【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 材料作為研究對(duì)象，它們是由地球上資源壽命極長(zhǎng)的Fe、Si元素組成，資源貯藏豐富、可循環(huán)利用率高、廢棄物無毒無害、對(duì)環(huán)境無污染等，是當(dāng)今社會(huì)大力提倡的環(huán)境友好材料。FeSi化合物在相圖的富金屬相上有著很有前景的應(yīng)用，可以用在電子學(xué)，熱電，光電和磁學(xué)等領(lǐng)域，因此FeSi化合物被認(rèn)為是在熱穩(wěn)定接觸，太陽能電池器件，基于冷光的光源，溫差發(fā)生器，基于磁阻的開關(guān)器件和自旋電子學(xué)等方面有著廣泛應(yīng)用的功能材料。這類材料的制備技術(shù)是環(huán)境友好的制備技術(shù)，而且有著卓越的穩(wěn)定性。Fe3Si作為硅系金屬間化合物中的一種，不僅表現(xiàn)出金屬硅化物的種種優(yōu)點(diǎn)并且兼具硅化物的某些特長(zhǎng)，如:耐高溫、抗腐蝕、抗氧化等，同時(shí)具有優(yōu)異的軟磁性能，有希望替代普通硅鋼片，特別是在高頻信息領(lǐng)域方面體現(xiàn)的尤為突出，而且還可廣泛用作音頻和視頻磁頭材料以及卡片閱讀器用磁頭材料[15]。理論計(jì)算表明DO3類型的Fe3Si合金在費(fèi)米面附近的電子是高度自旋極化的，可以制造自旋電子器件，提高集成電路的性能；利用Fe3Si合金的磁學(xué)方面的性質(zhì)可以制成磁性隧道結(jié)，磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器等。林均品等人用傳統(tǒng)的鍛造和軋制工藝成功制得良好的Fe3Si基合金薄板。由于Fe3Si合金具有極好的抗氧化、抗腐蝕性能，使其具有很大的商業(yè)價(jià)值。此外，此外其還具有制備成本低廉、制備方法簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。另外，F(xiàn)e3Si由于具有良好的耐磨性而能夠開發(fā)出一種優(yōu)質(zhì)的耐磨材料。從已有的研究成果中發(fā)現(xiàn)，熱壓燒結(jié)法制備的Fe3Si塊體具有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)()和低的磨損率，可考慮將Fe3Si作為水輪機(jī)的某些耐磨結(jié)構(gòu)器件。再者其還具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，是一種有特殊性質(zhì)的導(dǎo)體，有可能成為新型的電阻材料[3]。當(dāng)前Fe3Si合金的制備工藝共分為兩大類：一類是尋求合金的韌化，利用軋制工藝制備薄板；另一類利用新技術(shù)，避開合金的脆性，包括快速凝固工藝、薄膜生產(chǎn)工藝、CVD工藝、機(jī)械合金化工藝、熱壓燒結(jié)工藝等，來制備Fe3Si合金。另一方面增大元素的擴(kuò)散系數(shù)，使Fe、Si充分發(fā)生固態(tài)反應(yīng)，生成FeSi金屬間化合物。本課題就是探索利用這種方法得到最佳制備條件，因此用這樣的方法處理對(duì)于得到Fe3Si合金有著重要的意義。 研究?jī)?nèi)容本文選擇金屬間化合物Fe3Si作為研究對(duì)象，對(duì)按原子配比為Fe：Si=3：1的Fe和Si的混合粉末進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)工藝處理，使用XRD，SEM等手段對(duì)制備過程中物相的變化，晶體的結(jié)構(gòu)，表面形貌，顆粒度大小等性質(zhì)進(jìn)行分析，從而得到金屬間化合物Fe3Si的最佳制備條件和相應(yīng)的工藝參數(shù)。采用行星式球磨機(jī)對(duì)原子配比為Fe:Si=3:1的Fe、Si混合粉末進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)工藝處理，分析制備過程中各因素(如：燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間等)對(duì)制備Fe3Si化合物的影響，使用XRD，SEM等測(cè)試技術(shù)對(duì)樣品的物相成分，晶體結(jié)構(gòu)，形貌變化以及晶粒尺寸等進(jìn)行分析。試圖直接通過對(duì)Fe、Si混合粉末進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)工藝制備得到Fe3Si金屬間化合物。最終得到制備結(jié)構(gòu)和性能均優(yōu)良的Fe3Si金屬間化合物塊體材料的工藝條件和工藝參數(shù)。第二章 樣品制備 儀器設(shè)備 研究中所用到到儀器設(shè)備的名稱、。