蘇浩龍

摘要：本文建立了電場(chǎng)作用下的燃燒合成反應(yīng)的熱力學(xué)模型，利用燃燒合成-熔鑄技術(shù)探討了原位合成MoSi2 -Cu復(fù)合材料的可能性。實(shí)驗(yàn)表明，隨著MoSi2 -Cu復(fù)合材料中Cu含量的增加，燃燒模式從熱爆模式變?yōu)樽月幽Ｊ健Ｔ黾訌?fù)合材料中的Cu含量，可降低MoSi2 顆粒的尺寸，改善其分布。

關(guān)鍵詞：燃燒合成；熔鑄；MoSi2-Cu復(fù)合材料；電場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）21-0229-03

眾所周知，銅有著優(yōu)良的導(dǎo)電性，其導(dǎo)電率在所有的金屬中僅次于金和銀，故它被廣泛應(yīng)用于電子電器設(shè)備中；但同時(shí)銅本身的熔點(diǎn)、強(qiáng)度都比較低，因此，純銅或銅合金在對(duì)導(dǎo)電性、強(qiáng)度及熔點(diǎn)都有一定要求的場(chǎng)合的應(yīng)用受到極大的限制。本研究的目的就是通過(guò)在銅中引入增強(qiáng)相來(lái)改善銅本身固有的低強(qiáng)度、低熔點(diǎn)的缺陷，但同時(shí)要求不影響其本身的高導(dǎo)電率性質(zhì)。這就要求引入的增強(qiáng)相既要有極高的強(qiáng)度、熔點(diǎn)又要同時(shí)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性?？v觀當(dāng)今的材料中，符合高強(qiáng)、高熔點(diǎn)特性的是陶瓷材料，但已知的陶瓷材料大都不能導(dǎo)電，而只有極少數(shù)的具有導(dǎo)電性，MoSi2就是其中的較為理想的一種。它既有較高的強(qiáng)度又兼具良好的導(dǎo)電性。鑒于MoSi2及Cu的性質(zhì)，如果通過(guò)一定的方法制得由MoSi2和Cu組成的復(fù)合材料，則不僅可解決基體銅熔點(diǎn)低、強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)，而且也不影響其高的導(dǎo)電性，具有較好的綜合性能，從而有著更廣泛的應(yīng)用范圍。

本文以MoO3-CuO-Al-Si反應(yīng)體系為對(duì)象，首先初步建立電場(chǎng)作用下該體系燃燒合成反應(yīng)的熱力學(xué)模型，然后通過(guò)燃燒合成-熔鑄技術(shù)制備出MoSi2-Cu原位復(fù)合材料。主要研究?jī)?nèi)容包括：電場(chǎng)作用下燃燒合成反應(yīng)熱力學(xué)模型的初步研究；MoO3-CuO-Al-Si反應(yīng)體系燃燒合成-熔鑄過(guò)程分析；燃燒合成-熔鑄MoSi2-Cu原位復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)分析。實(shí)驗(yàn)表明，MoO3-CuO –Al-Si體系的燃燒合成反應(yīng)很容易進(jìn)行，合成的產(chǎn)物能熔化成液態(tài)，且Al2O3陶瓷能與液態(tài)的MoSi2 和Cu自動(dòng)分離。因此，采用燃燒合成-熔鑄技術(shù)可以制備MoSi2-Cu復(fù)合材料，從而可實(shí)現(xiàn)該復(fù)合材料的原位合成和液態(tài)成形一體化。

1 電場(chǎng)作用下燃燒合成反應(yīng)熱力學(xué)模型的建立

雖然當(dāng)今對(duì)于燃燒合成技術(shù)的研究較多，但由于燃燒合成是一個(gè)高溫、瞬時(shí)的過(guò)程，這給研究燃燒合成過(guò)程帶來(lái)很大的困難，特別是有關(guān)電場(chǎng)激活燃燒過(guò)程的數(shù)學(xué)模型并不多見(jiàn)。圖1是電場(chǎng)誘發(fā)燃燒合成反應(yīng)的物理模型。假設(shè)一個(gè)圓柱形的反應(yīng)物壓坯放置在上下兩個(gè)石墨電極之中，壓坯的高度為h，半徑為r，作用在壓坯兩端的電壓為U，則作用在反應(yīng)物壓坯上的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

