放电等离子法范文

放电等离子法范文（精选7篇）

放电等离子法 第1篇

1 材料与方法

1.1 试验材料

从经济性和实用性出发, 试验材料选用了Ni基自熔合金粉末Ni60, 其原始形态和成分分别见图1、表1。基体材料选用Φ15 mm×5 mm的45钢, 表面打磨去除锈迹、油迹后用酒精清洗干净。

1.2 试验方法及工艺

将Φ15 mm×5 mm的45钢和一定量的粉体置于内径为16 mm的石墨模具中, 如图2所示。在一定的压力和温度下预压后置于SPS-1030型放电等离子烧结炉内烧结一定时间。采用阿基米德排水法测密度;用HRD-150型洛氏硬度计测试硬度, 取3点平均值;将烧结后试样沿纵截面切开, 经抛光腐蚀后用分别采用PME3-323UN型光学显微镜和TM-1000型扫描电镜 (SEM) 观察金相和显微组织。采用CMT4204型万能试验机测量叶轮基体与涂层的连接强度, MM-200型磨粒磨损试验机测定叶轮与涂层的体积磨损量。

注:粒度为-140~325目。

在前期研究的结果[13,14]的基础之上, 采用65 MPa的压力、80℃/min的加热速率加热到870℃, 保温15 min, 烧结工艺见图3。试样随炉冷却后测量连接性能。

2 结果与分析

2.1 叶轮基体与合金的连接

图4为利用SPS技术制备的45钢和涂层界面的金相显微组织图 (左) 和扫描电镜图 (右) 。

由图4可知, 整个涂层未发生整体变形, 2层之间的相界面、层内部的表面均未发生有裂纹和大的孔洞等宏观缺陷, 连接处存在一定的微小孔洞, 2层在宏观上无明显突变, 界面结合紧密, 存在明显白亮带;右图扫描电镜图可以看出, Ni60自熔合金层与过渡层间、过渡层间与45钢层间界面结合良好, 在界面上没有发生裂纹。利用万能试验机测量与涂层的连接强度700 MPa, 高于45钢基体的抗拉强度600 MPa。

2.2 硬度与密度

采用相同制备工艺SPS烧制Ni60合金块体, 用阿基米德排水法测得密度为7.71 g/cm3;用HRD-150型洛氏硬度计测试硬度, 取3点平均值, 合金的硬度为65.05 HRC。而45钢调质处理后密度为7.85 g/cm3, 表面硬度34~38 HRC。

由此可知, 采用SPS技术在叶轮基体上制备的Ni基涂层, 表面密度降低了0.14 g/cm3, 而在前期研究结果可知[13,14], 在Ni合金粉末中加入WC颗粒后, 涂层硬度和密度可以分别提高至70.19 HRC和9.786 g/cm-3;叶轮表面硬度由基体34~38 HRC提高至65.05 HRC, 这说明SPS技术在叶轮表面制备的Ni60合金涂层可以提高叶轮基体材料抗汽蚀的表面硬度, 增加水泵叶轮片表面的抗汽蚀、耐磨性。此性能可以增加叶轮在汽蚀条件下的寿命。

2.3 磨损率

提高叶轮的抗汽蚀能力的方法有很多种, 如提高叶轮的制造工艺、合理选择材质、在叶轮表面加工涂层及对被腐蚀表面进行补焊等[12]。材料的耐磨性是材料抵抗磨损的能力, 2个相互接触并有相对运动的物体, 其表面不断受到机械磨损, 从而使零件或工具的工作效率、准确度降低, 叶轮的耐磨性可以有效提高叶轮在汽蚀条件下的寿命。

试验采用的摩擦磨损试验机, 试验载荷为200 N, 滚轮转速为200 r/min, 磨损时间为1 h, 试验环境为 (23±5) ℃, 用精度为0.1 mg的分析天平称量磨损前后试样的重量。

试验标准以体积磨损来表示磨损率, 体积磨损V (cm3) 可用以下公式表示:

式 (1) 中:m1为试验前试样的质量 (g) ;m2为试验后试样的质量 (g) ;ρ为试样在23℃时的密度 (g/cm3) 。

叶轮涂层及45钢基体磨损1 h后的体积磨损率分别为5.43×10-2、1.09×10-1cm3/h。由此可知, 用SPS技术在叶轮表面制备Ni60涂层后, 磨损率降低了5.47×10-2cm3/h, 提高了叶轮表面的耐磨性, 可以提高水泵叶轮在汽蚀条件下的寿命。

试验结果表明, 通过SPS技术在钢制叶轮基体上制备的Ni基涂层与基体连接良好, 界面上没有发生裂纹, 涂层与基体的连接强度大于45钢基体本身的抗拉强度。Ni基合金涂层的密度与基体相当, 硬度达到65.05 HRC且大于基体45钢的34~38 HRC。Ni基合金涂层的磨损率为5.43×10-2cm3/h, 低于叶轮45钢基体的1.09×10-1cm3/h。综上所述, 利用SPS烧结技术在钢质叶轮基体上制备的镍基涂层材料, 对于致力于提高水泵叶轮寿命的企业有一定的借鉴作用, 同时对于工业生产中一些易磨损零件的修复提供借鉴和指导意义, 提高易磨损零件寿命, 降低了生产成本。

3 结论与讨论

水泵工作时汽蚀主要对叶片的正面、背面、前盖板内表面或轮毂处等部位产生损害。水泵叶轮主要有闭式、半开式、开式三大形式[15], SPS结合流动温压技术在制备开式、半开式、水泵盖板及轮毂表面涂层具有可行性。现阶段只能对闭式叶轮的表面进行涂层加工, 对盲孔及较深的孔无法进行涂层的加工, 这需要与模具及闭式叶轮的制备工艺相结合, 通过增加SPS石墨模具的复杂程度或对闭式叶轮进行分体制备、安装来完成涂层的制备。

后期的研究可以通过利用SPS技术在钢质叶轮表面制备Ni合金涂层, 在相同的汽蚀条件下工作相同的时间后, 与普通钢质叶轮比较两者的工作效率和叶轮表面腐蚀程度, 从而进一步来证明SPS法制备的Ni基合金涂层对水泵叶轮的有效保护作用。

摘要：利用放电等离子烧结 (SPS) 技术在水泵叶轮 (45钢) 基体上制备了Ni基合金涂层, 以增加水泵叶轮片表面的抗汽蚀及耐磨性。分析测试了涂层及界面的组织和性能, 并与基体比较, 结果表明:涂层与基体钢连接良好, 抗拉强度为700 MPa;涂层表面硬度和体积磨损率分别为64.32 HRC和5.43×10-2cm3/h, 而基体45钢分别为3438 HRC和1.09×10-1cm3/h;涂层密度为7.75 g/cm3, 与基体相当;叶轮的表面物理性能得到提高。

放电等离子法 第2篇

氧化铝透明陶瓷具有优良的力学性能以及在可见光和红外波长范围内优异的光学性能,被认为是一种非常重要的光学材料。由Rayleigh-Gans-Derbye理论的光学散射模型可知,陶瓷的散射源(如晶粒尺寸、孔隙以及晶界)是决定其光学性能的重要因素[1,2],因此,高透过性且具有优良力学性能的氧化铝必须同时满足2个微结构条件,即非常低的孔隙率(<0.05%)和小的晶粒尺寸(<1μm)。

