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纳米氧化铁的制备及形貌分析

孙天昊, 郝素菊, 蒋武锋, 张玉柱

孙天昊, 郝素菊, 蒋武锋, 张玉柱. 纳米氧化铁的制备及形貌分析[J]. 粉末冶金技术, 2021, 39(1): 76-80. DOI: 10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2019080008
引用本文: 孙天昊, 郝素菊, 蒋武锋, 张玉柱. 纳米氧化铁的制备及形貌分析[J]. 粉末冶金技术, 2021, 39(1): 76-80. DOI: 10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2019080008
SUN Tian-hao, HAO Su-ju, JIANG Wu-feng, ZHANG Yu-zhu. Preparation and morphology analysis of nano-sized iron oxide[J]. Powder Metallurgy Technology, 2021, 39(1): 76-80. DOI: 10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2019080008
Citation: SUN Tian-hao, HAO Su-ju, JIANG Wu-feng, ZHANG Yu-zhu. Preparation and morphology analysis of nano-sized iron oxide[J]. Powder Metallurgy Technology, 2021, 39(1): 76-80. DOI: 10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2019080008

纳米氧化铁的制备及形貌分析

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51274084);河北省自然科学基金资助项目(E2018209323,E2017209231)
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    通讯作者:

    郝素菊: E-mail:sujuh@sina.com

  • 中图分类号: TF03

Preparation and morphology analysis of nano-sized iron oxide

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  • 摘要: 以九水硝酸铁(Fe(NO33·9H2O)为铁源,无水乙醇和乙二胺为表面活性剂,采用水热法制备了纳米氧化铁(Fe2O3纳米棒),通过扫描电子显微镜观察分析了Fe2O3纳米棒形貌,研究了(Fe(NO33·9H2O)质量分数及反应温度对Fe2O3纳米棒颗粒尺寸的影响。结果表明,纳米棒的长度和宽度分别约为500~600 nm和50~60 nm;在160~220 ℃范围内,温度对Fe2O3纳米棒形貌的影响不显著;在一定范围内提高铁源质量分数可使纳米棒颗粒尺寸变小。Fe2O3纳米棒的形成机理为:铁源在强碱性的溶液中反应生成棕黄色絮状沉淀α-FeOOH,该沉淀在高温高压的环境中,在乙二胺作用下脱水形成Fe2O3纳米棒。
    Abstract: The nano-sized iron oxide (Fe2O3 nano-rods) was prepared by hydrothermal method with Fe(NO3)3·9H2O as the iron source, using anhydrous ethanol and ethylenediamine as the surfactant. The morphology of the Fe2O3 nano-rods was observed and analyzed by scanning electron microscope, and the effects of the Fe(NO3)3·9H2O mass fraction and the reaction temperature on the particle size of Fe2O3 nano-rods were studied. The results show that, the length and width of the Fe2O3 nano-rods are about 500~600 nm and 50~60 nm, respectively. The effect of temperature on the Fe2O3 nano-rod morphology is not significant at 160~220 ℃. The increase of iron source mass fraction in a certain range decreases the particle size of Fe2O3 nano-rods. The formation mechanism of the Fe2O3 nano-rods is as follows: the iron source reacts in the strongly alkaline solution to form the brown-yellow flocculent precipitated α-FeOOH, which is dehydrated to form the Fe2O3 nano-rods under the influence of ethylenediamine in a high temperature and high pressure environment.
  • W–Cu复合材料兼具W和Cu的特性,具有高熔点、高导热、高硬度、高导电、低膨胀系数等优点,被广泛应用于电子信息、核工业、航空航天、军事国防等领域[15]。随着电子信息、航空航天及核工业等领域的快速发展,W–Cu复合材料需要应对更高的温度和温度差。航天飞机中的某些部件要承受2000 ℃的高温,同时某些部件一侧在承受高温的同时,另一侧需要液氢冷却,两侧温差达1000 ℃。由于W、Cu熔点相差大,互不相溶且不反应,热膨胀系数和杨氏模量差异较大,在高温或者温差较大的工况下,W–Cu复合材料界面热应力较大,容易产生裂纹,导致材料失效。

