專(zhuān)利名稱(chēng)：用于波阻抗梯度飛片的Ti/Al的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于波阻抗梯度飛片的Ti/Al2O3復(fù)合材料，特別涉及一種波阻抗梯度飛片的中間過(guò)渡層材料，以及上述復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
梯度功能材料(Functionally Graded Materials；FGM)是指材料組成和結(jié)構(gòu)從一側(cè)向另一側(cè)呈梯度連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能也呈梯度變化的一種非均質(zhì)新型復(fù)合材料。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和突飛猛進(jìn)，對(duì)材料性能提出越來(lái)越高、越來(lái)越嚴(yán)和越來(lái)越多的要求。最初提出FGM的概念是為了解決新一代往返式航天飛機(jī)熱保護(hù)系統(tǒng)中出現(xiàn)的許多問(wèn)題，例如其耐熱性、隔熱性、耐久性、耐疲勞性能等，傳統(tǒng)的單一材料已經(jīng)不能滿足實(shí)際需要。因此，人們嘗試制備一種非均質(zhì)材料，其性能隨著成分的連續(xù)性變化而變化。
波阻抗梯度飛片是一種新型的功能梯度材料，在天體物理、地球物理、核物理以及慣性約束聚變等需要精確了解物質(zhì)在極端高壓條件(1～2TPa量級(jí)，即1.0×1012Pa)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和完全狀態(tài)方程的實(shí)驗(yàn)研究中，有著重要的應(yīng)用。其特性波阻抗值(Wave impedance，定義為材料的初始密度與體積聲速的乘積)在沿材料厚度方向上按一定規(guī)律呈梯度變化，而且具有準(zhǔn)等熵壓縮特性。與使用均質(zhì)飛片的沖擊加載技術(shù)不同，準(zhǔn)等熵加載采用的是一種具有變波阻抗功能的飛片材料，其波阻抗值沿飛片厚度方向按一定的規(guī)律連續(xù)增加，當(dāng)它被加速到高速并與靶板相撞擊時(shí)，將在靶內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)具有平緩上升壓力剖面的準(zhǔn)等熵壓縮波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)靶材料的準(zhǔn)等熵壓縮，準(zhǔn)等熵壓縮過(guò)程中的熵增遠(yuǎn)小于不可逆沖擊壓縮產(chǎn)生的熵增，材料中的溫升也遠(yuǎn)低于沖擊壓縮產(chǎn)生的溫升。因此飛片動(dòng)能可以最大限度地轉(zhuǎn)換成為對(duì)靶的壓縮能，從而使材料獲得更高的壓縮度。也就是說(shuō)，利用波阻抗梯度飛片的準(zhǔn)等熵壓縮特性可以有效的解決傳統(tǒng)均質(zhì)飛片沖擊加載過(guò)程中存在的兩個(gè)問(wèn)題偏離等熵的熱耗散問(wèn)題和能量的傳遞問(wèn)題。
在W-Mo-Ti-Al體系中，由于梯度飛片低密度端的金屬Al或Mg極易與Ti形成脆性的金屬間化合物，致使飛片材料中間過(guò)渡層的力學(xué)強(qiáng)度較低，難以保證飛片產(chǎn)生良好的準(zhǔn)等熵壓縮性和超音速飛行過(guò)程中的完整性，限制了W-Mo-Ti-Al體系波阻抗梯度飛片的深入研究。因此對(duì)于該體系飛片的研究而言，研制具有高強(qiáng)度、剛性大、變形小、波阻抗值適中，且與前、后界面材料焊接性好的中間層材料，對(duì)于提高飛片整體的質(zhì)量和擊靶壓力峰值是個(gè)很好的思路。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為克服以上技術(shù)的不足，提供了一種用于波阻抗梯度飛片的Ti/Al2O3復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有界面結(jié)合緊密，結(jié)構(gòu)完整，致密度高；Ti/Al2O3復(fù)合材料的波阻抗值分布指數(shù)在2～3之間，能夠獲得較好的準(zhǔn)等熵壓縮波波形，并且具有較高的體積彈性模量和楊氏模量，能保證作為梯度飛片中間層材料所要求的力學(xué)性能；與高波阻抗值的W-Mo和低波阻抗值的Al有良好的可焊接性；且其波阻抗值介于W-Mo和Al之間；適合于波阻抗梯度飛片中間過(guò)渡層材料。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種用于波阻抗梯度飛片的Ti/Al2O3復(fù)合材料，采用以下步驟制成按配比將各層粉末分別混料，壓力成型；將成型好的各單層坯體依次按含Ti量減小的次序放入石墨模具中，然后采用放電等離子快速燒結(jié)法制備成Ti/Al2O3復(fù)合材料；所述Ti/Al2O3復(fù)合材料的組成為T(mén)i為wt45～69％、α-Al2O3為wt30～50％、Nb為wt0.5～5％；各單層坯體的Ti含量由wt100％梯度減少至0，α-Al2O3含量由0梯度增加至wt100％，Nb含量梯度減少，其中上、下兩層的Nb含量為0。