制备高致密的细晶氧化铝陶瓷通常采用热压(HP)或热等静压(HIP)等压力辅助烧结技术。Krell等[1,2]通过热等静压在低温(1200～1300℃)成功地制备了直线透过率为50%～70%的透明氧化铝陶瓷。与HP和HIP相比,放电等离子烧结(SPS)技术具有在较低温度下短时间内制备高致密陶瓷材料的特点,因此是一种制备透明氧化铝陶瓷很有发展前景的烧结工艺。目前已报道的通过SPS制备的透明陶瓷有MgO[3]、YAG[4]、ZrO2[5]、MgAl2O4[6]和Al2O3[7,8]。

本实验通过SPS制备了高直线透过率的透明氧化铝陶瓷,研究了其光学性能,并探讨了样品在石墨模具中不同位置对其光学性能的影响。

1 实验

1.1 试样制备

以日本住友化学公司生产的纯度大于99.99%的α-Al2O3粉末为原料。将原始粉体直接置于石墨模具内,放入SPS装置(Sinter 2050, Sumitomo Coal Mining Company Ltd., Japan)的真空室中(4～6Pa),首先在3min内由室温升温到600℃,再继续在7min内升温到1300℃,然后在1min内升到最终烧结温度1350℃,保温5min。加压方法同文献[6],即采用两步加压法进行加压,保持20MPa的轴向压力直到温度到达1300℃,然后轴向压力在1min内增加到100MPa,并保持压力不变直到整个烧结过程结束,即样品在100MPa轴向压力作用于1350℃烧结5min。本实验主要研究SPS过程中样品在模具中的位置对其光学性能的影响,实验过程中样品在模具中的放置位置如图1所示。

1.2 直线透过率测试与微结构分析

采用金刚石研磨膏将所制备的透明氧化铝陶瓷双面抛光,然后采用双光束分光光度计(Lambda 19, Perkin-Elmer, Inc., USA)在可见光和近红外波长范围内(λ=200～2000nm) 测量样品的直线透过率(Tin ),再将抛光样品于1100℃热腐蚀30min,采用场发射扫描电镜(JSM-7000F, JEOL, Japan)观察其微结构。样品的晶粒尺寸d通过截线法乘以修正系数1.56计算得到[9]。

2 结果与讨论

图2为所制备的透明氧化铝圆片抛光后的实物照片。从图2中可以看到,所有样品下面的文字都能很清晰地看到。由于放电等离子烧结过程中模具的对称性,由图1可知,模具内不同位置的6个样品中,1#和6#、2#和5#、3#和4#样品的烧结环境是相同的,所以只研究1#、2#和3#样品的直线透过率和微结构。

图3为1#、2#和3#样品抛光表面的扫描电镜形貌。由图3可知,所有样品几乎都是完全致密的,其晶粒尺寸分布很窄,不同位置样品的平均晶粒尺寸比较接近,通过截线法计算的平均尺寸有少许差异,如表1所示。从晶粒测量的结果可以发现,接近压头样品的晶粒最大,模具中间样品的晶粒最小。由于是在同一个模具内一次烧结的样品,不同位置样品晶粒尺寸的不同暗示SPS过程中模具内的温度分布是不均匀的。

图4为不同位置氧化铝透明陶瓷的直线透过率。从图4中可以看出,在整个测量波长范围内样品的直线透过率都受其在模具中位置的影响,并且模具中心处样品的直线透过率最大,波长为640nm时为51%,波长为2000nm时达到84%,非常接近单晶的最大直线透过率86%。

光通过透明介质的吸收机制可由式(1)解释:

式中:d是样品的晶粒尺寸,Δn是折射系数的差值(Δn=0.0053),λ是入射光的波长。从式(1)中可以发现,影响材料直线透过率的因素主要有晶粒尺寸、晶界、第二相杂质、残余孔隙、双折射以及缺陷等[2]。本实验使用的是高纯粉体,因此不考虑杂质对光的吸收。根据Wang等[1,2,6]的研究结果可知,完全致密的SPS样品可以排除残余空隙对光的散射。另外,制备的所有样品只是在模具内放置的位置不同,因此缺陷浓度和晶界对光的吸收影响也可以不考虑。所以,实验中不同位置氧化铝透明陶瓷直线透过率的不同是由晶粒尺寸不同所引起的。

3 结论

放电等离子烧结技术可以制备出直线透过率较高(波长为640nm时为51%,波长为2000nm时为84%)的高性能透明氧化铝陶瓷,对于SPS模具内不同位置的样品,其光学性能不同,模具中心处样品的直线透过率最好。不同位置样品直线透过率的不同主要是由于模具内部的温度分布不均引起样品晶粒尺寸不同所致。

参考文献

[1]Krell A,Blank P,Ma H,et al.Transparent sintered corun-dum with high hardness and strength[J].J Am CeramSoc,2003,86:12

[2]Apetz R,Bruggen M P B.Transparent alumina:Alight-scattering model[J].J Am Ceram Soc,2003,86:480

[3]Chai m R,Shen Z,Nygren M.Transparent nanocrystalline MgO by rapid and low-temperature spark plasma sintering[J].J Mater Res,2004,19:2527

[4]Chai m R,Marder-Jaeckel R,Shen J Z.Transparent YAG ceramics by surface softening of nanoparticles in spark plas-ma sintering[J].Mater Sci Eng A,2006,429:74

[5]Ansel mi-Tamburini U,Wool man J N,Munir Z A.Trans-parent nanometric cubic and tetragonal zirconia obtained byhigh-pressure pulsed electric current sintering[J].Adv Funct Mater,2007,17:3267

[6]Wang C,Zhao Z.Transparent MgAl2O4ceramic produced by spark plasma sintering[J].Scripta Mater,2009,61:193

[7]Dobedoe R S,West G D,Lewis M H.Spark plasma sinte-ring of ceramics[J].Bull Eur Ceram Soc,2003(1):19

[8]Ki m B N,Hiraga K,Morita K,et al.Spark plasma sinte-ring of transparent alumina[J].Scripta Mater,2007,57:607

放电等离子法 第3篇

关键词：放电等离子烧结,羟基磷灰石,生物材料

1 放电等离子烧结技术的原理与优势

放电等离子烧结(Spark plasma sintering,SPS)最早源于1930年美国科学家提出的脉冲电流烧结理论,但直到1988年日本研制出第一台工业型SPS装置,该技术才真正引起世人的关注[1]。图1为放电等离子烧结系统示意图,主要由烧结主机(真空腔体)、烧结直流脉冲电源、液压单元、烧结操作和控制单元以及数据分析单元等组成。其中On-Off(通-断)的脉冲电源可以产生一系列独特的效应:放电等离子体、放电冲击压、焦耳热和电场辅助扩散效应。

目前大多数刊物都采纳M.Tokita[2]提出的放电等离子烧结技术原理的观点,认为粉末颗粒微区存在电场诱导的正负极,在脉冲电流作用下产生颗粒间放电,激发等离子体。一般认为,SPS过程除具有热压烧结的焦耳热和加压造成的塑性变形促进烧结过程外,还在粉末颗粒间产生直流脉冲电压,并有效利用粉体颗粒间放电产生的自发热作用,从而产生了一些SPS过程所特有的有利于烧结的现象[3,4]:(1)由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动,可使粉末吸附的气体逸散,粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被击穿,使粉末得以净化、活化;(2)由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生,在粉末颗粒未接触部位产生的放电热,以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热,都大大促进了粉末颗粒原子的扩散,其扩散系数比通常热压条件下的要大得多,从而达到粉末烧结的快速化(如图2 所示);(3)On-Off快速脉冲的加入使粉末内的放电部位及焦耳发热部位都快速移动,使粉末的烧结能够均匀化。因此,放电等离子烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果,并具有热压技术无法比拟的优点[5]:①烧结快速;②烧结所需温度低;③具有特殊的烧结机理,赋予材料新的性能;④设备占地面积小,自动化程度高,运行成本低,操作简便;⑤无需粉末预成型,可以直接烧结成致密体。

