石英玻璃与铝液的反应_张守魁

石英玻璃与铝液的反应张守魁,王丹虹,赵红,苗华明(大连理工大学材料工程系,辽宁大连116024)摘　要:探讨了石英玻璃与铝液的反应机制,可用Si O 2原位反应模式来描述,反应产物A l 2O 3在Si O 2一方原位生长,反应包括孕育期、反应期及反应完了期。

在反应过程中,Si 原子进入铝液,A l 原子被输送到反应前沿。

原子的迁移主要通过原子扩散通道(空隙、裂纹、晶界)来完成。

对复合材料制品进行了X 射线、能谱分析,测试了制品反应前后的尺寸、导电性和表面粗糙度。

利用Si O 2原位反应模式可以制备出与石英玻璃制品形状、几何特征一样的A l A l 2O 3复合材料制品。

关键词:石英玻璃;机制;反应;孕育;A l A l 2O 3;导体中图分类号:TH 14511+1;T G 14612+1 文献标识码:A 文章编号:100023738(2001)0120028203The Reaction between M olten A lu m i nu m and Sil ica Gla ssZHANG Shou -ku i ,W ANG Dan -hong ,ZHAO Hong ,M I AO Hua -m i ng(D alian U n iversity of T echno logy ,D alian 116024,Ch ina )Abstract :In th is paper ,the reacti on m echanis m betw een mo lten alum inum and so lid silica is p resented 1Itm ay be described by Si O 2in 2situ reacti on model 1T he reacti on contains the incubati on peri od ,the reacti on peri od and the peri od after reacti on 1D uring the reacti on ,Si is transpo rted into the A l bath ,w h ile A l is continuously sup 2p lied to the reacti on front w ith silica 1A tom s m igrate th rough the transpo rt channels (space cavity ,crack and grain boundary )m ainly 1X 2ray diffracti on analysis and EDA X analysis of compo sites w ere m ade 1T he di m ensi on ,elec 2trical conductivity and surface finish of p roducts w ere m easured 1A so lid silica body can be transfo r m ed into A l A l 2O 3compo site w h ile m aintaining its m acro scop ic shape and geom etrical features 1Key words :silica glass ;m echanis m ;teacti on ;incubati on ;A lA l 2O 3;conducto r 1　引　言先进的金属2陶瓷复合材料制备技术一直是复合材料研究的热点之一。

该材料的制备方法很多[1,2]。

满足制品形状尺寸及表面粗糙度要求,具有良好的性能、简单的工艺及低成本是复合材料制备工艺所追求的目标。

本工作研究了原位反应制备A l 2A l 2O 3基复合材料新工艺。

铝液可以与Si O 2发生反应[3],即:3Si O 2(S )+4A l (L)3Si (L )+2A l 2O 3(S )(1) 搅拌铸造法(StC )是制备颗粒增强铝基复合材料的一种方法[4,5]。

作者曾利用StC 法将普通石英、石英玻璃颗粒搅入铝液,使之发生上述反应,制备出原位颗粒增强铝基复合材料。

本研究探讨了石英玻璃与铝液的反应规律,制备出与石英玻璃制品同样收稿日期:2000201203;修订日期:2000204227作者简介:张守魁(1960-),男,大连理工大学高级工程师形状、几何特征的A l 2A l 2O 3基复合材料制品。

通过控制复合材料制品的制备工艺,能获得不同的组织和性能,可以制备出具有良好导电性的复合材料制品。

该工艺简单,成本低,可一次或接近一次成形,能制备出形状复杂、表面质量良好的复合材料制品。

2　试　验2.1　材　料工业纯铝、高纯石英玻璃(简称Si O 2)。

2.2　工艺方法先将Si O 2洗净、烘干,然后将部分Si O 2捣碎成颗粒,其平均尺寸为015mm 。

铝液熔化采用3k W 电炉、石墨坩埚,用W ZK 可控硅温度控制器控制炉温。

Si O 2颗粒用机械搅拌法进入铝液,铝液温度用XW CJ 300型仪表记录。

Si O 2制品加热至400°C 左右时直接浸入铝液,浸放时间为>40m in mm 。

2.3　检测方法用日产XRD 26000型X 射线仪进行了X 射线・82・第25卷第1期2001年1月机　械　工　程　材　料M aterials fo r M echan ical Engineering V o l 125　N o 11Jan 12001分析,并对元素含量进行了能谱分析。

