專(zhuān)利名稱(chēng)：一種測(cè)量超細(xì)和納米碳化鎢粉末中團(tuán)聚體結(jié)合強(qiáng)度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超細(xì)和納米碳化鎢粉末領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種測(cè)量超細(xì)和納 米碳化鎢粉末中"團(tuán)聚體"內(nèi)一次顆粒之間結(jié)合強(qiáng)度的方法。
背景技術(shù)：
超細(xì)和納米碳化鎢粉末是硬質(zhì)合金材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。然而隨著 碳化鎢粉末粒度的減小，表面能急劇增大。為降低系統(tǒng)能量，通過(guò)表面張力 或固體的鍵橋作用，粉體中會(huì)有大量的原生顆粒(一次顆粒)結(jié)合形成更大 的二次顆粒，g卩"團(tuán)聚體"。"團(tuán)聚體"分為"軟團(tuán)聚"和"硬團(tuán)聚"。"軟團(tuán)聚"一 般是指顆粒之間通過(guò)分子間作用力以及顆粒間的范德華力等弱物理作用力 連接形成的團(tuán)聚體；這種團(tuán)聚體內(nèi)部作用力較弱，粉體比較疏松，在外力作 用下比較容易重新分散。"硬團(tuán)聚"一般是指顆粒之間通過(guò)化學(xué)鍵力或氫鍵作 用力等強(qiáng)作用力連接形成的團(tuán)聚體；這種團(tuán)聚體內(nèi)部作用力大，含有相互聯(lián)
結(jié)的氣孔網(wǎng)絡(luò)，顆粒間結(jié)合緊密，不易重新分散，嚴(yán)重影響超細(xì)粉體的壓制 成形與燒結(jié)過(guò)程。 一般關(guān)注的是這種"硬團(tuán)聚"現(xiàn)象及其團(tuán)聚體的行為，定量 的評(píng)價(jià)碳化鎢粉體的團(tuán)聚狀態(tài)是表征超細(xì)碳化鎢粉末性能的重要內(nèi)容。
碳化鎢粉末團(tuán)聚狀態(tài)主要包括"團(tuán)聚體"尺寸及分布、"團(tuán)聚體"結(jié)構(gòu)("團(tuán) 聚體"密度、孔徑尺寸及分布等)、"團(tuán)聚體"強(qiáng)度以及"團(tuán)聚體"的表面物理化 學(xué)狀態(tài)等幾個(gè)方面。對(duì)"團(tuán)聚體"尺寸及分布、"團(tuán)聚體"的結(jié)構(gòu)等己有比較通
用的表征方法；但到目前為止，對(duì)超細(xì)和納米碳化鎢粉末中"團(tuán)聚體"內(nèi)一次 顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度(以下簡(jiǎn)稱(chēng)"團(tuán)聚體"強(qiáng)度)還沒(méi)有適用的測(cè)量方法。
測(cè)量一次顆粒間結(jié)合強(qiáng)度的方法主要有超聲場(chǎng)法、壓汞法、單個(gè)"團(tuán)聚 體"的納米力學(xué)探針壓潰法和壓坯密度-壓力法。但這些方法都存在著一些缺 點(diǎn)。例如，超聲場(chǎng)法的強(qiáng)度難以精確標(biāo)定，測(cè)量的強(qiáng)度范圍受到限制；壓汞 法用壓汞儀測(cè)量等靜壓成型體內(nèi)孔隙分布，根據(jù)孔隙分布由二級(jí)峰轉(zhuǎn)變?yōu)閱渭?jí)峰分布來(lái)估計(jì)粉體中團(tuán)聚體的強(qiáng)度。該方法需要高壓設(shè)備，測(cè)量過(guò)程較復(fù) 雜，測(cè)量精確度較低；納米力學(xué)探針儀器昂貴，分離并移動(dòng)單個(gè)"團(tuán)聚體"極 其困難，需要大量測(cè)量來(lái)保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的代表性。上世紀(jì)70年代，Niesz等 人在研究超細(xì)陶瓷粉體時(shí)提出了壓坯密度-壓力法他們認(rèn)為在含有"團(tuán)聚
體"的陶瓷粉末在等靜壓成形過(guò)程中，壓坯密度與壓力對(duì)數(shù)的關(guān)系曲線往往
呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折直線關(guān)系在低壓下，關(guān)系曲線代表粉體中的"團(tuán)聚體"重排，在這 一過(guò)程中"團(tuán)聚體"結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化而高壓下的關(guān)系曲線則代表"團(tuán)聚體" 解體，即"團(tuán)聚體"結(jié)構(gòu)被破壞的過(guò)程。兩條關(guān)系直線的交點(diǎn)即轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 臨界壓力為"團(tuán)聚體"的破碎壓力，定義為"團(tuán)聚體"的強(qiáng)度。該強(qiáng)度值為眾多 "團(tuán)聚體"行為的平均值，具有良好的代表性。但Niesz等人的方法需要等靜