2 放电等离子烧结能优化羟基磷灰石的理化性质

采用传统方法制备羟基磷灰石(Hydroxyapatite,Ca10-(PO4)6(OH)2,HA)时,为了提高材料的力学性能往往需要对其进行较长时间的高温烧结(一般在1300 ℃以上),但是过高的烧结温度和较长的保温时间会造成羟基磷灰石发生部分分解(一般在1200 ℃左右会发生分解)和颗粒的异常长大[6],导致材料力学性能降低。同时由于羟基磷灰石的分解产物(磷酸钙和焦磷酸钙)与羟基磷灰石的降解速率不一致,导致材料的降解速率与骨组织爬行替代速率不匹配,使材料的骨缺损修复能力降低。而放电等离子烧结利用脉冲直流电激活晶粒表面,通过局部放电产生等离子体,同时会瞬间产生局部极高温度,在晶粒表面引起蒸发和融化,促使材料实现快速烧结[7,8],从而减少羟基磷灰石的分解,提高其致密度及力学性能,产生良好的生物学效应。

2.1 提高羟基磷灰石的致密度

通过传统的高温和较长时间的烧结来制备高强度、高密度的羟基磷灰石通常较为困难。而SPS技术的低温快速烧结在提高羟基磷灰石致密度的同时,能有效减少分解,抑制羟基磷灰石晶粒长大。

Y.W.Gu等[9]使用SPS技术烧结(950 ℃/5 min)羟基磷灰石粉末使其快速致密化,所得材料不仅未见分解,还具有高达99.5%的致密度。这是由于放电、电阻加热及压力共同作用的结果,放电的“原位清除”作用清除了颗粒间残余的空气与杂质,并且电流通过颗粒表面具有活化作用,而烧结温度和烧结压力的联合作用又显著增强了颗粒表面的原子运动,进而促使粉末快速致密化。在此项研究中,由于羟基磷灰石颗粒在高温下暴露时间短,烧结后羟基磷灰石晶粒的粒径并没有随温度的升高而增大,因此快速烧结还抑制了晶粒的长大。

Mirva Eriksson等[10]采用SPS技术在低温高压条件下制备了纳米晶透明羟基磷灰石,以700℃/500MPa/3min参数烧结得到的材料具有83% 的致密度,拥有良好的光学透性、低折射率(nω=1.651,nε=1.644)及较低的双折射率(δ=0.007),并且结构均匀。

Aqif A.Chaudhry等[11]将水热合成的纳米羟基磷灰石经SPS处理得到了高密度半透明的羟基磷灰石材料,研究发现900 ℃即可烧结出致密度达94%的致密羟基磷灰石材料,但其致密化程度与烧结时间有关。900 ℃/100 MPa/3 min时材料具有94%的致密度,900℃/100MPa/5min时材料具有98%的致密度,1000 ℃/100 MPa/5min时得到了致密度100%的半透明羟基磷灰石(无紫外线通过,波长700nm时透明度为45%),并且在试样中未见明显的孔隙,平均晶粒尺寸也无明显变化。此外,Shufeng Li等[12]的研究还证实,SPS技术烧结羟基磷灰石的致密化程度还与烧结过程中所施加的压力有关,提高烧结压力可加速材料的致密化。

Yi Liu等[13]研究了SPS处理羟基磷灰石致密化过程中羟基磷灰石的脱羟基作用对材料致密化的影响,当烧结温度达到900 ℃时即可产生脱羟基作用。烧结过程中完全致密试样的内部脱羟基作用表现为水蒸气被困于试样内部,形成极少极细的孤立孔隙结构,而试样表面的脱羟基作用则表现为水蒸气逃逸,更为致密,形成了梯度结构。整个脱羟基作用可看作是热处理过程中的反致密化作用,而这种反致密化作用可通过减少试样内部孤立的水蒸气来消除。

J.L.Xu等[14]对比研究了SPS技术与传统烧结方法的温度和加热速率对经射频等离子喷涂处理的羟基磷灰石粉末理化性质的差异,结果显示,采用传统方法烧结(1200 ℃/5h),即使以相对较高的升温速率(10 ℃/min),羟基磷灰石晶粒的长大和分解是不可避免的,得到的羟基磷灰石密度为2.86g/cm3,而采用SPS技术(1100 ℃/3min,升温速率100℃/min)可得到密度为3.04g/cm3且几乎完全致密的无磷酸钙相的羟基磷灰石。因此,与传统烧结方法相比,SPS技术能提高材料的致密度。

2.2 提高羟基磷灰石材料的力学性能

羟基磷灰石虽已被证明具有良好的生物活性,但因其本身力学性能差而限制了在生物医学领域的应用。因此,不少学者试图通过放电等离子烧结技术的优势来提高羟基磷灰石的力学性能。研究发现,SPS技术有助于改善羟基磷灰石材料的力学性能,并且材料力学性能的提高与SPS处理的温度和保温时间密切相关。

Y.W.Gu等[9]研究了SPS制备的羟基磷灰石的力学性能,研究显示材料的力学性能取决于烧结过程中晶粒之间的结合作用。当烧结温度为950 ℃时,材料的力学性能达到最大值(努氏硬度5.6GPa,杨氏模量5.5GPa,与850~950 ℃相比增加了40%),而温度升至1100 ℃时,努氏硬度和杨氏模量下降,可能的原因是高温导致羟基磷灰石分解,从而使晶粒之间结合不稳定。材料的断裂韧性在不同温度下并没有显著的改变,950 ℃ 时材料的断裂韧性为1.25 MPa·m1/2,与850~950 ℃相比仅增加了7%,950~1100 ℃时材料的断裂韧性与950 ℃相比仅下降了3%,高温烧结使断裂韧性下降可能是由于烧结过程中密度的变化及晶粒大小的细微改变造成的。另外,950 ℃时材料的断裂韧性高于传统烧结方法的断裂韧性(1.0 MPa·m1/2),这表明SPS的快速烧结有益于改善材料的断裂韧性。

H.Li等[15]研究了采用SPS技术制备的纳米羟基磷灰石的力学性能,结果表明,其力学性能(杨氏模量和断裂韧性)与SPS处理时的保温时间有密切关系。即使950 ℃/5min的条件下,材料的杨氏模量也有45GPa,断裂韧性可达1.41MPa·m1/2,随着保温时间延长至15min时,杨氏模量为118GPa,断裂韧性为2.22 MPa·m1/2,均达到最大值,得到的杨氏模量比文献报道的等离子喷涂[16](杨氏模量16.2GPa)、超音速火焰喷涂[17](杨氏模量21GPa)及传统方法1300 ℃[18](杨氏模量108GPa)制备的材料更高,作者认为这与材料的致密化和晶粒大小的变化是一致的。