显微观察最大放大倍数1000倍,未浸蚀。

组织转变量采用称重法测量,其测试条件:选择有代表性颗粒,每个试样所测试的颗粒数平均为415个,组织转变量取平均值,未计铝量。

对复合材料的导电性能进行了初步考察。

用日产SE 23H 轮廓仪检测了制品的粗糙度。

还对制品反应前后的尺寸进行了测试。

3　试验结果与讨论为了探讨Si O 2与铝液的反应规律,向铝液中添加了(质量比,下同)3%Si O 2颗粒。

铝液在780°C 保温15m in 后,把700°C 的Si O 2颗粒27g (质量比,3%)同时搅入到铝液中,添加时电炉断电。

图1为添加Si O 2引起的铝液温度变化情况。

图中每两点间隔为30s 。

0s 时将Si O 2颗粒添加到铝液,引起铝液温度降低,综合影响降低值为711°C 。

126～456s (注:曲线上的起始点滞后坐标原点6s ),铝液温度升高,且与时间成正比,其方程为T =0109515t -111989　(T 铝液温升°C ,T =0,为曲线最低点。

t 为Si O 2添加时间s ,t =126～456s )。

456s 以后,铝液温度降低。

图2为不同时间取样的微观组织。

在添加时间小于61s ,颗粒无变化。

在61s 时,试样中仅发现二个A l 2O 3晶体(晶核),尺寸约为215Λm 。

80s 时,平均每个颗粒有尺寸约为11125Λm 的A l 2O 3晶体915个,而且还有大量更细小的A l 2O 3晶体(晶核)。

随时间图1　添加质量比3%Si O 2颗粒铝液的温度变化F ig 11　T emperature increases of mo lten A l in additi onof 3%silica particles推移A l 2O 3逐渐增多,而未反应的Si O 2颗粒逐渐缩小。

在图1曲线最高点(456s )取样,A l 2O 3转变的面积比达到95195,反应基本完毕。

A l 2O 3转变的面积比见表1。

根据试验可将质量比,3%Si O 2与铝液的反应划分为三个时间区段。

在0～61s 之间,A l 2O 3百分含量为0——称为孕育期。

在61～460sSi O 2与铝液发生式1反应——称为反应期,反应放出热量。

大于460s 称为反应后期。

Si O 2固体与铝液的反应模式见图3,可称为Si O 2原位反应模式。

其特点如下:(1)Si O 2与铝液的反应过程包括孕育期、反应期、反应后期;(2)首先铝液与Si O 2固体接触浸润称为孕育期,然后在表1　不同时间的A l 2O 3面积比(%)Table 1　A l 2O 3proportion s at differen t ti m e (%)添加时间 s<61211272331401456>470A l 2O 3面积比20143015581876189519100图2　不同时间下A l 2O 3的转变情况F ig 12　M icro structure at different ti m e・92・图3　Si O 2与铝液反应模式示意F ig 13　A diagram of the reacti on modelbetw een Si O 2and A lSi O 2固体表面充分与铝液接触浸润的位置发生式1反应,反应产物A l 2O 3在Si O 2一方原位生长,逐渐在固体表面形成薄薄一层A l 2O 3同时向内部长大,随着时间推移未反应的Si O 2颗粒逐渐缩小,A l 2O 3逐渐增多,最终在原Si O 2固体上形成多晶体的A l 2O 3。

根据工艺条件,可以获得不同的A l 2O 3晶体结构;(3)在固体内铝向反应界面扩散,硅向固2液界面扩散。

原子的迁移主要通过原子扩散通道(晶界、空隙、裂纹)来完成。

在反应过程中,因为A l 2O 3体积的变化,将形成一些空隙,甚至可能产生一些裂纹,而晶界的薄弱造成裂纹易在晶界处产生和扩展。

最终,空隙、裂纹大多被铝所占据;(4)在铝液中,远处的铝向固体周围迁移,固体附近的硅向远处扩散;(5)Si O 2与铝液的反应孕育期及反应期同Si O 2尺寸(数量)、铝液温度等有关。

比如将某同样尺寸的Si O 2分别浸入820°C 和720°C 铝液15s ,前者产生多个A l 2O 3晶核,而后者没有A l 2O 3晶核出现。

反应后期是否对组织结构有影响,应做进一步研究;(6)反应前后固体形状几何特征相同;(7)反应伴随放热。

将Si O 2制品浸到铝液中,利用Si O 2原位反应机制,可以制备出与Si O 2制品尺寸形状一样的复合材料制品,见图4。

实现了一次成形或接近一次成形。

表2为圆套制品反应前后的尺寸数据,可见反应前后尺寸未有明显变化。

按工艺条件不同,复合材料制品可具有不同的组织,因此可以获得不同性能,能制备出具有较好导电、导热性的复合材料制品。

由780～840°C 工艺下的反应产物X 射线分析(图略—编者),可知有ΗA l 2O 3、ΑA l 2O 3及A l ,其相应的显微组织见图5。