如圖1試驗(yàn)中利用2個(gè)致密石墨電極通過(guò)施加電場(chǎng)來(lái)對(duì)反應(yīng)體系進(jìn)行加熱。由于電場(chǎng)的焦耳熱效應(yīng)，通電壓坯被加熱。當(dāng)壓坯的溫度達(dá)到反應(yīng)物的點(diǎn)燃溫度時(shí)，反應(yīng)物壓坯發(fā)生燃燒合成反應(yīng)，并放出熱量qc。這樣，反應(yīng)中的能量控制方程為：

對(duì)邊界條件的處理：壓坯的側(cè)面是輻射傳熱，而上下面即壓坯與石墨接觸的部分保證接觸良好，在結(jié)合面上無(wú)縫隙，但當(dāng)有溫度差有熱流通過(guò)界面時(shí)，在交接面上將出現(xiàn)明顯的溫度躍變。因此，可以認(rèn)為在交接面上有熱阻，其形式與對(duì)流換熱邊界條件一致。

這樣式（2）可以變?yōu)椋?/p>

2 燃燒合成-熔鑄工藝制備MoSi2-Cu復(fù)合材料的研究

2.1 實(shí)驗(yàn)條件和方法

在不影響Cu的導(dǎo)電性的前提下，為了進(jìn)一步提高其硬度、強(qiáng)度和抗熔化性，以滿足現(xiàn)代電工產(chǎn)品對(duì)觸頭材料更高的要求，以MoO3 、CuO、Al和Si粉為原材料，探討用燃燒合成-熔鑄技術(shù)制備MoSi2-Cu原位復(fù)合材料的可能性。

實(shí)驗(yàn)用的原材料為市售的分析純?nèi)趸f粉末、鋁粉、硅粉和氧化銅粉，其特性見(jiàn)表1。按下式合成MoSi2-Cu原位復(fù)合材料：

MoO3 + 3CuO + 4Al +2 Si = MoSi2 + 3Cu + 2Al2O3

設(shè)計(jì)合成的MoSi2-Cu復(fù)合材料中Cu的質(zhì)量百分含量分別為50%，60%和70%，以研究Cu含量對(duì)體系SHS過(guò)程及合成材料組織的影響。這樣，可按上式得到如表2所示的原材料配比。

本文整體實(shí)驗(yàn)步驟如圖2所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在所選用的含Cu50%，60%，70%三種試樣的合成中，自蔓延高溫合成過(guò)程都能順利進(jìn)行并完成，且反應(yīng)中所得的產(chǎn)物被反應(yīng)本身放出的熱量熔化。反應(yīng)得到的產(chǎn)物呈塊狀分布在試樣下方的石墨模具中，但有個(gè)別飛濺到承裝反應(yīng)試樣的耐火坩堝的壁上，且有些實(shí)驗(yàn)中坩堝在反應(yīng)中炸裂，分析知以上的坩堝炸裂及合成產(chǎn)物飛濺現(xiàn)象都是因?yàn)榉磻?yīng)過(guò)于劇烈，進(jìn)而反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量聚集從而試樣中的溫度不均衡，進(jìn)而發(fā)生生成的液體飛濺甚至坩堝炸裂的現(xiàn)象。在那些坩堝未炸裂的實(shí)驗(yàn)中，在坩堝的上方分布大量的灰色疏松塊狀物質(zhì)。這些物質(zhì)性質(zhì)很脆，很容易用手將其敲落。據(jù)此斷定其為反應(yīng)中生成的Al2O3。待敲掉該Al2O3雜質(zhì)后出現(xiàn)塊狀呈現(xiàn)金屬光澤的合成材料，該材料較Al2O3層要致密得多，密度明顯較高。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明采用自蔓延高溫合成技術(shù)及本試驗(yàn)體系完全能夠合成MoSi2-Cu復(fù)合材料。

在MoO3-CuO-Al-Si反應(yīng)體系中，首先發(fā)生Al將CuO，MoO3中的銅元素和鉬元素置換出來(lái)的鋁熱反應(yīng)：3CuO+2Al=3Cu+Al2O3；MoO3+2Al=Mo+Al2O3；而后，試樣中的硅粉與上述反應(yīng)生成的Mo反應(yīng)生成增強(qiáng)相金屬間化合物MoSi2：Mo+2Si=MoSi2：上述的鋁熱反應(yīng)中產(chǎn)生大量的熱量進(jìn)而使得該反應(yīng)體具有相當(dāng)高的絕熱燃燒溫度，初步估算大概有5000℃，該溫度遠(yuǎn)高于金屬間化和物MoSi2及生成的銅和三氧化二鋁的熔點(diǎn)。因此，反應(yīng)中所放的熱量使得反應(yīng)生成物熔化并向石墨模具中流動(dòng)。但此時(shí)合成的熔融物中Al2O3因?yàn)榱鲃?dòng)性較液態(tài)Cu，MoSi2差，且其密度也較后兩者小，因而在反應(yīng)完成時(shí)，Al2O3在重力的作用下與理想產(chǎn)物Cu-MoSi2分離而處于所得的產(chǎn)物的上層。

