组元磁化法制备ZrO2/Ni梯度功能材料研究

组元磁化法制备ZrO2/Ni梯度功能材料研究

论文摘要

在综述了梯度功能材料制备方法和研究进展的基础上,本论文提出了一种基于组元磁导率差异制备梯度材料的新方法。具体如下:将梯度磁场作用于由磁性粒子和非磁性粒子组成的复合浆料,磁性粒子将向强磁场区域移动,沿磁场方向形成成分梯度,通过后续固化、干燥和烧结,最终制得梯度材料。采用这种新方法成功制备出ZrO2/Ni梯度材料。根据实验需要设计了麦克斯韦线圈和亥姆霍兹线圈;采用旋转粘度仪分析了ZrO2/Ni复合浆料的粘度特性;通过金相显微镜、扫描电镜和能谱分析仪等手段,研究了固相分数、磁场梯度、成型时间、磁性粒子浓度等因素对ZrO2/Ni梯度材料组织和成分分布的影响;通过Monte Carlo模拟的方法,研究了磁场强度、磁场梯度、磁性粒子相互作用、磁性粒子浓度和非磁性粒子浓度等因素对体系中粒子分布的影响。本文的主要研究结果如下:获得了不同磁场中Ni和ZrO2复合浆料粘度的变化规律。无外加磁场时,Ni和ZrO2复合浆料的粘度随PVP分散剂含量的增加先增大后减小,在PVP分散剂含量为1.8 wt.%时,浆料粘度值最低。在磁场中,浆料的相对粘度随着PVP分散剂含量的增加而逐渐降低。浆料粘度随固相体积分数的增加而迅速增大。当磁场强度增加时,浆料粘度先迅速增大,然后逐渐趋于稳定。此外,浆料粘度随Ni粒子浓度增加而增大。这是因为Ni粒子会在磁场中团聚形成链状团簇,随着磁场强度和Ni含量的增加,Ni团簇逐渐增大、增多,导致粘度增大。掌握了Ni在ZrO2/Ni梯度材料厚度方向的成分梯度随固相分数、磁场梯度、磁场作用时间、磁性粒子浓度的变化规律。随固相体积分数的增加,样品致密度逐渐增大,而成分梯度逐渐降低。随着磁场梯度增加至3.0 T/m,Ni成分梯度逐渐增大,而沿厚度方向显微硬度逐渐降低。粒子在浆料中的移动不是瞬时过程,与磁场作用时间有关。随着磁场作用时间的延长,成分梯度逐渐增大,在作用时间超过15 s后,浆料结构保持稳定。此外,随浆料中Ni浓度的增加,Ni成分梯度逐渐降低,当Ni含量达到15 wt.%时,成分梯度已经消失。提出了磁性粒子在梯度磁场中的分布模型,合理解释实验结果。采用Monte Carlo方法分别模拟了匀强磁场和梯度磁场中磁性粒子的运动规律。结果表明,在匀强磁场中磁性粒子团聚形成平行磁场方向的链状团簇。团簇随计算时间的增加而逐渐长大,最后趋于稳定。随着磁性粒子间相互作用的增加,团簇尺寸逐渐增大。但是,体系中粒子分布却不受磁场强度的影响。随着磁性粒子浓度的增加,相邻磁性粒子间距变小,彼此间磁相互作用增强,导致团簇尺寸逐渐增大。体系中的非磁性粒子对磁性粒子的移动存在阻碍作用,并且随着非磁性粒子浓度的增加,阻碍作用逐渐增强。在梯度磁场中,随着磁场梯度的增加,体系中磁性粒子的成分梯度逐渐增大;随着磁性粒子间磁相互作用的增强,团簇尺寸逐渐增大,而成分梯度逐渐减小;此外,非磁性粒子对磁性粒子在梯度磁场中的移动存在阻碍作用,随着非磁性粒子浓度的增加,磁性粒子沿磁场方向的成分梯度逐渐降低。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 功能梯度材料概述
  • 1.2 FGMs国内外研究现状
  • 1.3 FGMs的设计
  • 1.4 FGMs的制备方法
  • 1.5 FGMs的特性评价
  • 1.6 本文选题意义和研究内容
  • 1.6.1 选题意义
  • 1.6.2 本文研究内容
  • 参考文献
  • 第2章 实验方法
  • 2.1 材料制备工艺流程
  • 2.2 磁场计算及磁路设计
  • 2.2.1 梯度磁场设计
  • 2.2.2 匀强磁场设计
  • 2.3 浆料粘度测试
  • 2.4 组织观察和成分分析
  • 2.4.1 金相显微分析
  • 2.4.2 扫描电子显微镜及能谱分析
  • 2.5 磁性测量
  • 2.6 致密度测试
  • 2.7 显微硬度测试
  • 2.8 Monte Carlo模拟
  • 参考文献
  • 2/Ni复合浆料粘度特性'>第3章 磁场中ZrO2/Ni复合浆料粘度特性
  • 3.1 引言
  • 3.2 分散剂含量对复合浆料粘度的影响
  • 3.3 固相体积分数对复合浆料粘度的影响
  • 3.4 磁场强度对复合浆料粘度的影响
  • 3.5 磁性粒子浓度对复合浆料粘度的影响
  • 3.6 复合浆料中粒子受力分析
  • 3.7 本章小结
  • 参考文献
  • 2/Ni梯度材料组织和成分分布'>第4章 梯度磁场中ZrO2/Ni梯度材料组织和成分分布
  • 4.1 引言
  • 2/Ni梯度材料组织和成分分布的影响'>4.2 固相体积分数对ZrO2/Ni梯度材料组织和成分分布的影响
  • 2/Ni梯度材料组织和成分分布的影响'>4.3 磁场梯度对ZrO2/Ni梯度材料组织和成分分布的影响
  • 2/Ni梯度材料组织和成分分布的影响'>4.4 磁场作用时间对ZrO2/Ni梯度材料组织和成分分布的影响
  • 2/Ni梯度材料组织和成分分布的影响'>4.5 Ni浓度对ZrO2/Ni梯度材料组织和成分分布的影响
  • 4.6 本章小结
  • 参考文献
  • 第5章 匀强磁场中磁性粒子分布的Monte Carlo模拟
  • 5.1 引言
  • 5.2 体系的物理模型
  • 5.3 Monte Carlo模拟参数
  • 5.4 体系粒子分布的形成过程
  • 5.5 磁性粒子间相互作用对体系粒子分布的影响
  • 5.6 磁场强度对体系粒子分布的影响
  • 5.7 磁性粒子浓度对体系粒子分布的影响
  • 5.8 非磁性粒子浓度对体系粒子分布的影响
  • 5.9 本章小结
  • 参考文献
  • 第6章 梯度磁场中磁性粒子分布的Monte Carlo模拟
  • 6.1 引言
  • 6.2 模拟参数
  • 6.3 磁场梯度对体系粒子分布的影响
  • 6.4 磁性粒子间相互作用对体系粒子分布的影响
  • 6.5 磁性粒子浓度对体系粒子分布的影响
  • 6.6 非磁性粒子浓度对体系粒子分布的影响
  • 6.7 本章小结
  • 参考文献
  • 第7章 总结和展望
  • 攻读博士学位期间科研成果
  • 致谢
  • 相关论文文献

    • [1].电沉积ZrO_2/Ni纳米复合材料低温高应变速率超塑性的研究[J]. 航空材料学报 2008(03)

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