    W–Cu梯度复合材料一侧由Cu含量高的W–Cu复合材料(或纯Cu)构成,另一侧由W含量高的W–Cu复合材料(或纯W)构成,中间设置梯度变化的W–Cu层。W–Cu梯度复合材料既保持了W、Cu单一材料的优点,且成分的连续变化使界面结合良好,材料整体力学性能得到提高,实现对热应力的缓冲。目前常用的制备方法有熔渗法、化学气相沉积法、等离子喷涂法、热压烧结、微波烧结等[68]。但诸多方法有各自的优缺点,常规的梯度W骨架渗铜工艺易在组织内形成闭孔,等离子喷涂法制备的W–Cu复合材料结合强度低,且容易剥落。放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)将等离子活化、热压、电阻加热相结合,具有烧结迅速、晶粒细小均匀、产品相对密度高等优势,烧结时间更短,烧结温度较热压烧结可降低200~300 ℃。采用放电等离子烧结工艺制备W–Cu梯度材料时,烧结速度快,可以保持原始的梯度成分设计。放电等离子烧结的温度低于铜的熔点,放电活化可以使铜层表面熔化,实现粉体的烧结致密化。这样可以保持原始的梯度成分设计,防止大粒径铜粉处于熔融状态而使梯度成分发生扩散。诸多研究者采用放电等离子烧结制备W–Cu梯度复合材料[914]。卢尚智等[3]通过化学共沉淀和放电等离子烧结制备了W–Cu纳米复合块体材料,通过添加微量Ni粉(质量分数0.5%)使复合材料分布均匀,相对密度达到97.7%。Chaubey等[9]通过放电等离子烧结制备了七层的W–Cu梯度复合材料,复合材料界面结合良好,制备的样品表现出优异的力学和物理性能。

    为满足电子信息技术、机械工程等行业发展升级的需要,本文设计制备了不同W、Cu成分梯度复合材料,研究了复合材料的显微组织、界面特征、物理性能、力学性能及抗热震性能等,分析了烧结温度对复合材料组织性能的影响,对提升我国军事和航空航天领域的材料开发能力具有重要意义。

    实验用W粉和Cu粉均采购于南宫市锐腾合金有限公司,其中W粉粒度为50 μm,Cu粉为气雾化制粉和电解铜粉,气雾化制粉的粒度为100 μm,电解铜粉的粒度为10 μm。W–Cu粉末成分如表1所示,其中100 μm粒度Cu粉和10 μm粒度Cu粉的比例为3:1。混粉转速为200 r·min−1,时间为12 h。W–Cu梯度复合材料制备流程如图1所示,将混合后的W–Cu粉末按不同梯度放置于石墨模具,再通过SPS–30放电等离子烧结机烧结得到W–Cu梯度复合材料。放电等离子烧结温度分别为800 ℃、900 ℃,烧结压力30 MPa,保温时间5 min,烧结后样品直径为30 mm。

    表  1  W–Cu梯度复合材料各层成分配比
    Table  1.  Composition ratio of each layer of W–Cu graded composites
    梯度层W体积分数 / %W质量分数 / %Cu体积分数 / %Cu质量分数 / %
    W–80Cu2035.28064.8
    W–60Cu4055.06045.0
    W–40Cu6076.54023.5
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    图  1  W–Cu梯度复合材料制备示意图
    Figure  1.  Schematic diagram of the W–Cu graded composite preparation