Shufeng Li等[12]研究了SPS烧结羟基磷灰石的力学性能、微观结构与烧结压力和烧结温度之间的关系,发现断裂韧性和杨氏模量随着烧结温度的升高而增大,最大断裂韧性为1.4MPa·m1/2,杨氏模量为75.6GPa。Aqif A.Chaudhry等[11]研究了水热合成纳米羟基磷灰石经SPS处理后得到的半透明材料的三点抗弯强度随温度的变化,950 ℃ 时为(136.7±20.9)MPa,1000 ℃时为(158.4±14.0)MPa,这比其他学者采用SPS技术或传统烧结方法制备的羟基磷灰石的三点抗弯强度都要高。

3 放电等离子烧结制备羟基磷灰石类复合材料

羟基磷灰石材料已被证明具有良好的生物相容性与生物活性,但纯羟基磷灰石陶瓷的力学性能远不能满足骨缺损修复的需求。因此,许多学者将其他材料(如碳纳米管、氧化铝、氧化锆、莫来石、硅、银等)与羟基磷灰石复合以期研制出既具有良好生物学性能,又能增强其力学性能的复合材料。

3.1 碳纳米管增韧的羟基磷灰石复合材料

J.L.Xu等[19]采用SPS技术处理碳纳米管(Carbon nanotubes,CNT)改性的羟基磷灰石复合材料(CNT-HA),在SPS处理过程中(1100 ℃)碳纳米管未与羟基磷灰石发生化学反应,但碳纳米管在材料中的纵横交织导致了CNT-HA复合材料具有较高的杨氏模量(约131.1GPa)和硬度(约6.86GPa);并且CNT-HA复合材料的体外细胞实验表明CNT的加入不仅没有细胞毒性而且还能增强材料对成骨细胞的亲和力,提高细胞的增殖活力。Debrupa Lahiri等[20]深入研究了SPS制备的碳纳米管增韧羟基磷灰石复合材料的组织演变与摩擦磨损性能,其微观结构分析表明CNT在材料中起到了钉扎晶界的作用,CNT通过增加晶粒的界面极限剪应力和拉伸式能量来提高材料的韧性。羟基磷灰石晶粒与CNT之间的界面连贯一致,形成了强有力的界面粘结,这种良好的界面粘结和细小的羟基磷灰石晶粒使复合材料的断裂韧性和弹性模量与未加入CNT的羟基磷灰石相比分别提高了92%和25%。研究还表明,与纯羟基磷灰石相比,CNT-HA材料的耐磨性在宏观尺度提高了66%,摩擦系数减少了60%。Wei Wang等[21]研究了CNT-HA材料的力学性能及其骨修复能力,结果表明经SPS处理后的CNT-HA材料保留了CNT的纳米结构,CNT-HA复合材料的堆积密度随着羟基磷灰石含量的增加而增大,但是此复合材料的维氏硬度、孔隙率、杨氏模量、抗弯强度和抗压强度随着羟基磷灰石含量的增加而减小。研究还将SPS制备的CNT(40%)-HA复合材料植入大鼠股骨以研究其生物相容性,经4周的观察发现,复合材料比单纯的CNT具有更好的骨整合能力,表明CNT-HA复合材料在骨移植领域具有一定的应用潜力。还有研究者将羟基磷灰石与氧化铝(Aluminum oxide,Al2O3)、CNT复合(HA-Al2O3-CNT),并对其微观结构、力学性能和体外生物相容性进行了研究。Sushma Kalmodia等[22]对HA-Al2O3-CNT的研究表明,Al2O3的加入能使复合材料的断裂韧性从1.8 MPa·m1/2提升至2.07 MPa·m1/2,再将CNT加入其中,可将复合材料的断裂韧性提升至羟基磷灰石的2.3倍(约2.72 MPa·m1/2)。采用小鼠成纤维细胞L929细胞株来评价其生物相容性,结果表明经SPS处理的HA-Al2O3-CNT复合材料能较好地促进细胞的黏附与增殖。

3.2 硅掺杂羟基磷灰石复合材料

有研究表明[23],天然骨中含有极少但不可或缺的微量元素(如镁、碳酸盐和硅酸盐等),这些元素的存在使天然骨具有比合成的羟基磷灰石更好的生物活性和力学性能。其中,硅元素(Silicon,Si)可影响骨的矿化、代谢及胶原蛋白的合成,硅的缺乏可能导致骨形态的异常。J.L.Xu等[23,24]采用SPS(1100 ℃/3min)制备了硅掺杂羟基磷灰石复合材料(Si-HA),并与纯羟基磷灰石进行了对比研究,材料的致密度随着硅掺杂量的增加而降低,纯羟基磷灰石密度为3.09g/cm3,致密度为97.9%,而Si 5%-HA(质量分数)材料的密度降低到2.99g/cm3,致密度降低到94.8%。同时,SEM观察材料的晶粒随着硅的掺入(小于1μm)而明显比纯羟基磷灰石的晶粒(约5μm)细小,可见硅的掺入既可抑制放电等离子烧结过程中材料的致密化还能防止晶粒长大。材料的杨氏模量随着硅掺入量的增加而增大,烧结后纯羟基磷灰石的杨氏模量为89.7GPa,随着硅掺杂量从1% 增至5%(质量分数),掺杂后材料的杨氏模量从89.7GPa提升至100.4GPa。将人胎成骨细胞在Si 5%-HA材料上培养2天后的骨钙素水平及培养4周后的碱性磷酸酶水平明显高于对比组,这可能是Si-HA中硅酸盐离子与钙离子的释放促进了细胞的分化,刺激了骨矿化的过程。

3.3 氧化锆-羟基磷灰石复合材料

氧化锆(Zirconia,ZrO2)材料具有高硬度、高强度、高韧性、极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等优良的物化性能,并已在陶瓷、机械、生物、化学等各领域获得了广泛的应用,因此,氧化锆被学者加入到羟基磷灰石中以增强材料的力学性能。Rajendra Kumar等[25]将3%(体积分数)纳米氧化锆加入羟基磷灰石后经SPS(1000~1100 ℃/11.1 MPa/5min)处理,材料的力学性能得到了改善,杨氏模量达130 MPa,断裂韧性达1.6MPa·m1/2,并将此材料置于模拟体液中浸泡,可观察到磷灰石层的形成。Xigeng Miao等[26]将氧化钇稳定后的氧化锆(Yttria stabilized zirconia,YSZ)掺入羟基磷灰石中并采用SPS(1200 ℃/5min)处理,YSZ晶粒均匀地分布在羟基磷灰石中,复合材料的致密度已达93%,且显微硬度为9GPa,杨氏模量为160 GPa,最高抗弯强度可达200 MPa。GrétaGergely等[27]研究了SPS(600℃,800~950℃/5min)处理的氧化锆羟基磷灰石复合材料的微观结构和力学性能,随着烧结温度的升高,无论是纯羟基磷灰石还是复合材料的显微硬度都增强,但复合材料的显微硬度和三点抗弯强度明显高于纯羟基磷灰石材料,600 ℃时HA-ZrO210%(质量分数)显微硬度最高达6.5GPa,825℃时HA-ZrO240%(质量分数)杨氏模量达125MPa。

