摘要：本文研究了納米Ni粉對Cu粉末燒結性能的影響。研究表明：由于添加1% 納米Ni粉中的NiO未被完全還原，而且納米Ni粉本身還有被CuO氧化成NiO的可能，因而納米Ni粉在Cu粉末燒結過程中未能起到活化燒結的作用。添加1%納米Ni粉后降低了Cu粉末燒結性能。
　　
　　關鍵字：納米Ni粉；微米級Cu粉；粉末冶金；燒結
　　
　　納米材料，特別是金屬納米材料，由于它具有不同于同成分普通材料的奇異特性[1]，因而自誕生以來所取得的巨大成就和其對科學及社會各個領域的影響和滲透一直引人注目。目前，納米粉體材料應用最廣、效果最為顯著的領域之一是將納米粉體材料通過表面改性，均勻地分散到各種材料基體中去，以全面改善原有材料的各種性能及制備工藝[2]。近年來，有不少學者對納米材料在粉末冶金燒結中的活化作用做了大量的研究工作，如有人曾在微米級鎢粉中加入0.1%～0.5%的超細金屬粉，使W的燒結溫度從3000℃ 降到1200～1300℃，顯著加速了燒結過程[3]。然而，納米Ni粉對微米Cu粉的燒結過程是否也能起到促進的作用，促進的機理是什么，對于這些問題的研究在國內外文獻中均未見報道。本文研究了納米Ni粉對粉末冶金常用的微米級Cu粉燒結性能的影響，并對其影響機理進行了探討。
　　
　　1 實驗材料及方法
　　本實驗選用的Cu粉顆粒尺寸為30～70μm，氫損測試結果0.13%； Ni粉顆粒尺寸為30～70nm，氫損測試結果2.51%；用液體石蠟作為壓制成型劑。納米Ni粉的分散采用化學分散與超聲波振蕩相結合的方法。使用KQ-250型多功能超聲波清洗器、XH-8808型三維混料機、以及自制小型混料設備進行混料。使用WZSC-20 型真空熱處理爐進行真空燒結。在HT-8812 型萬能材料試驗機進行力學性能實驗。使用KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡進行斷口分析。
　　由前面的氫損結果可以看出，本實驗中所使用的Cu粉以及納米Ni粉均存在氧化現象（可能原因：廠家為防止納米粉在空氣介質中團聚和繼續(xù)氧化而在生產過程中進行了預氧化處理或在混料過程中出現氧化等），納米Ni粉表面有1～2 nm厚的NiO薄膜。因此，在燒結過程中，本實驗使用H2作為還原氣氛。
　　為了更好的研究納米Ni粉對Cu燒結性能的影響，本實驗首先進行了純銅試樣的燒結實驗，選定了純Cu的最佳燒結溫度。實驗結果如圖1所示。

　　本實驗在添加1%納米Ni粉后選擇在純銅最好的燒結溫度850℃下進行燒結，實驗擬定的燒結試驗方案如表1所示。每組燒結5個試樣，實驗結果取5個試樣試驗結果的平均值。

　　2 實驗結果
　　表2所示的是兩組試樣燒結以后的實驗結果對比。從表2的試驗數據可看出，添加納米Ni粉的試樣的致密度、斷裂延伸率和燒結強度均較純Cu試樣低。添加的納米Ni并沒有起到提高Cu基體的燒結質量的目的。相反的，各項性能指標均低于純Cu試樣的燒結結果。

　　圖2所示的為純Cu試樣經850 ℃燒結1.5 h后的拉伸斷口掃描電鏡照片，圖3所示的為添加納米Ni粉試樣經850 ℃燒結1.5 h后的拉伸斷口掃描電鏡照片。從圖2和圖3中的燒結試樣斷口形貌特點可以看出，純Cu燒結試樣的斷口有較多的韌窩，呈明顯的韌性斷裂。而添加納米Ni粉的燒結試樣斷口中韌窩較少，一些Cu顆粒并沒有燒結在一起，有脆性斷裂傾向。

　　3、分析與討論
　　由實驗結果可以看出，添加納米Ni粉并沒有像文獻3所提到的在W中加入超細金屬粉一樣起到積極作用。分析原因后作者認為：如果在實驗過程中納米Ni并沒有以Ni的形式而是以NiO的形式參與燒結過程，由于NiO的熔點高達1500 ℃，在燒結過程中原子極難擴散，因此納米Ni粉中的Ni原子不但不能擴散進Cu基體中形成固溶體起到活化燒結的作用，反而會聚集在純Cu顆粒表面，阻礙顆粒間的粘結和燒結頸的形成，阻礙燒結的進程，造成燒結體強度的降低。所以，如果在實驗過程中納米Ni被大量氧化為NiO，則可能起不到納米粉的活化燒結作用。
　　根據熱力學原理，分析△Z?－T圖[4]后我們可以得出以下規(guī)律：
　　⑴ 2H2+O2=2H2O的△Z?－T關系線在4Cu+O2=2Cu2O的△Z?－T關系線及2Ni+O2=2NiO的△Z?－T關系線的下方，這說明在一定動力學條件下H2可以還原Cu、Ni的氧化物。
　　⑵ 2Ni+O2=2NiO的△Z?－T關系線在4Cu+O2=2Cu2O的△Z?－T關系線下方，這說明在一定動力學條件下Ni 可以還原Cu的氧化物。
　　⑶ 分析△Z?－T圖可知，NiO與Cu2O同時存在時，H2將首先還原Cu2O，然后再還原NiO，即NiO的還原要難于Cu2O的還原。只有將CuO還原完全后，NiO才會被還原。并且有Ni存在時，Ni會還原Cu2O生成NiO。
　　本實驗研究中，在Cu粉中加入的納米Ni粉只有1%。所以，在Cu粉中因含有Cu2O或CuO而存在的含氧量要遠遠高于Ni粉中因含有NiO而存在的含氧量。并且，隨著H2還原Cu2O或CuO的進行，被還原出的Cu又會彼此粘結，阻止了H2對試樣內部的Cu2O、 CuO或NiO的還原作用。當沒有H2進入時，隨著燒結溫度的提高，當Ni還原Cu的氧化物的動力學條件被滿足時，將會發(fā)生以下反應：
　　Ni + Cu2O=NiO + 2Cu
　　本實驗中的納米Ni粉添加量只有1%，且均勻的分布在Cu粉中，在燒結的后期納米Ni粉將有全部變成NiO的可能。NiO在試樣的燒結體中只能以夾雜物的形式存在，不能對試樣中的Cu粉起到活化燒結作用，也不能與Cu生成固熔體。因此，納米Ni粉的加入不但沒能提高燒結體的強度，反而使其強度降低。
　　
　　4、結論
　　(1)、添加1%納米Ni粉的Cu粉燒結試樣的抗拉強度、致密度、斷裂延伸率均低于純Cu粉燒結試樣。
　　(2)、由添加1% 納米Ni粉中的NiO未被還原，或者在燒結過程中納米Ni粉被再次氧化NiO，阻礙了燒結致密化，導致添加1% 納米Ni粉的Cu粉燒結試樣的燒結強度低于純Cu粉試樣的燒結強度。
　　
　　參考文獻：
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　　[4] 郝士明.材料熱力學[M]. 北京:化學工業(yè)出版社,2004,49~58