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密度梯度材料是一类密度沿厚度方向呈规律性变化的功能梯度材料,由于其具有准等熵压缩特性,在动高压物理研究领域具有广泛的应用前景。本文针对密度梯度材料制备过程中存在中间过渡层薄、难以精密成型的问题,选择陶瓷薄片成型常用的流延工艺,以Mg-Cu体系为研究对象,通过流延成膜结合热压烧结来制备密度分布满足设计要求的密度梯度材料。
系统研究了球磨工艺、溶剂种类、分散剂含量、增塑剂含量、粘结剂含量、固相含量、不同组分对Mg-Cu体系流延料浆的流变性能的影响,重点考察了Mg-Cu体系流延料浆的剪切速率与剪切应力、剪切速率与粘度、粘度与时间等关系。研究表明,采用无毒的PVB做粘结剂,随其含量的增加,Mg-Cu体系料浆的粘度增大;随着分散剂、增塑剂含量的增加,料浆的粘度分别先减小后增加,分散剂含量、粘结剂与增塑剂的含量比P分别存在一个最优值;随着Cu和Mg料浆固相含量的增加,料浆的粘度增大,其最大固相含量分别为70wt%和57wt%。,采用纯丁酮(MEK)溶剂和适宜的料浆制备工艺,可以制备出固相含量在55wt%到65wt%之间的不同Mg-Cu组分的流延料浆,其稳定性较好,粘度范围在0~4000mPa·s之间,流延料浆均属于宾汉姆塑性流体,呈现剪切变稀的特性,适于流延成膜。
系统研究了流延料浆(粘结剂含量、增塑剂含量、固相含量、不同组分)和流延工艺参数(刮刀间隙和基带速度)对流延成膜的影响,重点考察了Mg-Cu体系流延膜密度、厚度及其均匀性与显微结构的关系。研究表明:随着粘结剂、增塑剂含量的增加,Mg-Cu体系流延膜的密度先增加后减小;随着固相含量的增加,制备得到的Mg-Cu体系流延膜的密度先增加后减小,当固相含量分别为68wt%和55wt%,流延膜密度达到最高;随着刮刀间隙的增加,Mg-Cu体系流延膜的密度和厚度均逐渐增加;随着基带速度的增加,Mg-Cu体系流延膜的密度先增加后减小。通过调配不同组分的Mg-Cu混合料浆,流延得到全组分范围内任意Mg-Cu配比的流延膜,其密度可以从1.02g/cm3变化到2.52g/cm3,流延膜的气孔少,分布均匀,厚度均匀性好。采用宾汉姆流体公式计算得到的Mg-Cu体系流延膜的厚度预测值与实验测量值相吻合,呈现为良好的线性关系。
通过对Mg-Cu粉体和有机添加剂的热分析确定了流延膜的排胶工艺,研究了烧结温度对Mg-Cu复合材料制备的影响,探讨了复合材料的物相组成、显微结构与烧结致密度。研究表明:Mg-Cu体系流延膜制备过程中的刮刀间隙与单组分烧结试样厚度两者满足线性关系;烧结温度的增加有利于提高复合材料的致密度;不同Mg-Cu组分的复合材料均可以在480℃的热压条件下获得较高的烧结致密度,体系中无CuMg2金属间化合物生成,其致密化机理表现为Mg、Cu的固相烧结机理。根据设计的密度分布对中间过渡层密度和厚度的要求,采用以上优化的流延成型和热压烧结工艺,制备出整体致密、中间过渡层结合紧密、密度准连续变化的Mg-Cu体系密度梯度材料。