    采用ZEISS SIGMA 300扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)观察W粉、Cu粉以及混合后W–Cu粉的显微形貌。线切割W–Cu梯度复合材料金相试样,经砂纸(400目、1000目、2000目)打磨后用金刚石悬浮抛光液(3 μm、1 μm)抛光,经无水乙醇冲洗吹干后,在扫描电镜下观察微观组织。复合材料的密度通过阿基米德法计算,复合材料的理论密度通过复合材料的混合定律计算。复合材料的显微硬度使用HV-1000维氏显微硬度计测量,压头载荷为500 g,保压时间10 s,每个样品测10个点,取平均值。复合材料的力学性能通过压缩实验进行测试,压缩试样的尺寸按照国标GB–T7314进行切样,在DNS2000型拉伸压缩实验机上测试复合材料的压缩强度,压缩速率为2 mm·min−1。通过PPMS-9测量系统对样品热导率进行测试,试样直径为3 mm,高度为5 mm。复合材料的抗热震性能通过水淬法测试,将试样置入热处理炉中,800 ℃保温0.5 h后淬火,重复5次。淬火后的样品经打磨抛光,在金相显微镜下观察复合材料的宏观形貌和界面组织变化。

    图2为原始Cu粉、W粉的扫描电子显微形貌。从图2可以看出,粒度100 μm的Cu粉形貌为球形,粒度10 μm的Cu粉为不规则形貌,粒度50 μm的W粉为规则的多边形。图3为混合后W–Cu粉的扫描电子显微形貌,如图3所示,经过混合后的W–Cu粉混合均匀,小粒径的铜粉包覆于大粒径Cu粉和W粉表面,部分W颗粒未被分散均匀。小粒径的铜粉可以更好填充于W粉、Cu粉的间隙中,在放电等离子烧结过程中,细小的铜粉熔融,充当了复合材料中连接剂。

    图  2  原始Cu粉和W粉扫描电子显微形貌:(a)100 μm的Cu粉;(b)10 μm的Cu粉;(3)W粉
    Figure  2.  SEM images of the primary Cu powders and W powders: (a) 100 μm Cu powders; (b) 10 μm Cu powders; (3) W powders
    图  3  混合后W–Cu粉的扫描电子显微形貌:(a)W–80Cu;(b)W–60Cu;(c)W–40Cu
    Figure  3.  SEM images of the mixed W–Cu powders: (a) W–80Cu; (b) W–60Cu; (c) W–40Cu

    图4为800 ℃、900 ℃下烧结制备三层W–Cu梯度复合材料的扫描电子显微形貌。图4中白色的组织为W颗粒,黑色的组织为Cu颗粒。W–Cu梯度复合材料形成了均匀的梯度层,每层中的W、Cu分布均匀,W颗粒均匀分布于Cu颗粒周围。图4(g)和图4(h)中的虚线为界面分界线,梯度层界面处无间隙及裂纹,梯度层结合紧密。在相同烧结温度下,W–80Cu梯度层的孔隙最少,W–40Cu梯度层孔隙最多。这主要是由于Cu含量的升高使复合材料烧结更致密,孔隙变少。由图4对比可知,成分相同的复合材料经900 ℃烧结后梯度层中孔隙更少。这是由于温度升高后,更多的Cu粉表面处于熔融状态,可以更好的填充于粉末之间的孔隙,使复合材料的相对密度升高。图5为900 ℃烧结W–60Cu复合材料能谱分析(energy disperse spectroscope,EDS)以及不同烧结温度界面层的显微形貌。由图5(a)和图5(b)知,细小的Cu粉填充了W粉的孔隙,充当了复合材料中连接剂,使复合材料的相对密度升高。未被分散均匀的W粉,在W粉和W粉连接处容易形成闭孔。由图5(c)和图5(d)知,在烧结过程中,W、Cu之间未发生元素扩散。

    图  4  不同烧结温度制备的W–Cu梯度复合材料微观形貌:(a)W–80Cu,800 ℃;(b)W–60Cu,800 ℃;(c)W–40Cu,800 ℃;(d)W–80Cu,900 ℃;(e)W–60Cu,900 ℃;(f)W–40Cu,900 ℃;(g)W–80Cu/W–60Cu,900 ℃;(h)W–60Cu/W–40Cu,900 ℃
    Figure  4.  SEM images of the W–Cu graded composites prepared at different sintering temperatures: (a) W–80Cu, 800 ℃; (b) W–60Cu, 800 ℃; (c) W–40Cu, 800 ℃; (d) W–80Cu, 900 ℃; (e) W–60Cu, 900 ℃; (f) W–40Cu, 900 ℃; (g) W–80Cu/W–60Cu, 900 ℃; (h) W–60Cu/W–40Cu, 900 ℃
    图  5  不同烧结温度制备的W–60Cu梯度复合材料界面层微观形貌:(a)W–60Cu,900 ℃;(b)图(a)能谱分析;(c)900 ℃;(d)800 ℃
    Figure  5.  SEM images of the W–60Cu interface layers: (a) W–60Cu, 900 ℃; (b) EDS analysis of Fig.5(a); (c) 800 ℃; (d) 900 ℃