3.4 其他羟基磷灰石复合材料

Dubey Ashutosh Kumar等[28]研究了经SPS处理的莫来石(Mullite)羟基磷灰石复合材料的特性,1100 ℃/5min烧结后获得的HA-mullite 20%(质量分数)材料具有98%的致密度,并且没有发现羟基磷灰石的分解,而相同的材料采用传统方法需要1350 ℃/2h才能获得,其硬度可达7GPa左右,断裂韧性可达1.5MPa·m1/2。将L929小鼠成纤维与复合材料共培养,HA-mullite 20%(质量分数)材料具有良好的细胞粘附能力和较高的促细胞增殖能力,同时细胞的相互作用及细胞的扁平化现象表明材料具有良好的生物相容性。H.B.Guo等[29]将45S5生物玻璃、316L纤维加入羟基磷灰石中采用SPS处理(850 ℃,950 ℃/5 min),得到的HA-45S5-316L复合材料具有115 MPa的弯曲强度。 此外,Byong-Taek Lee等[30]还将银与羟基磷灰石混合球磨,并采用SPS处理,研究了复合材料的微观结构。

4展望

放电等离子法 第4篇

关键词：放电等离子烧结(SPS),(Ba,Sr)TiO3陶瓷,致密度

BaTiO3 (BTO), SrTiO3 (STO), (Ba,Sr)TiO3 (BST)是一系列优秀的铁电材料,在常温下有较高的介电常数(>1000),广泛运用于电热调节器、多层电容器以及新型电光器件[1,2,3]。对于上述广泛的运用,要求BaTiO3陶瓷具有高介电常数,高阻抗和较高的致密度[2]。然而,各种研究表明,用传统的烧结方法很难烧结出具有高致密度,低粒度(<1μm)的优质块状陶瓷。主要原因是传统烧结方法烧结时间过长,烧结过程中颗粒长大现象严重[3]。

随着新烧结技术的出现,热等静压法烧结(HIP)、放电等离子烧结(SPS)广泛运用于现代功能陶瓷的烧结研究中,逐渐取代了传统的烧结工艺[2,3,4,5]。放电等离子烧结技术是一种全新的烧结技术,它具有升温速度快,烧结时间短,组织结构可控,节能环保等鲜明特点[6]。一般认为,在SPS烧结过程中,电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体,使烧结体内部各个颗粒均匀地自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。SPS是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的[7]。烧结过程中通过样品的电流可激活晶粒表面,使得样品得到外部和内部全方位的加热[8]。放电等离子烧结可以用来制备金属材料,陶瓷材料,复合材料,也可以用来制备纳米块体材料,非晶块材料,梯度材料等[9]。

通过对比烧结(Ba,Sr)TiO3陶瓷,本工作研究SPS法对烧结材料性能的改善。张庆军,莫文玲等人做了普通烧结方法的烧成制度对BaTiO3介电性能的影响的实验,得出了不同的升温、降温、保温温度对材料性质的影响[6]。鉴于(Ba,Sr)TiO3与BaTiO3结构性能相似,本实验在烧结温度的选取中参考了BaTiO3的烧结曲线,选取了三个较为典型的温度(1200,1240,1300℃)值进行烧结。比较了SPS与一般方法在此温度段三种不同温度下烧结出来的(Ba,Sr)TiO3陶瓷的性能,结果表明:在每种温度下,放电等离子烧结出来的样品都表现出了更加良好的性质,并且1240℃是理想的烧结温度。

1 实验

首先将BaTiO3粉末和SrTiO3粉末按照摩尔比Ba/Sr为6.5/3.5的比例加入球磨机中,500r/min球磨24h。目的是用磨球与粉料间高能碰撞产生固态相变。球磨完成后烘干粉料间水分,600℃预烧结2h,之后将样品人工研磨1h后分为试样A1,A2,A3,B1,B2,B3六份。试样A系列加粘合剂压片后等待普通烧结(CH),试样B系列等待放电等离子烧结(SPS)。表1所示为A,B两种样品的烧结工艺。

实验中采用X射线衍射分析仪(CuKα,D8 ADVANCE)观测材料组成与结构,场发射扫描电镜(SEM, SIRION)观测样品表面组织形貌,阻抗分析仪对室温下陶瓷样品的介电性质做了分析。

2 结果与讨论

2.1 产物的场发射扫描电镜照片分析

由图1照片对比分析可以看出,同种温度下,SPS烧结的样品表面孔洞更少,致密度明显提高。烧结温度在1200℃时,样品表面孔洞密集,致密度较低;烧结温度升高到1240℃时,样品表面孔洞变少,致密度上升。但烧结温度上升至1300℃时,致密度再次下降。分析最适温度应该在1240℃左右。烧结温度的选取对样品性能的影响极大,若温度过低,则物质反应不充分,主晶相结晶不好,若温度过高,则晶体生长速度过快,形成大晶粒增多,不利于晶粒细化,影响材料的性质。

比较A2与B2样品晶粒度,可以看出,B2样品晶粒度明显低于A2样品。随机选取A2中四个较为清楚的晶粒进行测量,发现其粒度均在4～5μm之间。随机选取B2中五个较为清楚的晶粒测量,其粒度均在2～3μm之间。这直接说明了SPS法制得的陶瓷具有较低的晶粒度并有较高的致密度。

2.2 X射线衍射图像对样品的物质结构分析

图2 中的a,b两条曲线分别展示了1240℃烧结温度下两种方法烧出样品的X射线衍射峰位。图中对比可以看出两种烧结方法在1240℃时烧结均能够得到结晶较好的BST陶瓷样品。图2a中各衍射峰强度较强,是由于反应时间长,且预烧后粉末混合趋于均匀,所以样品的结晶也更加充分。但图2a中明显杂峰较多(▽),这说明除BST固有的立方、四方晶格外产生了其他的杂相。

2.3 介电常数与损耗的分析

图3为普通烧结法在不同温度下烧结样品的介电常数及损耗曲线。在三条损耗曲线中,发现1200℃下烧结的样品损耗非常大(介电常数也相对最小),说明普通烧结方法1200℃陶瓷烧结没有得到结晶较完整的BST,有很大一部分材料并未结晶(介电常数也相对最小)。

图4 为放电等离子烧结方法在不同温度下烧结样品的介电常数及损耗曲线。由图中可以看出,在1200℃时,烧结出样品介电常数相对较低,1240℃时样品有着比较高的介电常数,但过高的温度(1300℃)反而导致介电常数的下降。这一点和样品烧结温度对样品致密度的影响是一致的。对损耗曲线的分析发现,不同烧结温度下的损耗差别并不大,1200℃时的损耗略微更小一些。由此看出,在1240℃左右的烧结温度下,烧出来的(Ba,Sr)TiO3陶瓷有最大的致密度和介电常数。对比图3,图4中曲线可看出,在相同温度下烧结。SPS法烧结的陶瓷相对介电常数更大,损耗更小,陶瓷的介电性质更加好。

从以上分析可知,SPS烧结在样品的致密度,电学性质等方面均有较为明显的提高。一般认为,升温速度慢,有利于材料将体内气体溢出,得到致密度高的样品。升温速度快则使样品表面受热先结晶,形成一个致密的壳,导致内部气体无法排出,影响性质。然而较慢的烧结必将导致晶粒的不断长大,势必也难形成高致密度的陶瓷产品,这使得传统烧结所遇到了一个两难境地。但SPS烧结则改善了普通烧结中从样品外部升温这个环节,而是内外部同时加热,这样既保障了升温速率,阻止晶粒长大,又不影响气体的顺利溢出,得到致密度与电学性质良好的陶瓷材料。

3 结论

(1) SPS烧结法对BST陶瓷的致密度、结晶性质、介电性质等等方面都有较大改进。

(2)1240℃是一个较适宜的烧结温度,烧结出的BST陶瓷有着最优良的性质。

参考文献

[1]NOWOTNY J,REKAS M.Dielectric ceramic materials based onalkaline earth metal titanates[J].Key Eng Mater,1992,66/67:145-148.

