原位法合成颗粒增强Al-Cu基复合材料的热力学机理研究.pdf

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1、Test&Research试验研究原位法合成颗粒增强AI-0u基复合材料的热力学机理研究格日乐，宋辉(呼伦贝尔学院矿业学院，内蒙古呼伦贝尔021008)摘要：通过对原位法合成颗粒增强A1-Cu基复合材料的热力学机理进行分析，从热力学角度确定反应进行的可能性，并确定热力学相关工艺参数。结果表明，原位法合成颗粒增强A卜Cu基复合材料在热力学理论上为强放热反应，反应的吉布斯自由能为一1108kJ／mol，绝热温度为5l00K，反应可自发进行且进行彻底。关键词：复合材料；原位反应；热力学机理中图分类号：TGl15．21+3；文献标识码：A；文章编号：1006—9658(20

2、16)05—0021—02DOI：10．3969／j．issn．1006-9658．2016．05．005原位合成法是一种先进的材料合成技术，具有工艺简单，实验成本低，材料组织均匀，且能达到所需性能要求等优点¨】。我们利用原位合成法的优势，将其和普通铸造法相结合，把混合均匀的粉末材料压制成预制块并用铝铂纸包好后，将预制块压入达到原位反应温度的铝熔体中，利用熔体热量将预制块引爆发生高温原位合成反应，制备出原位合成颗粒增强A1一Cu基复合材料。从技术角度看，一些工艺因素将会对最终产物的组织结构和性能等会产生显著的影响。因此，在成分一定的情况下，根据热力学机理，合理选择工

3、艺参数是制备AI．Cu基颗粒增强复合材料的关键问题。本文主要研究原位合成法的热力学机理及进行原位反应的相关热力学条件，从热力学角度确定反应进行的可能性，并制定出制备原位合成颗粒增强AI．Cu基复合材料的热力学工艺参数。1选择原位反应体系的热力学基础由氧化位理论[21可知，自由能图中位置愈低的金属愈容易氧化，所得氧化物愈稳定；位置低的金属常能从位置较高的金属氧化物中夺取氧，而生成低位置金属的氧化物和高位置的金属元素。因此，从自由能图可知，铝的氧化物(A1，O、)位置较低，铝可以用来还原位置较高的金属氧化物，生成A1，O、和较高位置的金属。本文所选的AI+CuO反应体收

4、稿日期：2016—03—27稿件编号：1603—1307作者简介：格日乐(1976一)，女，硕士研究生，讲师，主要研究方向为材料的组织与力学性能．中国铸造装备与技术5／2016oFMT2l系，Cu的氧化物(CuO和Cu：O)均在A1，O，的上方，很容易被Al还原，而且Cu的氧化物的位置远高于A1的氧化物的位置，因此本原位反应是高放热反应，反应可自发进行，同时所生成金属元素Cu，作为合金元素与Al组成二元化合物的形式，增强铝基复合材料的基体p]。2Gibbs自由能的计算根据吉布斯函数的定义【4】，吉布斯函数G=H—TS(1)式中，G、H、S分别为温度为瓦时的吉布斯自由

5、能、焓、熵。热力学机理中，在恒温恒压且非体积功为零的条件下，系统的吉布斯函数减少则反应过程能够自动进行，吉布斯函数不变时反应处于平衡状态，不会发生吉布斯函数增大的过程。因此本文计算Gibbs自由能，作为反应过程自发进行的判据。吉布斯函数判据：dGT，≤0(自发进行](恒温，恒压，非体积功为零)(2)本文,中的铝热反应可在瞬间完成，因此可视为怛温怛压，且非体积功为零，所以根据热力学基本方程，对于任一反应，反应能否进行的条件为：AG，=∑Ini(6_)iP啦i(6_)iR<0(3)其中GT=HT一弱rT(4)式中，11i(G)i，为所有生成物的吉布斯自由能值；17i(G

6、OiR为所有反应物的吉布斯自由能值。而式(4)中的研和研又分别为：一r研2日品8+J29。C，刀(5)试验研究Test＆Research研=s品。+脚ff。CrCdT(6)式中，Ⅳ品。为常温下物质的摩尔标准生成热；s袅为常温下物质的熵值；G为恒压时物质的摩尔热容。将式(5)、(6)代人式(4)可得AGr：H2自9。+E8CpdT+T(S2—9。+E。等d乃(7)本文的原位反应采用了CuO与AI的放热反应，反应方程式如下：3CuO+2AI=3Cu+A1203(8)查阅参考文献[5]，将AlA1：O，、Cu、CuO的相关的热力学数据代人方程(7)，反应温度为850oC时

7、CuO+Ai反应体系的△G的值为AGT=．1107．95kJ／mol。根据吉布斯函数判据，可知反应可以自发进行。从数值大小可以看出，制备AI：O，，／AI—Cu基复合材料时的反应进行得较为彻底。3绝热温度死。绝热温度死是发生原位反应时的放热，使反应体系能达到的最高温度，是描述原位反应特征的最重要的热力学参数。它不仅可以作为判断体系能否发生反应、反应的趋势、反应后能否自我维持以及反应放热能否使产物熔化或汽化等，而且还可以对反应的状态进行预测，并可为反应体系的成分设计提供理论依据。反应发生时间非常短暂，因此本研究假定：反应体系绝热、产物与反应物的比热不随温度变化、而