一种在梯度磁场中粉浆浇铸制备功能梯度材料的新方法

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1、http://www.paper.edu.cn一种在磁场中粉浆浇铸制备功能梯度材料的新方法严密，彭晓领，师伟堂浙江大学硅材料国家重点实验室，杭州（310027）E-mail：mse_yanmi@zju.edu.cn摘要：根据物质磁学性质的差异，提出了一种在外加梯度磁场作用下采用粉浆浇注法制备功能梯度材料的方法。采用这种方法，成功的制备出了成分连续变化的ZrO2/Ni功能梯度材料，用X射线衍射仪、金相显微镜和能谱分析仪对ZrO2/Ni功能梯度材料的相组成、微观结构和成分分布进行了表征，并对梯度材料的成分分布做了理论分析。关键词：梯度磁场，磁学性质，ZrO2

2、/Ni，功能梯度材料中图分类号：TB391．引言功能梯度材料是材料的组成、结构随位置连续变化的一种新型的复合材料。由于这种组成和结构的连续变化可以满足单一材料内部不同部位实现不同功能的需要，功能梯度材料成[1-4]为当前的一个研究热点。功能梯度材料的研究主要有材料设计、材料制备和性能评价三个方面，其中材料的制备和结构控制是功能梯度材料研究的重点，目前报道的制备方法主要有粉末冶金法、气相沉[5-9]积法、离心沉淀法、自蔓延燃烧法和等离子喷涂法等。粉末冶金法是将额定组分沿梯度方向铺列，再通过压制、烧结工艺制备功能梯度材料；气相沉积法则是通过控制反应气体的压力

3、、组成及反应温度，在远低于材料熔点的温度下制备出结构、成分沿厚度方向连续变化的功能梯度材料；离心沉淀法是在离心力的作用下，利用不同合金组元的重力差异，使凝固后的组分从一端到另一端呈现一种或者多种成分梯度而得到功能梯度材料；自蔓延燃烧法则是利用材料本身化学反应热使材料固结的方法；等离子喷涂法是通过控制喷枪的送粉量来控制材料的梯度组成制备出功能梯度材料。粉末冶金法是功能梯度材料制备中最常用的方法，但其仍存在成分呈现阶梯分布而非连续分布的缺点。本文提出一种利用物质不同的磁学性质，在外加梯度磁场下，采用粉浆浇注法制备功能梯度材料的方法。在梯度磁场中，铁磁性粒子和

4、非铁磁性粒子所受的磁场力会有很大差异，浆料中不同磁性能的颗粒由于受磁场力的差异而重新排布，实现试样成分的梯度分布。本试验中采用铁磁性的Ni和弱磁性的ZrO2作为试验原料，成功制备出了成分连续变化的ZrO2/Ni功能梯度材料。2．实验部分试验所用的主要原料为江西泛美亚公司生产的YSZ-F-DM-3.0型部分稳定ZrO2粉末，平均粒度为0.75m，以及北京有色金属研究总院矿冶所生产的Ni粉末，平均粒度1~2m。以聚乙烯吡咯烷酮为分散剂，将17.6gZrO2粉和2.1gNi粉球磨2h，使其分散在水中，然后通过机械搅拌，得到分散均匀的浆料。再将浆料注入模具中，在

5、梯度磁场的作用下成型，磁场梯度的大小为0.5T/m，制备示意图如图1所示。成型干燥后的试样在真空烧结炉中烧结致密化，具体的烧结工艺为：从室温以5/℃min的速率升温350℃，从350℃以1/℃min的速率升温到500℃，在500℃保温1h，然后再以10℃/min的速率升至1350℃，保温5h，随炉冷却。将试样沿轴向切开，并对截面打磨抛光。用RigakuD/max2550PC全自动多晶X射线衍-1-http://www.paper.edu.cn射仪（日本理学电机株式会社）对试样进行相结构的分析；用MeF-3型金相显微镜（奥地利Reichert公司）对试样进

6、行显微结构分析；用SIRION场发射扫描电镜（荷兰FEI公司）配置的能谱仪EDAX对试样进行成分分布分析。图1在梯度磁场中制备功能梯度材料示意图Fig.1Schematicfabricationofthesampleundergradientmagneticfield3．结果3.1ZrO2-Ni功能梯度材料的物相分析▲●Ni▲t-ZrO2▼m-ZrO2▲Intensity(a.u.)▲▲▲▲●▲▼▼●▲▲▲▲▼●▲204060802-Theta(deg)图2.ZrO2-Ni试样的X射线衍射图谱Fig.2X-raydiffractionpatternsof

7、aZrO2-Nisample图2为在梯度磁场中制得的ZrO2-Ni试样的X射线衍射图谱，由图可见，存在Ni的三个特征衍射峰，没有其他形式Ni的衍射峰出现，说明最终得到的试样中Ni是以单质的形式存在，在制备过程中Ni并没有出现异常氧化。ZrO2的衍射峰主要为单斜型相（m-ZrO2）和四方型相（t-ZrO2），其中四方型相ZrO2（t-ZrO2）的峰强度更高，说明试样中ZrO2主要以四方型相存在。3.2ZrO2-Ni功能梯度材料的微观形貌分析图3为未施加磁场和施加梯度磁场条件下分别制备的ZrO2-Ni试样的光学金相照片。在-2-http://www.pape

8、r.edu.cn金相照片中突出的亮点为Ni颗粒，呈暗色的为ZrO2基体。在未施加