[2]TOMONARI TAKEUCHI,MITSUHARU TABUCHI,HI-ROYUKI KAGEYAMA.Preparation of dense BaTiO3ceramicwith submicrometer grains by spark plasma sintering[J].J AmCeram Soc,1999,82(4):939-943.

[3]JING L.Spark plasma sintering behavior of nano-sized(Ba,Sr)TiO3powders:determination of sintering parameters yieldingnanostructured ceramics[J].J Am Ceram Soc,2006,89(9):2689-2694.

[4]XUE L A,CHEN Y,GILBART E,et al.The kinetics of hot-pressing for undoped and donor-doped BaTiO3ceramics[J].J Ma-ter Sci,1990,25:1423-1428.

[5]HIRATA Y,NITTA A,SAMESHIMA S,et al.Dielectricproperties of barium titanate prepared by hot isostatic pressing[J].Mater Lett,1996,29:229-234.

[6]雷燕,熊惟皓,梁在国.放电等离子烧结在金属-陶瓷复合材料制备中的应用[J].机械工程材料,2004,28(6):17-19.

[7]王秀芬,周曦亚.放电等离子烧结技术[J].中国陶瓷,2006,42(7):14-16.

[8]逄婷婷,傅正义,张东明.放电等离子烧结(SPS)技术[J].材料导报,2002,16:31-33.

[9]张久兴,刘科高,周美玲.放电等离子烧结技术的发展和应用[J].粉末冶金技术,2002,20:129-134.

放电等离子法 第5篇

经过变换的各节单体电压传输到下位机。下位机将各节单体电压与电压最低一节单体进行比较,将差值大于80m V的单体接通功率电阻进行放电,直到电压差值小于40m V断开,从而达到单体电压一致的目的。

目前锂离子电池均衡方式主要采用单体并联功率电阻的方式,通过控制功率电阻接入时间达到单体电压一致的效果。

由于每节单体连接的电压采样电路的阻抗不同,每节单体的自放电电流会有所差异,长期搁置会导致单体电池由于电压采样电路造成的电压差异。通过在锂离子电池单体两端并联匹配电阻使每节单体的自放电电流达到一致。

一、均衡电路原理

图1为均衡电路自放电原理图:

图1中,R为均衡功率电阻,J1-Jn为均衡开关,I1~In为单体电池自放电电流,R1~Rn为单体电池电压采样电路电阻网络等效电阻,F为单体电池电压采样放大电路,A为软件判读。

设锂离子单体电池电压为Vc,共n节单体,每节单体自放电电流计算如下:

由公式(1)~(n)可知,I1<I2<I3<……<In,即每节单体自放电流均不相同。

二、补偿方法

图2为均衡电路接入匹配电阻后原理图:

若要达到每节单体自放电电流一致,则需并联匹配电阻后每节单体自放电电流为In。匹配电阻Rm1~Rmn-1选取方法如下:

通过上述公式可知,在单体1至单体n-1两端并联匹配电阻Rm1~Rmn-1,可使n节单体自放电电流同为In,达到了单体电池自放电一致的目的,消除了由于额外引入单体电池电压采样电路造成的单体电池自放电不一致的问题。

三、结论

本论文有效解决了锂离子蓄电池组由于额外引入单体电池电压采样电路造成的单体电池自放电不一致的问题。此方法体积小,重量轻,实现简单,可靠性高。并已在工程型号中应用。

摘要：目前锂离子蓄电池组均衡方式主要采用单体并联功率电阻的方式。但由于额外引入了单体电池电压采样电路,造成单体电池自放电不一致。本文介绍了一种锂离子蓄电池组均衡电路的自放电补偿方法。

关键词：均衡,自放电,补偿

参考文献

[1]李国欣.航天器电源系统技术概论[M].中国宇航出版社.

放电等离子法 第6篇

关键词：铸铁,液相微弧放电,耐腐蚀性,硬度

1 引言

钢铁材料一般都是从表面开始磨损和腐蚀的, 气体碳氮共渗表面改性技术长期是钢铁表面机械性能强化的主要手段。碳氮共渗工艺有广泛应用的领域有航空航天、军工、电子、汽车、船舶等, 如航空航天领域直升机传动系统的齿轮轴、主动齿轮等重要零件, 航空发动机, 军工领域的坦克、装甲车、汽车领域的汽车变速箱齿轮等各种重要零件的表面处理[1]。但这些传统工艺面临如下难题:需要在低真空的条件下进行、工艺成本高、所需生产周期长、生产效率低、耗能大。为此, 本文寻求一种新的表面处理技术——液相微弧等离子体电解碳氮共渗技术。在特定的电解液中, 若将适当的电压施加在阴阳两极间, 可以看到电解液中发生弧光放电现象。放电过程电解液中会产生等离子体, 一种不同于固态、液态和气态的物质第四态。基本原理是:将一定的电压施加在阴阳两极, 电解液和电极界面处因而产生一定的电势差, 利用电势突变的电势差产生的高电场强度注入活性元素, 电解液电极界面处的气泡气体、钝化膜等电介质被击穿, 电极表面发生局部、瞬间的高温反应, 伴随着复杂的物理、化学反应, 特定性能的渗透层会形成于电极表面。该技术在特定的电解液中处理几十秒到几分钟即可获得高硬度、耐腐蚀、耐磨的渗透薄膜层, 近年来受到大家的广泛关注并研究, 主要有如下优点:在开放的大气环境下即可操作、不需要传统的真空方法, 处理过程效率高, 工艺简单、能耗低, 很有发展前景。

2 实验和分析手段

2.1 实验材料及设备

液相微弧等离子体电解碳氮共渗的装置简图, 由电源系统、共渗槽、电解液冷却系统组成。我们选用乙酰胺和丙三醇的水溶液作为电解液, 乙酰胺主要作为N源而丙三醇则作为C源, 由于有机化合物的导电能力较差, 为了形成稳定的放电电弧, 需要添加少量的易溶盐 ( Na Cl ) 来提高电解液的导电性。在本实验中所使用电源为MAO-50D型直流脉冲电源电源阳极接铸铁样品, 电源阴极接不锈钢容器, 电流固定为3A, 电压约为700V, 频率为100Hz, 占空比为25%。铸铁材料经线切割成尺寸为10mm×10mm×2mm的片状样品。样品按下列过程处理:超声波清洗 → SiC水磨砂纸打磨 (依次从300 # ∽ 1200 # ) → 去离子水清洗 → 碳氮共渗 → 去离子水清洗 → 干燥。

2.2 分析测试手段

使用Hitachi SU – 70 型扫描电子显微镜观察碳氮共渗层的薄膜的表面及形貌。每个样品分别用低倍 (整体形貌) 和高倍 (局部放大) 对比观察。使用Rigaku Ultima IV型X射线衍射仪 (XRD) 分析样品薄膜的相组成, 衍射条件为:采用Cu靶, 扫描速度为2 º/min, 电子加速电压为36 k V, 电流为20 m A, 2θ = 10° ~85°。使用MHV - 2000ZC型显微硬度计测试样品的硬度, 选择的载荷为25 g。表面粗糙度和磨损率用AEP公司生产的Nano Map-D双模式3D形貌仪来表征, 采用白光干涉非接触扫描模式。摩擦磨损测试使用的是MS - T3000 摩擦磨损试验机, 对磨球为 Ф 3 的钢球。摩擦磨损测试选择的工作参数为:转速400 r/min, 时间为30 min, 载荷为200 g。电化学腐蚀测试采用的是EG & G公司生产的Model 283 电化学系统。电解池为三电极系统, 浸泡液为3.5 % 的Na Cl溶液, 工作电极为测试薄膜, 非工作面使用AB胶密封。辅助电极为铂电极。参比电极是饱和甘汞电极 (SCE) 。测量时电位扫描范围为-0.2 V到+ 0.2V, 扫描速度为0.002 V/s。

