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。