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其作用設(shè)備名稱型號(hào)作用變頻行星式球磨機(jī)XQM4L球磨制粉，機(jī)械合金化工藝掃描電鏡(SEM)S4300觀察粉末試樣的形貌顯微結(jié)構(gòu)X射線衍射儀(XRD)D8 Super Speed 確定物相，估算晶粒尺寸真空熱壓高溫?zé)Y(jié)爐中科院沈科儀定做球磨試樣燒結(jié)成型真空手套箱中科院沈科儀定做球磨制粉過程中通氬氣精密電子天平奧豪斯CP213稱粉，配料維氏硬度測(cè)試儀HVS5A1測(cè)試材料的硬度石墨模具G530/535/540上海碳素粉末熱壓成型 行星式球磨機(jī)研究中所用的高能行星式球磨機(jī)是：XQM4L型變頻行星式球磨機(jī)，球磨罐、球均為不銹鋼材料所制。 高能行星式球磨機(jī)、不銹鋼真空球磨罐以及不銹鋼球行星式球磨機(jī)的工作原理，[16]。四個(gè)球磨罐被對(duì)稱地裝在主軸支撐盤上，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸支撐盤公轉(zhuǎn)的同時(shí)主軸又通過齒帶帶動(dòng)球磨罐向反方向自轉(zhuǎn)。行星式高能球磨機(jī)中的磨球不僅具有非常高撞擊力與撞擊頻率,同時(shí)在筒底上作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)粉體的強(qiáng)烈碾壓與搓擦作用,從而使得內(nèi)部的粉料能在較短的時(shí)間里被研磨到納米級(jí)。這樣一來粉體材料的許多物理性能和化學(xué)性能都發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變。固態(tài)反應(yīng)的熱力學(xué)以及動(dòng)力學(xué)條件均不同于常規(guī)條件下的表現(xiàn),從而常規(guī)條件下不能進(jìn)行的一些固態(tài)反應(yīng),而在高能球磨的條件下卻能順利實(shí)現(xiàn),這是MA的重要特征。 行星式球磨機(jī)工作原理圖 熱壓燒結(jié)爐 本文中使用的立柱式真空熱壓燒結(jié)爐是由：中科院沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司研制。最高溫度可以達(dá)到1600 ℃，極限真空可達(dá)104 Pa，也可以在通入惰性氣體（如：氬氣等）保護(hù)下進(jìn)行熱壓燒結(jié)處理。 真空熱壓燒結(jié)爐 原材料 機(jī)械合金化實(shí)驗(yàn)采用北京浩運(yùn)工貿(mào)公司提供的Fe粉，Si粉。 實(shí)驗(yàn)原料的性質(zhì)原料純度(wt.％)粒度(目)其他主要化學(xué)成分密度(g/cm3)FeSi≥≥325300Si,C,Mn,S,P, O等Fe,Cr,Ni,Mg,Ca,Ti,Zn,V等 工藝設(shè)計(jì)同課題組的碩士研究生陳站，以前做的先機(jī)械合金化然后通過真空熱呀燒結(jié)工藝得到純凈的Fe3Si合金化合物。我選擇了其中組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。圖為球料比為20：1，轉(zhuǎn)數(shù)為360 r/min，球磨時(shí)間為55 h，燒結(jié)時(shí)間為1 h，不同溫度條件下XRD圖譜。從圖中可以得到，經(jīng)過球磨后的粉末經(jīng)過熱壓燒結(jié)800 ℃，1 h就能得到很純凈的Fe3Si合金化合物。這說明了，通過球磨以后熱壓燒結(jié)條件比較底的情況下就能得到很好的Fe3Si合金化合物；然而先通過機(jī)械合金化，這樣耗費(fèi)的時(shí)間比較多，所以我們考慮不通過球磨，直接用Fe、Si混合粉末通過真空熱壓燒結(jié)工藝的制備Fe3Si化合物，從而得到實(shí)驗(yàn)室制備Fe3Si更優(yōu)的條件。圖 不同燒結(jié)溫度，1 h，22 Mpa條件下樣品的XRD圖為了鐵粉與硅粉能充分混合均勻，熱壓燒結(jié)所用的Fe、Si混合粉末均按原子配比為Fe：Si=3：1，球料比為 10：1，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為250 r/min，球磨混合時(shí)間為10min制備的。、。 熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)溫度/（℃）預(yù)壓壓力/（Mpa）時(shí)間/（h）熱壓壓力//（Mpa）9509221000922105042211002230表 二次退火溫度/（℃）時(shí)間/（h）退火溫度/（℃）退火時(shí)間/（h）退火壓力/（Mpa）950910002010009100020 工藝流程圖 原子配比為Fe：Si=3：1混合粉末粉使用球磨機(jī)將粉末混合均勻熱壓燒結(jié)工藝(變化時(shí)間、溫度等)對(duì)樣品進(jìn)行XRD、SEM測(cè)試分析得到實(shí)驗(yàn)室制備Fe3Si的最佳工藝條件 樣品的制備 配料 本次實(shí)驗(yàn)采用純度高于98%%Si粉作為原材料。