本發(fā)明的Ti/Al2O3復(fù)合材料，復(fù)合材料具有梯度結(jié)構(gòu)，單層坯體的數(shù)量為6～14層，單層坯體厚度為0.5～5mm。
本發(fā)明的Ti/Al2O3復(fù)合材料，所述的坯體成分分布指數(shù)P為0.6～1.2。
本發(fā)明所述的Ti/Al2O3復(fù)合材料的制備方法，采用以下步驟(1)按配比將各層粉末分別混料，壓力成型，分別制成各單層坯體；(2)將成型好的各單層坯體依次按含Ti量減小的次序放入石墨模具中，然后采用放電等離子快速燒結(jié)法制備成Ti/Al2O3復(fù)合材料；(3)所述的放電等離子快速燒結(jié)法的燒結(jié)溫度為1100～1500℃，保溫時(shí)間為5～20min，升溫速率為100～300℃/min。
本發(fā)明的用于波阻抗梯度飛片的Ti/Al2O3復(fù)合材料，采用Jin和Paulino提出的層合板模型分析Ti/Al2O3復(fù)合材料的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題，并利用Laplace變換求得一維瞬態(tài)溫度場(chǎng)的精確解。然后利用Ti/Al2O3復(fù)合材料的組成分布公式C＝(Y/D)P結(jié)合材料的物性參數(shù)值計(jì)算出比應(yīng)力值與組成分布指數(shù)P的曲線圖，然后利用MSC.Marc有限元軟件模擬計(jì)算材料內(nèi)部熱應(yīng)力，得到最佳成分分布指數(shù)P在0.6～1.2之間，最佳層數(shù)為6～14，每層材料厚度控制在0.5～5mm之間。
利用超聲波脈沖回波法對(duì)Ti/Al2O3復(fù)合材料體系的聲學(xué)性能和彈性力學(xué)參量進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該材料的波阻抗值為21.3～35.8×109gm-2s-1，介于高波阻抗的Mo和低波阻抗的Al之間，其波阻抗分布指數(shù)在2～3之間，被靶板撞擊后初始速度小，速度峰值高，波陣面前沿的上升時(shí)間長(zhǎng)，可以獲得較好的準(zhǔn)等熵壓縮波波形。且具有優(yōu)異的性能，強(qiáng)度高、剛度好、韌性高和楊氏模量大。所制備的Ti/Al2O3復(fù)合材料與高波阻抗的Mo和低波阻抗的Al均有良好的界面焊接性，可以作為波阻抗梯度飛片中間過(guò)渡層材料。
本發(fā)明用于波阻抗梯度飛片的Ti/Al2O3復(fù)合材料，界面結(jié)合緊密，無(wú)宏觀裂紋，結(jié)構(gòu)完整，表現(xiàn)在宏觀上不均勻性和微觀上準(zhǔn)連續(xù)性的特征，致密度一般達(dá)到96.2～99.6％。由于金屬Nb的加入有效的控制了Ti和Al2O3間的界面反應(yīng)，阻礙了脆性的Ti3Al金屬間化合物的生成，從而保證了復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能。
本發(fā)明的用于波阻抗梯度飛片的Ti/Al2O3復(fù)合材料，具有界面結(jié)合緊密，結(jié)構(gòu)完整，致密度高；Ti/Al2O3復(fù)合材料的波阻抗值分布指數(shù)在2～3之間，能夠獲得較好的準(zhǔn)等熵壓縮波波形，并且具有較高的體積彈性模量和楊氏模量，能保證作為梯度飛片中間層材料所要求的力學(xué)性能，與W-Mo和Al界面結(jié)合平整，有良好的可焊接性。
本發(fā)明的制備方法，具有制備工藝簡(jiǎn)單，適合于工業(yè)化生產(chǎn)，制成品性能穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)符合梯度飛片中間層的需要。
具體實(shí)施方式
為了對(duì)本發(fā)明作全面的了解，下面對(duì)本發(fā)明的制備方法作詳細(xì)的描述。
實(shí)施例1本發(fā)明實(shí)施例的用于波阻抗梯度飛片的Ti/Al2O3復(fù)合材料，是由以下重量百分比的原料組成Ti為57.9％、α-Al2O3為40.7％、Nb為1.4％。表1為P＝0.8、11層時(shí)材料的組成分布。表中Ti和Al2O3的含量為體積百分比，以Ti和Al2O3的總體積為100％，根據(jù)Ti含量添加Nb。(下同)
將各層粉末按比例稱(chēng)量后，分別混料48小時(shí)，將各層材料經(jīng)過(guò)壓力成型，各單層壞體的厚度為1.5mm。將成型好的各單層坯體依次按含Ti的量減小的次序(含Ti量高的在底部)放入石墨模具中，然后采用放電等離子快速燒結(jié)法(Spark PlasmaSintering，簡(jiǎn)稱(chēng)SPS)制備Ti/Al2O3復(fù)合材料，燒結(jié)工藝為燒結(jié)溫度1300℃，保溫時(shí)間為10min，升溫速率為200℃/min。制得的材料致密度為98.96％，界面結(jié)合平整，無(wú)宏觀裂紋。由于金屬Nb的加入有效的控制了Ti和Al2O3間的界面反應(yīng)，阻礙了脆性的Ti3Al金屬間化合物的生成，從而保證了復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能。
