-Si合金粉体的成型及热处理进行了研究，将机械合金化得到的由α-Fe2Si5、ε-FeSi和β-FeSi2三相组成的合金粉体模压成型后，采用800℃保温1小时的热处理工艺即可获取单一β-FeSi2，与电弧熔炼样品出现大量的宏观微观裂纹以及随后的144小时退火获取单一β-FeSi2的工艺相比，突显了机械合金化加短时间热处理制备工艺的优越性。而1100℃保温1～3小时再降至800℃保温1小时，则在获得单一β-FeSi2相的同时使样品产生烧结，样品的密度因此得到提高。制备出来的块状β-FeSi2材料在整个测试温度区间内其Seebeck系数及表征热电材料电学性能的功率因子均远大于α-Fe2Si5、β-FeSi2和ε-FeSi三相组合的样品。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1导言

1.2热电效应及表征参数

1.2.1热电效应

1.2.2热电性能参数

1.3热电材料的研究进展及现状

1.3.1热电材料的研究现状

1.3.2 β-FeSi2热电材料

1.4机械合金化技术

1.4.1机械合金化的发展过程

1.4.2机械合金化的球磨机理

1.4.3机械合金化工艺参数的选择

1.5本课题研究内容及目的

第二章试验材料及试验方法

2.1试验原料与设备

2.1.1试验用原材料

2.1.2试验设备

2.2研究路线及方法

2.2.1研究路线

2.2.2机械合金化

2.2.3真空电弧熔炼

2.2.4冷压成型

2.2.5热处理

2.3样品的分析方法

2.3.1 SEM和EDS分析

2.3.2 XRD分析

2.3.3粒度分析

2.3.4热电性能测试

第三章Fe-Si机械合金化过程研究

3.1试样的制备

3.2球磨产物的显微形貌及成分分析

3.3球磨产物的物相分析

3.4机械合金化过程机理分析

3.5 Fe-Si合金机械合金化过程的热力学分析

3.5.1 Miedema模型简介

3.5.2二元合金体系热力学模型

3.5.3 Miedema模型在Fe-Si合金机械合金化热力学分析中的应用

3.6小结

第四章工艺参数对Fe-Si粉体机械合金化的影响

4.1机械合金化运动学模型

4.2机械合金化工艺的设置

4.3球磨速度对Fe-Si合金机械合金化进程的影响

4.3.1显微形貌分析

4.3.2 X射线衍射分析

4.4球料比对Fe-Si合金机械合金化进程的影响

4.4.1显微形貌分析

4.4.2 X射线衍射分析

4.5 Fe粉原始形态对Fe-Si合金机械合金化的影响

4.6球磨罐填充量和磨球组成对机械合金化过程的影响

4.6.1填充量的影响

4.6.2磨球组合的影响

4.7小结

第五章单相块状β-FeSi2的制备及其性能分析

5.1块状Fe-Si合金试样的成型研究

5.1.1压制压力的影响

5.1.2粉体粒度的影响

5.1.3脱模速度的影响

5.2块状Fe-Si合金样品的热处理研究

5.2.1 DTA差热分析

5.2.2热处理工艺对Fe-Si合金相变的影响

5.2.3热处理工艺对压坯微观形貌的影响

5.3真空电弧熔炼

5.4 β-FeSi2热电材料性能分析

5.4.1相组成对电性能的影响

5.4.2压力对电性能的影响

5.5小结

第六章结论和展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