3 实验结果及分析

3.1 碳氮共渗层的SEM分析

液相微弧等离子体电解碳氮共渗是一个包含电化学、热化学及离子体化学反应的复杂过程。吕国华、庞华等人做的研究测出来共渗层厚度达到了20 µm[2]。下面主要分析了处理时间对碳氮共渗层的形貌的影响。没有处理的对照组表面光滑, 扫描电镜放大之后有少量组织缺陷, 而处理后的样品可以看到其微小裂纹、球凸起和凹坑、局部的大黑点。高倍放大有明显的裂纹, 这是放电击穿铸铁表面注入内部组织形成的放电通道。凹凸状是等离子体气泡轰击的作用。局部的大黑点是因为放电后期薄膜达到一定厚度, 样品电阻增大, 放电由分散变为局部、集中的少数位置, 单个火花放电所产生的局部高温足以在火花放电局部造成试样表面的熔化。

3.2 碳氮共渗层的相结构分析

基底样品 (0 s) 通过HIGH SCORE软件分析物相可知是Fe的立方 (Cubic) 相, 对应的峰为2θ=44.765, 65.166, 82.531°。处理30 s后, 出现了含有C、N元素的新相, 如六方晶系 (Hexagonal) 的Fe24N10, 属氮铁化物 (Iron nitride-epsilon) , 它所对应的主峰为2θ=44.479和77.854。另外还有斜方晶系 (Orthorhombic) 的Fe12.00C4.00, 属于碳铁化物, 它的最强峰为2θ=26.471, 其余的相还有Fe N0.0935。处理60 s后, 可以看出新出现了Fe C相, 说明渗碳浓度增大。与此同时, 也可以看到Fe24N10等氮铁化物的相, 渗氮过程明显。然而, 随着处理时间的增加, 比如处理90 s后, 2θ=77.85处的Fe24N10相明显消失, 而又新生成Fe2C相, 渗氮减弱, 渗碳增强, 说明处理时间增加时, 基底的温度上升, 渗碳是主要过程, 碳含量增加, 材料表现出更好的硬度和耐磨性等机械性能[3]。而处理时间较短时, 基底温度较低, 渗氮是主要过程, 因而适当的处理时间, 材料会表现出更好的耐腐蚀性能。

3.3 碳氮共渗层的电化学腐蚀测试分析

与耐腐蚀性相关的两个主要参数是腐蚀电流密度和极化电阻。腐蚀电流密度越小, 耐腐蚀性越好;极化电阻越大, 耐腐蚀性越好。基底经过液相微弧等离子体电解碳氮共渗技术处理之后, 其耐腐蚀性得到了有效提高。比较不同处理时间下的碳氮共渗层的极化曲线, 我们发现基底经过60 s的处理, 其腐蚀电流密度为1.453×10-4A /cm2, 为所有处理样品中最小的, 另外我们同时也可以看到处理60 s后极化电阻为180.9 ohm, 为所有处理样品中最大的, 从而也是所有测试结果中耐腐蚀性能最好的。基底经过60 s的碳氮共渗处理表现出很好的耐腐蚀性能, 这与它的结构是密不可分的, 其X射线分析也表明含有Fe24N10氮铁化物的相]。前文在XRD物相分析时阐述了温度决定了渗碳和渗氮哪个为主要过程。在液相微弧等离子体电解碳氮共渗过程有两个过程同时进行, 即渗氮反应与渗碳反应, 当基底及周围环境的温度低时, 渗氮过程占主导地位。当基底及周围环境的温度高时, 渗碳过程占主导地位。另一方面, 如果温度低于500- 600 ℃, 渗氮过程占主导地位。当基底温度低于400 - 500 ℃ 时, 具有强耐腐蚀性能的S -, m - or εˊ 相产生, 温度对耐腐蚀性能的这一影响已在直流等离子体渗氮、离子渗氮及等离子体离子注入中报道过。因此, 增加处理时间导致渗氮不再处于主导地位, N元素含量下降, 相应的共渗层的耐腐蚀性降低。在电压稳定在700 V的条件下, 要想得到具有最好的耐腐蚀性的渗透层只需处理60 s即可。因此, 只需极短时间, 具有良好的耐腐蚀性的碳氮共渗层即可由液相微弧等离子体电解碳氮共渗技术完成。此外, 液相微弧等离子体电解碳氮共渗技术不需要真空系统, 具有高的处理效率及工件的连续加工能力。

3.4 碳氮共渗层的维氏硬度及摩擦磨损测试分析

在薄膜材料的机械性能的评价方法中, 维氏硬度表征是一种常用而简便的方法。材料的硬度与其耐磨性密切相关, 在维氏硬度测试中, 使用了25 g的载荷进行了测试, 保荷时间为15 s。由图7 可以得出, 基底的硬度为468. 3 HV, 而被处理了120 s的样品的硬度为712.6 HV。显然, 随着处理时间的增加, 样品的硬度增加, 这是因为高含量的高硬度的碳元素扩散渗透到基底, 而渗碳层积累与渗碳过程越来越占主导、越来越明显相关。

处理时间对样品的表面形貌有显著影响, 在一定的处理电压下, 随着处理时间的延长, 样品表面粗糙度增大。在摩擦试验中, 处理过的样品的平均摩擦系数都要比没有处理的基底略低, 这可能是因为表面丰富的渗碳氮层具有润滑的作用。

因为材料的耐磨性和硬度相关, 硬度越高表现出越好的耐磨性。通过实验数据可以也可以证明, 经过液相微弧等离子体电解碳氮共渗技术处理之后, 材料的磨损率明显的降低了, 从21.53 降到了5.43, 这是因为渗透层大量碳元素增强了其机械性能。

4 结论

我们采用液相等离子体对铸铁材料进行了碳氮共渗处理, 在其表面得到碳氮共渗层。实验结果表明:采用液相等离子体电解碳氮共渗技术, 在很短时间内即可在基底表面形成碳氮共渗层, 但是, 共渗层的表面粗糙度相较于未处理前变大, 表面变得更粗糙。碳氮共渗层由碳铁和氮铁化物组成, 处理时间较短时, 基底温度较低, 渗氮是主要过程。而随着处理时间增加时, 基底的温度上升, 渗碳是主要过程。形成的碳氮共渗层不仅改善了材料耐腐蚀性能, 而且提高了材料的硬度和耐磨性。

参考文献

[1]郭文廷.20Cr Mn Ti液相等离子电解碳氮共渗研究[D].南昌航空大学, 2012.

[2]吕国华, 陈睆, 王鑫权, et al.Microstructure and Corrosion Performance of Carbonitriding Layers on Cast Iron by Plasma Electrolytic Carbonitriding[J].中国物理快报:英文版, 2009, 26 (08) :280-282.