    图6为W–Cu梯度复合材料的相对密度。由6图可知,800 ℃和900 ℃烧结制备的梯度复合材料相对密度分别为85%、95%。本实验选取800 ℃、900 ℃两个烧结温度,是由于放电等离子烧结的特性,在此烧结温度下Cu粉会出现表面熔融的状态,在烧结过程中主要依靠此Cu粉的部分熔融实现W颗粒的重排。在实验设计中添加了小粒径的Cu粉,在混粉后粘附于大颗粒Cu粉和W粉周围,在烧结过程小粒径的Cu粉表面熔融,实现W–Cu梯度复合材料的烧结致密。由图4知,在两种烧结温度下,随着Cu含量的增加,气孔明显减少,表明Cu可以实现W颗粒的重排及烧结致密化。800 ℃烧结时相对密度较低,主要由于温度低时,W、Cu之间的润湿性低且Cu未出现大量液相,且流动性较差,导致Cu未充分填充W–W晶粒间的孔隙,使复合材料烧结不够致密。与之相反,烧结温度升高时,Cu的粘度降低,局部的流动性升高,烧结过程更快地填充了W–Cu之间的空隙,降低了W粉之间接触的机会,使W、Cu颗粒的重排得以充分进行,提高致密化速度[1517]

    图  6  W–Cu梯度复合材料的相对密度
    Figure  6.  Relative Density of W–Cu graded composites

    图7为W–Cu梯度复合材料的压缩应力–应变曲线,图8为W–Cu梯度复合材料各梯度层的显微硬度。由图7可知,W–Cu梯度复合材料的压缩曲线分为五个阶段:弹性阶段、屈服阶段、W–40Cu断裂阶段、W–60Cu断裂阶段、W–80Cu压缩阶段。在800 ℃和900 ℃烧结时,复合材料的压缩屈服强度分别为208 MPa和332 MPa。由于烧结温度远低于W的熔化温度,复合材料的连接主要由Cu的熔融实现。由于W的硬度远大于Cu,塑性弱于Cu,当受力达到一定值时,W含量高的梯度层更容易断裂,而Cu含量更高的梯度层屈服强度更好。因此,W–Cu梯度复合材料中的W–40Cu层最先断裂,W–60Cu层次之,而含铜量高的W–80Cu层具有较好的塑性。由图8可知,900 ℃烧结制备的复合材料强度显著高于800 ℃,这主要是由于900 ℃烧结时,复合材料的相对密度更高,孔隙更少,复合材料强度更高。由图8可知,W–40Cu层的显微硬度最高,W–80Cu的显微硬度最低。当烧结温度为900 ℃,各梯度层的显微硬度最高分别为HV 85、HV 106、HV 136。这主要是由于W、Cu之间的硬度差异所导致,虽然W–40Cu层的孔隙较多,但是更高的W含量使其具有更高的硬度和更低的塑形。

    图  7  W–Cu梯度复合材料的压缩应力–应变曲线
    Figure  7.  Compressive stress–strain curves of the W–Cu graded composites
    图  8  W–Cu梯度复合材料的显微硬度
    Figure  8.  Microhardness of the W–Cu graded composites

