表面活性劑對高能球磨Mo-Cu復(fù)合粉末形貌特征的影響

（中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051）

由于Mo-Cu 合金具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐燒蝕和耐熱等性能，因此廣泛用來制造電接電極、電觸頭、大功率微波器件和大規(guī)模集成電路中的基板、鑲嵌塊、連接件和散熱元件等[1-3]，還可用來制造軍用燃?xì)舛妗⒈清F、發(fā)動機(jī)噴管等耐高溫部件[4-6]。許多研究發(fā)現(xiàn)，高能球磨合金化是制備納米材料的一種有效方法，通過機(jī)械合金化方法可以制備許多新型材料。由于納米復(fù)合材料具有納米晶粒效應(yīng)和界面效應(yīng)，因此，對納米晶材料的研究具有很大應(yīng)用前景，也是目前材料領(lǐng)域的一個熱點研究方向。而制備高性能Mo-Cu 合金的前提條件是首先制備出超細(xì)晶納米晶復(fù)合粉末，隨后通過燒結(jié)工藝可實現(xiàn)高性能Mo-Cu 合金的制備。本研究通過高能球磨實現(xiàn)納米晶復(fù)合粉末制備。

在機(jī)械合金化制備Mo-Cu 納米晶復(fù)合粉末過程中，影響復(fù)合粉末特性的因素很多，其中有球磨時間、球磨轉(zhuǎn)速、球料比、表面活性劑、充填系數(shù)等，本文研究了表面活性劑對Cu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的Mo-Cu 復(fù)合粉末形貌特征的影響。

1 試驗方法

使用平均粒度為38 μm 的Cu 粉、平均粒度為3.2 μm 的Mo 粉，按照Cu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的Mo-Cu 合金重量百分比混合成原料，把配比好的原料混合粉末填入V 型混料機(jī)中攪拌30 min，隨后把預(yù)混料放入QM-0.25L 星行球磨機(jī)不銹鋼球磨罐中。球料比為10：1，裝填系數(shù)為30%，自轉(zhuǎn)速度（ωr）250 r/min，公轉(zhuǎn)速度（ωR）200 r/min，球磨時間25 h，復(fù)合粉末球磨過程中充入干燥的氬氣，以防止粉末氧化。在球磨前分別在球墨罐中添加硬脂酸（SA，30 g）、液體酒精（C2H5OH，10 mL）單一組元表面活性劑，球磨結(jié)束后通過檢測粉末形貌來確定過程控制劑對復(fù)合粉末形貌狀態(tài)的影響規(guī)律。高能球磨后Mo-Cu超細(xì)晶復(fù)合粉末形貌特征采用掃描電鏡（SEM）進(jìn)行研究。

2 實驗結(jié)果與分析

復(fù)合粉末在球磨過程中，由于磨球和Mo、Cu 粉末顆粒之間反復(fù)碰撞，Mo、Cu 粉末將產(chǎn)生加工硬化，當(dāng)加工硬化到一定程度，粉末將發(fā)生撕裂，同時撕裂的粉末之間又會不斷的焊合，這個過程會持續(xù)不斷進(jìn)行，當(dāng)粉末撕裂時，新鮮的原子面將暴露，這時Mo、Cu 顆粒新鮮表面原子金屬鍵配位數(shù)會減少，表面原子的配位數(shù)減少會產(chǎn)生大量的不飽和金屬鍵和懸鍵[7，8]，導(dǎo)致顆粒表面活性提高，這會引起不同類原子之間吸引力增強(qiáng)，不同類型原子之間的距離將變短，原子之間互擴(kuò)散將加快，此時Mo、Cu 顆粒逐漸失去原始的形狀，形成非穩(wěn)態(tài)的復(fù)合層片狀顯微組織形態(tài)。球磨過程中未添加表面活性劑（PCA）時，Mo、Cu 粉末由同類原子構(gòu)成的顆粒由簡單的軟團(tuán)聚變成為結(jié)合力較強(qiáng)的不同類原子非穩(wěn)態(tài)硬團(tuán)聚，隨著高能球磨的進(jìn)行，Mo、Cu 粉末將形成較為致密的層片狀復(fù)合顆粒，高能球磨Mo、Cu 粉末的SEM 形貌特征如圖1 所示。