放电等离子法 第7篇

辉光是产生低温非平衡等离子体最常用的方法之一, 被广泛的应用于微电子刻蚀、材料表面改性、杀菌消毒、薄膜沉积、室内有害气体脱除、污水处理等领域。但是, 在大气压条件下, 放电通道的热紧缩化、电流密度的急剧增加等使辉光放电极易转换为丝状放电或者弧光放电。由于弧光放电具有非常高的等离子体气体温度, 对材料的烧蚀作用明显, 严重限制了大气压放电等离子的应用。如何在大气压实现均匀的辉光放电成为目前世界科学家们研究的热点和难点。

在过去的二十年中, 大气压辉光放电的研究在世界范围内取得了长足的进展。1988年日本学者Okazaki等[1]、Massines等[2,3]、Roth等[4,5]先后在氩气、氦气、氦气和丙酮混合气中实现了均匀大气压放电, 并进行了理论与应用研究。Raja等[6,7]结合实验结果和数值模拟计算研究了介质阻挡氦气大气压辉光放电产生的多电流峰特性。Nozaki等[8]研究了大气压下介质阻挡丝状放电和辉光放电的热转换机制及能量分布。在国内, 王新新等[9,10]利用CCD相机研究了大气压介质阻挡氦气汤森放电向辉光放电模式转变的过程, 并对大气压辉光放电进行了数值模拟研究。本文利用发射光谱对阻容耦合针针电极结构实现的大气压辉光放电等离子体进行了光学诊断并计算了等离子体的气体温度, 另外研究了放电电压和电极间隙放电等离子体气体温度的影响。

2 实验装置

实验装置主要由放电回路和光谱测量系统两部分组成, 如图1所示。实验放电回路主要由交流电源、放电电极、电容器组和电阻四个部分。正弦交流电源可以提供0-50 kV的放电电压和5-15 kHz的放电频率, 电容器组通过合适的并联和串联可以提供0.1-100 nF的电容, 电阻可以在1000-5000Ω范围内调解。2支针状固定在聚四氟支架上, 电极尖端直径为0.8 mm, 电极间隙在0-50 mm范围内可调。为使放电达到最理想的效果, 电容器和电阻值分别固定在16.4nF和2500Ω, 实验过程中产生的光信号通过光纤探头收集并经光纤传输至MODEL 2500i光栅单色仪 (光栅2400条mm-1, 闪耀波长200 nm) 进行分光, 单色仪输出的光信号由CCD转换为数字信号, 并通过计算机采集。

3 结果与讨论

3.1 大气压空气辉光放电图像

通过确立合适的电容和电阻值, 升高放电电压带来的电流密度正反馈增长得到有效的抑制, 使大气压辉光放电得到产生。图2为不同电压下大气压辉光放电照片, 放电电路中电容和电阻值分别为16.4nF和2500Ω, 电极间隙为5 mm, 放电频率保持在10 kHz。从图中可以看出, 整个放电的形态随电压变化保持稳定。当放电电压峰峰值超过22 kV时, 整个气体间隙得到击穿, 放电由电晕放电过渡到辉光放电。随着电压的增长, 放电区域直径逐渐增大, 放电的颜色也由紫色变为橙黄色, 整个电压的变化过程没有出现放电细丝或者放电通道的收缩现象。

3.2 大气压辉光放电等离子体光谱与气体温度测量

在大气压辉光放电中, 由于电子具有高的迁移率, 可以在瞬变电场中得到加速获得很高的动能。高能量电子与周围的分子发生非弹性碰撞, 产生OH, O, H, N, HO2, N+, N2+和O2-等活性粒子。在大气压条件下, 空气中放电的发射光谱主要由N2 (C3ΠuB3Πg) 和N2+ (B2Σu+→X2Σg+, 0.0) 谱带构成。LIFBASE软件是一款可以根据分子的转动温度确定相应的转动光谱的拟合软件。通过与实验测得的N2+ (B2Σu+→X2Σg+, 0-0) 谱带进行比对, 并根据吻合时的模拟光谱的转动温度确定N2+的转动温度。图3为在应用电压为24 kV、驱动频率为10 kHz、电极间隙为5 mm时放电产生的氮分子离子第一负带N2+ (B2Σu+→X2Σg+, 0-0) 发射光谱及LIFBASE模拟的温度为620 K的N2+ (B2Σu+→X2Σg+, 0-0) 的发射光谱。从图中可以观察到, 实验光谱和模拟光谱吻合程度较高, 即可以确定等离子体的气体温度为620 K。

3.3 应用电压对大气压辉光放电等离子体气体温度的影响

在大气压空气中, 电压对大气压辉光放电等离子体气体温度的影响如图4所示。实验的驱动频率为10 kHz, 电极间隙分别为3 mm, 5mm, 7 mm。从图中可以看出, 等离子体的气体温度随着电压的升高而升高, 并在不同位置出现一次气体温度的急剧升高。当电极间隙为3 mm时, 等离子体具有较高的初始气体温度, 当放电电压升高到超过24 kV时, 等离子体的气体温度发生跳变, 升至6000 K以上, 此时辉光放电已经转换为弧光放电。当电极间隙为5 mm和7 mm时, 当放电电压小于28 kV时, 电容器储存的能量不足以维持该电极间隙下的弧光放电, 等离子体温度均保持在3000 K以下, 该电极间隙条件下还存在具有较低温度的辉光放电形态, 气体温度约为400-600 K, 此时放电具有较小的放电通道直径, 放电颜色呈现紫色。

4 结论

通过利用阻容耦合电路结构, 具有弥散性质的大气压辉光放电等离子体成功的在在针针结构电极中。等离子体的发射光谱被采集, 并通过N2+ (B2Σu+→X2Σg+, 0-0) 谱带计算了等离子体的气体温度。结果表明, 气体温度随电压的升高而升高, 并在一定位置出现跳变。当电极间隙为3mm时, 放电电压超过24 kV时等离子体温度升高至6000 K以上, 辉光放电转变为弧光放电。当电极间隙为5mm和7mm时, 气体温度由600-700 K分别在电压为26kV和28 kV时发生跳变至2200 K左右, 放电由较低温度的辉光放电转变为弧光放电。

摘要：本文利用阻容耦合方式, 成功的在大气压空气中获得了具有弥散结构的针针电极结构的辉光放电等离子体, 并利用发射光谱对辉光放电等离子体温度特性进行了诊断研究。研究表明, 等离子体气体温度开始随放电电压的增大而升高, 并在一定的电压条件下温度发生跳变, 实现放电在较高温度、较低温度的辉光放电和弧光放电三种放电形式之间的转变。

关键词：辉光放电,发射光谱,等离子体温度,大气压

参考文献

[1]Kanazawa S, Kogoma M, Moriwaki T, et al.1988 J.Phys.D:Appl.Phys., 21838.

[2]Massines F and Gouda G1998J.Phys.D:Appl.Phys.313411

[3]Massines F, Gherardi N, Naude N, et al.2005Plasma Phys.Contr.F., 47577.

[4]Roth J R, Nourgostar S, Bonds T A.2007IEEE Trans.Plasma Sci., 35233.

[5]Roth J R, Rahel J, Dai X, et al.2005J.Phys.D:Appl.Phys., 38 555.

[6]Yuan X H, Raja L L.2003IEEE Trans.Plasma Sci., 31495.

[7]Yuan X H, Raja L L.2002Appl.Phys.Lett., 81814.

[8]Nozaki T, Miyazaki Y, Unno Y, et al.2001J.Phys.D:Appl.Phys.343383.

[9]Wang X X, Li C R, Lu M Z, et al.2003Plasma Sources Sci.Technol., 12358.