按原子比例Fe:Si=3:1進(jìn)行成分配料。按球料比為10：1，用電子天平稱取相應(yīng)的Fe粉和Si粉的放入球磨罐中。 熱壓燒結(jié)粉末的制備 將混合粉末及不銹鋼球裝入可密封的不銹鋼球磨罐里（磨料比為10：1），然后在真空操手套箱里進(jìn)行抽真空并填充上充氬氣進(jìn)行保護(hù)，以防在球磨過程中氧化。隨后在XQM變頻行星式球磨機(jī)上進(jìn)行球磨（轉(zhuǎn)速為200 R/min，球磨時(shí)間為10 min）。使Fe粉和Si粉混合均勻。圖 Fe、Si混合粉末XRD圖 為Fe、Si進(jìn)過球磨機(jī)混合后粉末的XRD圖，可以用來判斷樣品中的Fe、Si單質(zhì)相的衍射峰偏移量。圖中有少許FeO的存在，可能是因?yàn)樵谌〕龇勰┰谒腿y(cè)試的途中與空氣接觸引起的氧化所造成。 塊體的制備 取一定質(zhì)量（大約6 g）的Fe、Si混合粉末，均勻平鋪在Φ30 mm20 mm的石墨加熱模具容器中，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)處理。實(shí)際的燒結(jié)過程，溫度逐漸升高達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，然后保溫一定時(shí)間，最后自然冷卻至室溫。大致可以把燒結(jié)分成四個(gè)溫度階段：即低溫預(yù)燒階段、中溫升溫?zé)Y(jié)階段、高溫保溫完成燒結(jié)階段、降溫階段。（拿燒結(jié)溫度為1000 ℃，時(shí)間為2 h為例。）通常情況下提高燒結(jié)溫度、延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間，都能使燒結(jié)體的性能有所提高，但是過高溫度，過長(zhǎng)時(shí)間會(huì)使晶粒長(zhǎng)大甚至發(fā)生再結(jié)晶，這樣會(huì)給材料的性能帶來不利影響。為了研究燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間對(duì)FeSi混合粉末性能的影響，獲得較為理想的燒結(jié)工藝參數(shù)，根據(jù)Fe3Si化合物熔點(diǎn)(1120 ℃)和燒結(jié)溫度的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（，選擇1000 ℃，2 h為例）。其中黑色曲線代表理論的溫度控制曲線，紅色曲線代表實(shí)際的溫度控制曲線。在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)際溫度與理論溫度之間的差異不大于5 ℃（除降溫階段），理論設(shè)定的溫度控制程序跟實(shí)際過程中溫度控制曲線是基本吻合的。升溫速率約為10 ℃/min， ℃/min。 熱壓燒結(jié)工藝溫度控制曲線 試樣的檢測(cè) X射線衍射（1）X射線衍射的應(yīng)用XRD即X射線衍射儀可以做定性、定量分析。即可以分析合金物里面的相的成分以及它的含量，可以測(cè)定晶格參數(shù)、可以測(cè)定結(jié)構(gòu)方向、含量，還能測(cè)定材料的內(nèi)應(yīng)力，材料晶體的大小等。一般主要是用來分析合金物里面的相的成分和含量，其廣泛應(yīng)用于材料生產(chǎn)、冶金、石化、航天航空、教學(xué)科研等領(lǐng)域。在本次實(shí)驗(yàn)中，用其來確定FeSi燒結(jié)產(chǎn)物的物相組成。從而分析出不同參數(shù)、條件下，對(duì)FeSi混合粉末熱壓燒結(jié)后生成物相的影響。（2）X射線衍射的工作原理X射線是原子內(nèi)層電子在高速運(yùn)動(dòng)電子的轟擊下，躍遷而產(chǎn)生的光輻射。主要有連續(xù)X射線和特征X射線兩種。晶體可被用作X光的光柵，這些很大數(shù)目的原子或離子、分子所產(chǎn)生的相干散射將會(huì)發(fā)生光的干涉作用，從而影響散射的X射線它們的強(qiáng)度增強(qiáng)或者減弱。由于大量原子散射波的疊加，互相干涉而產(chǎn)生最大強(qiáng)度的光束稱為X射線的衍射線。滿足衍射條件，可應(yīng)用布拉格公式： 。圖 X射線工作原理 應(yīng)用已知波長(zhǎng)的X射線來測(cè)量θ角（如圖 ），然而計(jì)算出晶面間距d，然后根據(jù)晶面間距d確定衍射面指數(shù)，最后由