表面活性劑對高能球磨Mo-Cu復合粉末形貌特征的影響

（中北大學材料科學與工程學院，山西 太原 030051）

由于Mo-Cu 合金具有良好的導熱、導電、耐燒蝕和耐熱等性能，因此廣泛用來制造電接電極、電觸頭、大功率微波器件和大規模集成電路中的基板、鑲嵌塊、連接件和散熱元件等[1-3]，還可用來制造軍用燃氣舵、鼻錐、發動機噴管等耐高溫部件[4-6]。許多研究發現，高能球磨合金化是制備納米材料的一種有效方法，通過機械合金化方法可以制備許多新型材料。由于納米復合材料具有納米晶粒效應和界面效應，因此，對納米晶材料的研究具有很大應用前景，也是目前材料領域的一個熱點研究方向。而制備高性能Mo-Cu 合金的前提條件是首先制備出超細晶納米晶復合粉末，隨后通過燒結工藝可實現高性能Mo-Cu 合金的制備。本研究通過高能球磨實現納米晶復合粉末制備。

在機械合金化制備Mo-Cu 納米晶復合粉末過程中，影響復合粉末特性的因素很多，其中有球磨時間、球磨轉速、球料比、表面活性劑、充填系數等，本文研究了表面活性劑對Cu 質量分數為8%的Mo-Cu 復合粉末形貌特征的影響。

1 試驗方法

使用平均粒度為38 μm 的Cu 粉、平均粒度為3.2 μm 的Mo 粉，按照Cu 質量分數為8%的Mo-Cu 合金重量百分比混合成原料，把配比好的原料混合粉末填入V 型混料機中攪拌30 min，隨后把預混料放入QM-0.25L 星行球磨機不銹鋼球磨罐中。球料比為10：1，裝填系數為30%，自轉速度（ωr）250 r/min，公轉速度（ωR）200 r/min，球磨時間25 h，復合粉末球磨過程中充入干燥的氬氣，以防止粉末氧化。在球磨前分別在球墨罐中添加硬脂酸（SA，30 g）、液體酒精（C2H5OH，10 mL）單一組元表面活性劑，球磨結束后通過檢測粉末形貌來確定過程控制劑對復合粉末形貌狀態的影響規律。高能球磨后Mo-Cu超細晶復合粉末形貌特征采用掃描電鏡（SEM）進行研究。

2 實驗結果與分析

復合粉末在球磨過程中，由于磨球和Mo、Cu 粉末顆粒之間反復碰撞，Mo、Cu 粉末將產生加工硬化，當加工硬化到一定程度，粉末將發生撕裂，同時撕裂的粉末之間又會不斷的焊合，這個過程會持續不斷進行，當粉末撕裂時，新鮮的原子面將暴露，這時Mo、Cu 顆粒新鮮表面原子金屬鍵配位數會減少，表面原子的配位數減少會產生大量的不飽和金屬鍵和懸鍵[7，8]，導致顆粒表面活性提高，這會引起不同類原子之間吸引力增強，不同類型原子之間的距離將變短，原子之間互擴散將加快，此時Mo、Cu 顆粒逐漸失去原始的形狀，形成非穩態的復合層片狀顯微組織形態。球磨過程中未添加表面活性劑（PCA）時，Mo、Cu 粉末由同類原子構成的顆粒由簡單的軟團聚變成為結合力較強的不同類原子非穩態硬團聚，隨著高能球磨的進行，Mo、Cu 粉末將形成較為致密的層片狀復合顆粒，高能球磨Mo、Cu 粉末的SEM 形貌特征如圖1 所示。

機械合金化可以極大地改變粉末的形貌特征。原始混合粉末形狀主要是由球形的Mo 顆粒和少量的球形Cu 顆粒形成。球磨前，盡管在V 型混料機中Mo、Cu 粉末經過機械混合2 h，但由于Mo、Cu 粉末顆粒都存在一定的軟團聚現象，所以在SEM 照片仍存在明顯的局部富Mo、Cu 粉團聚顆?，F象。高能球磨后，復合粉末中未出現明顯的單個等軸形Mo 顆粒和等軸形Cu 顆粒，復合粉末形狀呈現片狀化，形成Mo、Cu 金屬互相包覆在一起的復合粉末團聚顆粒，此時層片狀團聚顆粒內包含若干個微顆粒。

球磨過程沒有添加表面活性劑的Mo、Cu 復合粉末顆粒呈現為等軸狀團聚顆粒，顆粒尺寸較大，但是團聚的復合粉末顆粒的大小很不均勻如圖1b）所示。添加表面活性劑硬脂酸（SA）高能球磨后團聚顆粒為長條狀和等軸狀混合形態，團聚顆粒大小分布較也不均勻，如圖1c）所示。而添加酒精球磨的復合粉末團聚顆粒為等軸狀，且尺寸更為細小，如圖1d）所示。

圖1 高能球磨復合粉末的SEM 形貌特征

添加表面活性劑對球磨粉末的團聚和顆粒粒度均勻性的影響可以從SEM 圖片上表現出來。高能球磨Mo、Cu 粉末在沒有添加表面活性劑時，團聚顆粒尺寸較大，并且顆粒大小分布很不均勻，存在粒度較大的團聚顆粒。而球磨過程添加表面活性劑形成的團聚顆粒尺寸較小，且大小相近，這表明添加表面活性劑對復合粉末團聚有一定的阻礙作用，而且添加表面活性劑（酒精）的團聚粒度比添加硬脂酸（SA）的粒度更均勻、更細小。這情況可能是由于采用液態活性劑酒精可以更有效地將Mo、Cu 粉末分散，導致機械合金化可以更均勻地實現，因此團聚顆粒尺寸更小，且分布均勻。使用硬脂酸（SA）作為表面活性劑時，硬脂酸在球磨過程中在粉末中本身分散性不好，而液態酒精由于流動相好，因此分散性也好，所以硬脂酸（SA）對粉末團聚的阻礙作用也就小。添加硬脂酸（SA）作為PCA 時，隨著高能球磨時間的增加，Mo、Cu 復合粉末團聚顆粒的尺寸將增大，粉末顆粒粒度分布不均性也會增加，Mo、Cu復合粉末由原始細小的球形顆粒趨轉變為團聚在一起形成尺寸較大形狀的復合顆粒。當使用表面活性劑（酒精）作為表面活性劑時，隨著高能球磨時間的增加，Mo、Cu 復合粉末顆粒也發生團聚，但復合粉末發生團聚的程度將減小。

3 結論

1）高能球磨后，Mo、Cu 復合粉末中沒有出現單個等軸形Mo 顆粒和等軸形Cu 顆粒，復合粉末形狀呈現層片狀特征，形成Mo、Cu 互相包覆在一起的復合粉末團聚顆粒，此時團聚顆粒內包含若干個微顆粒。

2）在相同的球磨參數條件下，添加過程控制劑硬脂酸（SA）和液體酒精，球磨顆粒間的團聚傾向變小，粉末團聚顆粒尺寸較小，而且添加表面活性劑（酒精）的團聚粒度比添加硬脂酸（SA）的粒度更小且更均勻。