Metall. Mater. Trans. A: 熱爆炸制備的Fe-Al金屬間化合物多孔材料抗氧化研究

【引言】

金屬間化合物多孔材料能夠集多孔材料和金屬間化合物的優異性能于一身，具有良好的高溫強度、耐腐蝕、比表面積大等優點。目前，金屬間化合物多孔材料主要有Ti-Al，Ce-Fe，Ni-Al和Fe-Al系，而Fe-Al系原材料成本低、抗氧化、耐磨損，使得其在輕量化結構材料、過濾和催化等領域具有良好應用前景。而Fe-Al金屬間化合物目前的主要制備方法有反應合成、真空燒結和等離子噴涂等。燃燒合成法具有省時、節能等特點，但目前Fe-Al金屬間化合物的燃燒合成制備還沒有得到廣泛研究。

【成果簡介】

近日，中國礦業大學的王曉虹副教授（通訊作者）在Metallurgical and Materials Transactions A發表了最新的研究成果“Oxidation Resistance of Highly Porous Fe-Al Foams Prepared by Thermal Explosion”。在該文中，研究人員利用熱爆炸法制備了Fe-Al金屬間化合物多孔材料，并研究了Fe/Al分子比和熱處理溫度對相組成、氣孔特性和抗氧化性的影響進行了研究。

【圖文導讀】

圖1 反應物和熱爆炸生成物的XRD圖

圖2 Fe-Al多孔材料在1000°C燒結1小時得到的生成物的XRD圖

（a）20°到80°

（b）43°到46°

圖3 Fe-Al多孔材料的SEM-BSE圖和元素分布圖

（a）700°C處理30分鐘

（b）圖（a）中Fe元素分布圖

（c）圖（a）中Al元素分布圖

（d）1000°C處理1小時

（e）圖（d）中Fe元素分布圖

（f）圖（d）中Al元素分布圖

圖4 Fe-50Al，Fe-45Al，Fe-40Al加熱時的溫度隨時間變化曲線

圖5 Fe-Al多孔材料在1000°C燒結1小時，膨脹行為和密度變化?

（a）宏觀膨脹

（b）體積膨脹率、軸向膨脹率、徑向膨脹率、密度膨脹率

圖6 Fe-Al多孔材料的氣孔結構

（a）斷面SEM圖

（b）Fe-50Al光鏡圖

（c）Fe-45Al光鏡圖

（d）Fe-40Al光鏡圖

圖7 Fe-Al多孔材料在空氣中加熱到650°C處理72小時過程中質量增加值

圖8 氧化的Fe-Al多孔材料的XRD圖

（a）700°C燒結，650°C空氣中氧化1小時

（b）1000°C燒結，650°C空氣中氧化1小時

圖9 Fe-Al多孔材料經650°C氧化1小時的表面XPS譜

（a）全元素分析

（b）Al 2p的高倍XPS譜

（c）Fe 2p的高倍XPS譜

（d）O 1s的高倍XPS譜

圖10 Fe-Al金屬間化合物多孔材料中氣孔形成機制

（1）生坯壓坯

（2）700°C燒結30分鐘的Fe-Al多孔材料

（3）1000°C燒結1小時的Fe-Al多孔材料

（4）氧化以后的Fe-Al多孔材料

【小結】

采用熱爆炸法制備了氣孔率超過60%的Fe-Al多孔材料。主要結論如下：

開發了新型Fe-Al多孔材料燒結工藝，該方法省時、節能。加熱速率能達到10°C?min-1，燒結溫度最高可達1000°C，能夠在4小時內制備出Fe-Al金屬間化合物多孔材料。EDS結果表明未反應的Fe和中間相Fe2Al5形成了Fe- Fe2Al5殼-核結構。燒結溫度增加到1000°C時，FeAl是最終產物中的主要生成相。隨著Al元素含量的減少，熱爆炸反應的著火點從623°C增加到636°C，而燃燒溫度從1059°C降低到981°C。Fe-Al金屬間化合物多孔材料的氣孔率達59-61%，互通的孔徑使得Fe-Al金屬間化合物呈現開放的細胞結構，這使其在分離、隔熱、催化方面具有重要用途。Fe-Al多孔材料的氧化增重符合拋物線形。隨著鋁含量的增加及燒結溫度增加到1000°C時，能夠提高Fe-Al多孔材料的抗氧化性，這和金屬間化合物表面氧化層的形成有關。

文獻鏈接：Oxidation Resistance of Highly Porous Fe-Al Foams Prepared by Thermal Explosion（Metallurgical and Materials Transactions A，2018，doi.org/10.1007/s11661-018-4680-6）

本文由材料人編輯部金屬組 楊樹 供稿，材料牛編輯整理。

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