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反应合成Ag/Al₂O₃粉体复合材料的制备研究

作　者: 李宁
导　师: 陈敬超
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 机械合金化第一原理过渡态固溶体稳定性
分类号: TB383.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文基于实验现象,利用材料计算分析软件：Materials Studio (MS),从能量最小化角度寻求整个反应路径。采用机械合金化法制备Al2O3负载Ag粉体复合材料,通过SEM、XRD等实验手段检测从基体中析出的Ag颗粒尺寸及析出量。着重从电子-原子层次详细阐述反应过程中合金中间化合物转变,寻找过渡态最后生成稳定相的过程,溶质原子对基体电子结构造成的影响,稳定相、亚稳相的热力学性能的研究与探讨,对整个反应过程中可能出现的亚稳相从能量角度及热力学稳定性方面进行理论计算。证实了Al的活化性能高于Ag,O的参与对反应过程起到了主导作用,理论分析了反应初始体系内部原子的迁移途径及降温过程,最后预测出完整的反应路径。经过原子、电子的层次分析可知,Al与O键合的程度最强,布居数及能态密度反应出Al-O成键的能力明显高于Ag-O,形成的Al-O键的结合使体系能量更低,解释了为何O原子会通过长程扩散与Al原子结合而不与Ag原子结合。结合能大小依次为：Al2O3>AlO>Ag3O4>Al2O>Ag2O2>Ag2O3>Ag2O>Ag6O2>AgO,AgxOY相的稳定性最差,生成焓大小依次为：A12O3>AlO>Al2O>Ag6O2>Ag2O2>Ag2O>Ag3O4>Ag2O3>AgO.反应过程中Al氧化物(AlxOy)容易形成,较Ag的氧化物(AgxOy)稳定,主要原因在于Al与O的亲和作用大。对于反应过程中可能出现的过渡相AlxOy和AgxOy,AgxOy稳定性相对较差,过渡相随着温度升高分解,作为氧化过程的O源；反应发生时首先是扩散性很强的O,其次为活泼程度较高的Al,最后为惰性的Ag；在降温过程中,O与Al的亲和程度大于O与Ag,在O与Al周围Ag单质析出。采用球磨与模拟的方法对Al-Ag固溶体Ago.8Al0.2、Ag0.65Al0.35、Ag0.75Al0.25、Ag0.667Al0.333、Ag0.842Al0.158在氧化气氛下Ag的扩散与转化形成过程进行了研究,当Al-Ag固溶体发生氧化时,粉体表面形成AlxOy结构,析出单质Ag,氧化的进行为单质Ag的析出提供动力,粉体内部形成AgxAly不稳定结构,体系在氧化析出过程中,存在着Ag析出和Al2O3氧化膜形成速率相互冲突的两个过程,导致Ag的析出量受制约,与理论计算各物相结合能基本一致。通过控制Al-Ag固溶体的氧化反应速率,Ag的短路径扩散和Al2O3致密氧化膜的形成,制备高温性能稳定的Ag/Al2O3粉体复合材料是可行的。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-9
第一章绪论  9-29
  1.1 前言  9-10
  1.2 贵金属银材料  10-13
    1.2.1 贵金属材料的制备  10-12
    1.2.2 贵金属银的应用  12
    1.2.3 贵金属银材料的发展趋势及应用前景  12-13
  1.3 机械合金化技术  13-15
    1.3.1 金属粉末的球磨过程及金属粉末破碎机理  13-14
    1.3.2 低温与常温机械合金化研究及颗粒团聚的热力学分析  14
    1.3.3 球磨过程中的氧化和氮化问题  14-15
    1.3.4 液氮球磨(低温机械合金化)的优势  15
  1.4 合金氧化及热处理工艺  15-22
    1.4.1 热处理工艺  15
    1.4.2 外/内氧化转变  15-16
    1.4.3 合金的内氧化分析  16
    1.4.4 热力学基本原理和计算方法  16-20
    1.4.5 热力学性质估算  20-22
  1.5 软件应用介绍及计算分析  22-27
    1.5.1 第一性原理计算原理  22-23
    1.5.2 CASTEP简介  23-24
    1.5.3 密度泛函理论  24-25
    1.5.4 交换关联能  25-26
    1.5.5 赝势  26
    1.5.6 DFT计算的优点与不足  26-27
  1.6 课题研究的目的和意义  27
  1.7 课题研究的主要内容及来源  27-28
    1.7.1 课题主要研究内容  27-28
    1.7.2 课题来源  28
  1.8 论文拟解决的关键科学问题  28
  1.9 本章小结  28-29
第二章研究路线与方法  29-41
  2.1 实验设计及路线  29-30
  2.2 实验制备Ag-Al粉与检测仪器  30-31
    2.2.1 Ag-Al粉的制备  30
    2.2.2 实验仪器与设备  30-31
  2.3 反应合成Ag/Al_2O_3内氧化的热力学分析  31-33
    2.3.1 反应合成Ag/Al_2O_3内氧化热力学分析  31
    2.3.2 反应合成Ag/Al_2O_3内氧化的热力学条件  31-33
  2.4 反应合成Ag/Al_2O_3的工艺描述  33-40
    2.4.1 热处理阶段不同温度的反应过程  34-40
  2.5 本章小结  40-41
第三章反应合成Ag/Al_2O_3复合材料具体实验过程  41-61
  3.1 机械合金化过程  41
  3.2 热处理过程  41-56
    3.2.1 球磨后直接热处理过程  41-42
    3.2.2 一边球磨一边热处理  42
    3.2.3 表面改性后热处理  42
    3.2.4 综合性实验  42-43
    3.2.5 热处理粉体形貌  43-47
    3.2.6 EDS能谱及XRD检测结果  47-56
  3.3 差热结果分析  56-57
  3.4 实验结果分析  57-60
    3.4.1 机械合金化工艺结果分析  58-59
    3.4.2 表面改性处理结果分析  59-60
    3.4.3 热处理结果分析  60
  3.5 本章小结  60-61
第四章理论分析  61-78
  4.1 Ag-Al体系  61-66
    4.1.1 计算模型  61-62
    4.1.2 结果与讨论  62-66
  4.2 Ag-Al-O体系  66-69
    4.2.1 计算模型  66
    4.2.2 结果与讨论  66-69
  4.3 Ag-O体系  69-74
    4.3.1 计算模型  69-70
    4.3.2 结果与讨论  70-74
  4.4 Al-O体系  74-77
    4.4.1 计算模型  74
    4.4.2 结果讨论与分析  74-77
  4.5 本章小结  77-78
第五章结论  78-79
致谢  79-80
参考文献  80-86
附录:攻读硕士学位期间发表论文  86

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