通用性：通過(guò)應(yīng)用虛擬化，可以使任何一個(gè)程序都能在云系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)共享和運(yùn)行。

實(shí)時(shí)更新：通過(guò)云端海量數(shù)據(jù)收集到的情況，能夠?qū)Ω鞣N應(yīng)用做到第一時(shí)間的更新，并通過(guò)層級(jí)下放，迅速將更新結(jié)果發(fā)布至客戶端。

個(gè)性化：可以由用戶自定義個(gè)性化的虛擬應(yīng)用，也可選擇用戶熟悉的虛擬環(huán)境。

4 虛擬化平臺(tái)

虛擬化平臺(tái)是指面向開(kāi)發(fā)人員開(kāi)放的，可嵌入到云端的各種應(yīng)用的一個(gè)統(tǒng)一接口，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)將自己的應(yīng)用通過(guò)平臺(tái)置于云端，并利用云系統(tǒng)運(yùn)行為客戶提供各種定制化的服務(wù)。虛擬化平臺(tái)的特稱及功能如下：

語(yǔ)言兼容：支持各種主流開(kāi)發(fā)工具級(jí)程序語(yǔ)言，如：VB、VC、VC++、Java、C#、Delphi、Basic等。

嚴(yán)格審查：對(duì)于上傳至云端的各種開(kāi)發(fā)成品都要進(jìn)行嚴(yán)格的審查，審查內(nèi)容包括開(kāi)發(fā)人員身份驗(yàn)證，軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)認(rèn)證及安全性認(rèn)證。

測(cè)試模擬：對(duì)即將推出的開(kāi)發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行真實(shí)環(huán)境模擬測(cè)試，以驗(yàn)證推出后的服務(wù)效果。

有償服務(wù)：通過(guò)合理的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，保障開(kāi)發(fā)人員的利益，虛擬平臺(tái)同事也得到一定比例服務(wù)費(fèi)用。

升級(jí)更新：服務(wù)提供者可對(duì)自己的產(chǎn)品進(jìn)行不定期的更新，以完善自身的服務(wù)，而平臺(tái)對(duì)開(kāi)發(fā)人員開(kāi)放完善的升級(jí)和更新接口。

監(jiān)控管理：對(duì)于虛擬平臺(tái)上的各種操作，要有完善的監(jiān)控日志、實(shí)時(shí)告警等手段，保障安全合法運(yùn)行。

5 虛擬化桌面

虛擬化桌面即是將用戶完全從自身終端解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的無(wú)差異化。云端將用戶完整的應(yīng)用環(huán)境記錄下來(lái)，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，在云端高性能的硬件和無(wú)差異的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)運(yùn)行各種應(yīng)用程序，運(yùn)行虛擬化桌面具有以下接入標(biāo)準(zhǔn)和功能：

管維集中：為用戶提供服務(wù)的軟件將集中的管理在服務(wù)器端，對(duì)于相關(guān)的數(shù)據(jù)將在云端進(jìn)行集中的維護(hù)和管理，同時(shí)也可減少現(xiàn)場(chǎng)工作。

連貫使用：用戶在本地完成操作后，云端將保持用戶的操作記錄和配置情況，確保用戶在下次登錄時(shí)能夠保持操作的連貫性。

故障恢復(fù)：用戶的桌面環(huán)境將以虛擬機(jī)的形勢(shì)被保存下來(lái)，通過(guò)對(duì)虛擬機(jī)的操作記錄及用戶備份，能夠快速發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)回復(fù)，恢復(fù)過(guò)程中通過(guò)熱遷移的方式讓用戶端能夠無(wú)故障感知。

云計(jì)算從本質(zhì)上講，是向用戶提供虛擬化的服務(wù)。從云計(jì)算到虛擬化的跨越過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了資源利用率的最大化，通過(guò)創(chuàng)建高度虛擬化的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了資源的充分共享，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用、數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)等資源以服務(wù)的形式提供給網(wǎng)絡(luò)客戶，極大的提高了工作效率，降低了客戶的使用成本，同時(shí)也幫助客戶提升了安全等級(jí)，更好的滿足各種客戶的需求。隨著科技的發(fā)展，云計(jì)算與虛擬化必將成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必由趨勢(shì)，也將推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)科技走上一個(gè)新的高度。