機(jī)械合金化可以極大地改變粉末的形貌特征。原始混合粉末形狀主要是由球形的Mo 顆粒和少量的球形Cu 顆粒形成。球磨前，盡管在V 型混料機(jī)中Mo、Cu 粉末經(jīng)過機(jī)械混合2 h，但由于Mo、Cu 粉末顆粒都存在一定的軟團(tuán)聚現(xiàn)象，所以在SEM 照片仍存在明顯的局部富Mo、Cu 粉團(tuán)聚顆粒現(xiàn)象。高能球磨后，復(fù)合粉末中未出現(xiàn)明顯的單個等軸形Mo 顆粒和等軸形Cu 顆粒，復(fù)合粉末形狀呈現(xiàn)片狀化，形成Mo、Cu 金屬互相包覆在一起的復(fù)合粉末團(tuán)聚顆粒，此時層片狀團(tuán)聚顆粒內(nèi)包含若干個微顆粒。

球磨過程沒有添加表面活性劑的Mo、Cu 復(fù)合粉末顆粒呈現(xiàn)為等軸狀團(tuán)聚顆粒，顆粒尺寸較大，但是團(tuán)聚的復(fù)合粉末顆粒的大小很不均勻如圖1b）所示。添加表面活性劑硬脂酸（SA）高能球磨后團(tuán)聚顆粒為長條狀和等軸狀混合形態(tài)，團(tuán)聚顆粒大小分布較也不均勻，如圖1c）所示。而添加酒精球磨的復(fù)合粉末團(tuán)聚顆粒為等軸狀，且尺寸更為細(xì)小，如圖1d）所示。

圖1 高能球磨復(fù)合粉末的SEM 形貌特征

添加表面活性劑對球磨粉末的團(tuán)聚和顆粒粒度均勻性的影響可以從SEM 圖片上表現(xiàn)出來。高能球磨Mo、Cu 粉末在沒有添加表面活性劑時，團(tuán)聚顆粒尺寸較大，并且顆粒大小分布很不均勻，存在粒度較大的團(tuán)聚顆粒。而球磨過程添加表面活性劑形成的團(tuán)聚顆粒尺寸較小，且大小相近，這表明添加表面活性劑對復(fù)合粉末團(tuán)聚有一定的阻礙作用，而且添加表面活性劑（酒精）的團(tuán)聚粒度比添加硬脂酸（SA）的粒度更均勻、更細(xì)小。這情況可能是由于采用液態(tài)活性劑酒精可以更有效地將Mo、Cu 粉末分散，導(dǎo)致機(jī)械合金化可以更均勻地實現(xiàn)，因此團(tuán)聚顆粒尺寸更小，且分布均勻。使用硬脂酸（SA）作為表面活性劑時，硬脂酸在球磨過程中在粉末中本身分散性不好，而液態(tài)酒精由于流動相好，因此分散性也好，所以硬脂酸（SA）對粉末團(tuán)聚的阻礙作用也就小。添加硬脂酸（SA）作為PCA 時，隨著高能球磨時間的增加，Mo、Cu 復(fù)合粉末團(tuán)聚顆粒的尺寸將增大，粉末顆粒粒度分布不均性也會增加，Mo、Cu復(fù)合粉末由原始細(xì)小的球形顆粒趨轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)聚在一起形成尺寸較大形狀的復(fù)合顆粒。當(dāng)使用表面活性劑（酒精）作為表面活性劑時，隨著高能球磨時間的增加，Mo、Cu 復(fù)合粉末顆粒也發(fā)生團(tuán)聚，但復(fù)合粉末發(fā)生團(tuán)聚的程度將減小。

3 結(jié)論

1）高能球磨后，Mo、Cu 復(fù)合粉末中沒有出現(xiàn)單個等軸形Mo 顆粒和等軸形Cu 顆粒，復(fù)合粉末形狀呈現(xiàn)層片狀特征，形成Mo、Cu 互相包覆在一起的復(fù)合粉末團(tuán)聚顆粒，此時團(tuán)聚顆粒內(nèi)包含若干個微顆粒。

2）在相同的球磨參數(shù)條件下，添加過程控制劑硬脂酸（SA）和液體酒精，球磨顆粒間的團(tuán)聚傾向變小，粉末團(tuán)聚顆粒尺寸較小，而且添加表面活性劑（酒精）的團(tuán)聚粒度比添加硬脂酸（SA）的粒度更小且更均勻。