利用超聲波脈沖回波法對(duì)Ti/Al2O3復(fù)合材料的聲學(xué)性能和彈性力學(xué)參量進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該材料的波阻抗值為21.3～35.8×109gm-2s-1介于高波阻抗的Mo和低波阻抗的Al之間，其波阻抗分布指數(shù)在2～3之間，被靶板撞擊后初始速度小，速度峰值高，波陣面前沿的上升時(shí)間長(zhǎng)，可以獲得較好的準(zhǔn)等熵壓縮波波形。且具有優(yōu)異的性能，強(qiáng)度(1002.02MPa)、韌性(19.73MPa·m1/2)和楊氏模量(286GPa)。所制備的Ti/Al2O3復(fù)合材料與高波阻抗的Mo和低波阻抗的Al均有良好的界面焊接性，可以作為波阻抗梯度飛片中間過(guò)渡層材料。
實(shí)施例2本發(fā)明的用于波阻抗梯度飛片的Ti/Al2O3復(fù)合材料，是由以下重量百分比的原料組成Ti為62.5％、α-Al2O3為36.2％、Nb為1.3％。表1為P＝0.6、6層時(shí)材料的組成分布。
將各層粉末按比例稱(chēng)量后，分別混料48小時(shí)，將各層材料經(jīng)過(guò)壓力成型，各單層壞體的厚度為2mm。將成型好的各單層坯體依次按含Ti的量減小的次序(含Ti量高的在底部)放入石墨模具中，然后采用放電等離子快速燒結(jié)法(Spark PlasmaSintering，簡(jiǎn)稱(chēng)SPS)制備用于波阻抗梯度飛片的Ti/Al2O3復(fù)合材料，燒結(jié)工藝為燒結(jié)溫度1200℃，保溫時(shí)間為20min，升溫速率為150℃/min。制得的材料致密度為96.8％，界面結(jié)合平整，無(wú)宏觀裂紋。
實(shí)施例3本發(fā)明的用于波阻抗梯度飛片的Ti/Al2O3復(fù)合材料，是由以下重量百分比的原料組成Ti為48.7％、α-Al2O3為50.2％、Nb為1.1％。表1為P＝1.2、14層時(shí)材料的組成分布。
將各層粉末按比例稱(chēng)量后，分別混料48小時(shí)，將各層材料經(jīng)過(guò)壓力成型，各單層壞體的厚度為1mm。將成型好的各單層坯體依次按含Ti的量減小的次序(含Ti量高的在底部)放入石墨模具中，然后采用放電等離子快速燒結(jié)法(Spark PlasmaSintering，簡(jiǎn)稱(chēng)SPS)制備Ti/Al2O3復(fù)合材料，燒結(jié)工藝為燒結(jié)溫度1400℃，保溫時(shí)間為8min，升溫速率為250℃/min。制得的材料致密度為97.6％，界面結(jié)合平整，無(wú)宏觀裂紋。
權(quán)利要求
1.一種用于波阻抗梯度飛片的Ti/Al2O3復(fù)合材料，其特征在于采用以下步驟制成按配比將各層粉末分別混料，壓力成型；將成型好的各單層坯體依次按含Ti量減小的次序放入石墨模具中，然后采用放電等離子快速燒結(jié)法制備成Ti/Al2O3復(fù)合材料；所述Ti/Al2O3復(fù)合材料的組成為T(mén)i為wt45～69％、α-Al2O3為wt30～50％、Nb為wt0.5～5％；各單層坯體的Ti含量由wt100％梯度減少至0，α-Al2O3含量由0梯度增加至wt100％，Nb含量梯度減少，其中上、下兩層的Nb含量為0。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Ti/Al2O3復(fù)合材料，其特征在于復(fù)合材料具有梯度結(jié)構(gòu)，單層坯體的數(shù)量為6～14層，單層坯體厚度為0.5～5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Ti/Al2O3復(fù)合材料，其特征在于所述的坯體成分分布指數(shù)P為0.6～1.2。
4.一種權(quán)利要求1所述的Ti/Al2O3復(fù)合材料的制備方法，其特征在于采用以下步驟(1)按配比將各層粉末分別混料，壓力成型，分別制成各單層坯體；(2)將成型好的各單層坯體依次按含Ti量減小的次序放入石墨模具中，然后采用放電等離子快速燒結(jié)法制備成Ti/Al2O3復(fù)合材料；(3)所述的放電等離子快速燒結(jié)法的燒結(jié)溫度為1100～1500℃，保溫時(shí)間為5～20min，升溫速率為100～300℃/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于波阻抗梯度飛片的Ti/Al
文檔編號(hào)B22F3/16GK1928144SQ20061006881
公開(kāi)日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月15日
發(fā)明者王志, 史國(guó)普, 許坤, 張聯(lián)盟 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)