壓設(shè)備，而且需要不同壓力下測(cè)試多個(gè)樣品，試驗(yàn)過(guò)程較為復(fù)雜，且所得結(jié) 果反映的是宏觀強(qiáng)度，并不直接表明一次顆粒的結(jié)合強(qiáng)度。
因此在通用力學(xué)測(cè)試設(shè)備上，建立一種操作簡(jiǎn)便的測(cè)量超細(xì)和納米碳化 鉤粉體中"團(tuán)聚體"內(nèi)一次顆粒結(jié)合強(qiáng)度的方法就成為該技術(shù)領(lǐng)域急需要解 決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種在通用力學(xué)測(cè)試設(shè)備上，操作簡(jiǎn)便的測(cè)量超 細(xì)和納米碳化鴇粉體中"團(tuán)聚體"內(nèi)一次顆粒結(jié)合強(qiáng)度的方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種測(cè)量超細(xì)或納米碳化鎢粉末中團(tuán)聚體內(nèi)一次顆粒結(jié)合強(qiáng)度的方法， 其特征在于在萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上，在單向或雙向連續(xù)的壓縮模具中加入超 細(xì)或納米碳化鎢粉體，根據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄的壓縮過(guò)程中壓力與位移，做壓 坯密度與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線，確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)處表觀的臨界壓力，根據(jù)"團(tuán)聚體"的 相對(duì)密度計(jì)算出"團(tuán)聚體"間的孔隙度，結(jié)合臨界壓力計(jì)算出碳化鎢一次顆粒 的結(jié)合強(qiáng)度暨碳化鎢"團(tuán)聚體"強(qiáng)度。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)為各種壓縮壓力
達(dá)到5KN以上的力學(xué)測(cè)試設(shè)備。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述位移為萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)自帶的位移傳感器測(cè)量橫梁的位移或者使用外加的位移傳感器所測(cè)量的模沖的位移。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述壓縮模具的直徑為5mm至30mm; 更優(yōu)選直徑10 15mm,重復(fù)測(cè)量效果較佳，材質(zhì)為鋼質(zhì)或硬質(zhì)合金。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于測(cè)量前在壓縮模具內(nèi)壁涂抹硬脂酸四 氯化碳溶液、硬脂酸、硬脂酸鋅、石墨和/或機(jī)油。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于壓制出的樣品的外形為長(zhǎng)徑比1:2-1:10 的圓片狀粉末壓坯，使粉體與壓縮模具內(nèi)壁之間的外摩擦力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影 響較??；長(zhǎng)徑比1:3-1:10的粉末壓坯更有利于穩(wěn)定獲得測(cè)試數(shù)據(jù)。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于超細(xì)和納米碳化鎢粉體的粘著力較大， 經(jīng)300 500MPa壓力壓制成型后，可以獲得較高的壓坯強(qiáng)度，脫模時(shí)可以獲 得完整的坯體；在萬(wàn)分之一克測(cè)量精度的電子天平上稱(chēng)量坯體質(zhì)量m，用千
分尺測(cè)量坯體最終高度/7。。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于取出坯體后，將模具放到萬(wàn)能力學(xué)實(shí) 驗(yàn)機(jī)上，采用單向或雙向的方法連續(xù)壓縮模具，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄在某一壓力 下模具及其它構(gòu)件所發(fā)生的彈性變形。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于壓強(qiáng)為Pi時(shí)，坯體相對(duì)密度是由下式
求得，
A 一 ",[//0 + (丄0-(1)