    800 ℃和900 ℃烧结制备的W–Cu梯度复合材料热导率分别为158 W·m−1·K−1、202 W·m−1·K−1。900 ℃烧结制备的W–Cu梯度复合材料的热导率更优异,导致该现象的因素主要有两个[1821]。一是复合材料的相对密度,复合材料的相对密度越高,孔隙率越低,材料的导热性能越好;二是Cu在复合材料中的分布状态,Cu在W中形成连续网状结构,可以为复合材料提供良好的导热通道,提升复合材料的导热性能。通过前面对W–Cu复合材料的致密化和显微组织分析可以得知,800 ℃烧结的复合材料相对密度较差,孔洞较多。虽然复合材料中Cu形成了较为理想的网络结构,但热导率依然比较低。

    图9为800 ℃、900 ℃烧结制备的W–Cu梯度复合材料经热震后的宏观形貌和金相组织。由图9可以看到,复合材料未出现开裂,界面处未发现裂纹。这是因为W–Cu梯度复合材料各个梯度层中形成理想的Cu网格结构,并贯穿其中,材料界面处结合强度高,加之Cu的塑性较好,微裂纹萌生发展难以进行,因此,梯度层之间无裂纹萌生,抗热震性较好。在热震测试后W–40Cu层产生了较多孔隙,这主要是由于W、Cu热膨胀系数差别大,热震后部分W颗粒发生剥落所致。

    图  9  W–Cu梯度复合材料热震金相组织:(a)W–40Cu/W–60Cu,800 ℃;(b)W–60Cu/W–80Cu,800 ℃;(c)W–40Cu/W–60Cu,900 ℃;(d)W–60Cu/W–80Cu,900 ℃
    Figure  9.  Metallographic images of the W–Cu graded composites after thermal shock: (a) W–40Cu/W–60Cu, 800 ℃; (b) W–60Cu/W–80Cu, 800 ℃; (c) W–40Cu/W–60Cu, 900 ℃; (d) W–60Cu/W–80Cu, 900 ℃

    (1)900 ℃烧结制备的W–Cu梯度复合材料既保证了材料的相对密度,同时也保持了单层的原始设计成分。每个梯度层中W、Cu分布较均匀,小尺寸的铜粉填充了W粉中的孔隙,复合材料界面结合良好,W、Cu之间未发生扩散。

    (2)W–Cu梯度复合材料的力学性能呈梯度分布,W–40Cu层的显微硬度最高,为HV 136。在压缩过程中,W–40Cu优先发生断裂,W–Cu梯度复合材料的最高压缩屈服强度为332 MPa。

    (3)900 ℃烧结制备的W–Cu梯度复合材料的热导率为202 W·m−1·K−1,复合材料获得了较好的导热性能。W–Cu梯度复合材料经抗热震实验后,材料内部无开裂,界面处无裂纹,具有良好的抗热震性能。

  • 图  1   纳米氧化铁显微形貌:(a)颗粒形状;(b)断面形貌

    Figure  1.   SEM images of the nano-rod iron oxide: (a) particle images; (b) fracture images

    图  2   采用不同质量Fe(NO3)3·9H2O制备出的纳米氧化铁样品显微形貌:(a)2 g;(b)3 g;(c)4 g;(d)5 g

    Figure  2.   SEM images of the nano-rod iron oxide samples with different Fe(NO3)3·9H2O addition: (a) 2 g; (b) 3 g; (c) 4 g; (d) 5 g

    图  3   在不同反应温度下制备的纳米氧化铁样品显微形貌:(a)160 ℃;(b)180 ℃;(c)200 ℃;(d)220 ℃

    Figure  3.   SEM images of the nano-rod iron oxide samples at different temperatures: (a) 160 ℃; (b) 180 ℃; (c) 200 ℃; (d) 220 ℃

    图  4   纳米氧化铁样品的X射线衍射谱

    Figure  4.   XRD patterns of the nano-rod iron oxide samples

    图  5   不同温度下制取纳米氧化铁样品的X射线衍射图谱

    Figure  5.   XRD patterns of the nano-rod iron oxide samples prepared at different temperatures

    图  6   不添加乙二胺所制备纳米氧化铁样品显微形貌

    Figure  6.   SEM images of the nano-sized iron oxide samples without ethylenediamine

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-08-15
  • 刊出日期:  2021-02-25

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