其中p,是壓強(qiáng)為Pj時(shí)壓坯的相對(duì)密度，p是所測(cè)粉末的理論密度，m 是壓坯的質(zhì)量，r是壓坯的半徑，A。是壓坯最后高度，丄。是傳感器所測(cè)最后 的位移，Z,是壓力為Pi時(shí)，傳感器所測(cè)位移，A/,是壓力為Pi時(shí)，模具及其 它構(gòu)件所發(fā)生的彈性變形。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于將壓力Pi除以坯體橫截面積得到壓強(qiáng) 并對(duì)壓強(qiáng)取以e為底的對(duì)數(shù)；做壓坯相對(duì)密度與壓強(qiáng)對(duì)數(shù)的曲線，然后分別
做出低壓和高壓曲線段的切線、并延長(zhǎng)得到交點(diǎn)，確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)處表觀的臨界 壓力。
6一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于用氮?dú)馕椒ɑ驂汗y(cè)定一定質(zhì)量 的納米或超細(xì)碳化鎢粉體中的孔徑分布，根據(jù)孔徑分布測(cè)出"團(tuán)聚體"內(nèi)孔隙 的累積體積，代入下式計(jì)算"團(tuán)聚體"的相對(duì)密度
<formula>formula see original document page 7</formula>(2)
其中X = (p是碳化鎢粉末的理論密度)，y為用N2吸附法或壓汞
法測(cè)量的每克碳化鎢粉中"團(tuán)聚體"內(nèi)孔隙的體積。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于在測(cè)定的壓坯密度與壓強(qiáng)曲線中，讀 出轉(zhuǎn)折點(diǎn)處坯體的相對(duì)密度A，"團(tuán)聚體"的相對(duì)密度為p，，貝lj"團(tuán)聚體"間 的孔隙度f(wàn)可由下式求得。
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于將轉(zhuǎn)折點(diǎn)處表觀的等靜壓力"和"團(tuán) 聚體"間的孔隙度e ，代入下式可算出"團(tuán)聚體"中一次顆粒的結(jié)合強(qiáng)度。
<formula>formula see original document page 7</formula> (4)
本發(fā)明對(duì)Niesz等人的方法進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用對(duì)象是超細(xì)和納米碳化鉤 粉體，技術(shù)關(guān)鍵是在萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上采用單向或雙向連續(xù)的壓縮鋼制模具 中納米或超細(xì)碳化鎢粉體，與實(shí)驗(yàn)機(jī)相聯(lián)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄壓縮過(guò)程中壓力 與橫梁的位移，通過(guò)算法將位移轉(zhuǎn)換成壓坯相對(duì)密度，做出壓坯密度與壓強(qiáng) 的關(guān)系曲線，確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的臨界壓力，根據(jù)"團(tuán)聚體"的相對(duì)密度等算出"團(tuán) 聚體"間的孔隙度，結(jié)合臨界壓力算出一次顆粒結(jié)合強(qiáng)度。
下面通過(guò)具體實(shí)施方式
和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但不意味著對(duì)本 發(fā)明保護(hù)范圍的限制。


圖1是平均粒徑為100nm的碳化鎢粉末壓坯的相對(duì)密度與壓強(qiáng)對(duì)數(shù)的 關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
原料平均粒徑為100nm的碳化鎢粉體。
測(cè)試過(guò)程
(1) 在托盤(pán)電子天平上稱(chēng)取2.5g上述碳化鉤粉末，放入直徑為10mm 的鋼制模具中，采用單向壓縮方法在CMT5000型萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上連續(xù)壓 縮粉體，壓頭的移動(dòng)速度為0.5mm/s。
(2) 經(jīng)300MPa壓力壓制成型后，仔細(xì)脫模獲得形狀完整的坯體。在 電子天平上稱(chēng)量坯體質(zhì)量為2.30g，用千分尺測(cè)量坯體最終高度4.500mm。
(3) 取出粉末以后將模具放到萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上，采用單向或雙向的 方法連續(xù)壓縮模具，電腦自動(dòng)的記錄在某一壓力下模具及橫梁所發(fā)生的彈性 變形。
(4) 將所得到的數(shù)據(jù)代入(1)式，算出壓強(qiáng)為Pi壓坯時(shí)，坯體相對(duì)密度； 將壓力Pi除以坯體橫截面積得壓強(qiáng)并取以e為底的對(duì)數(shù)；做壓坯相對(duì)密度與 壓強(qiáng)對(duì)數(shù)的曲線如附圖l，分別做低壓和高壓曲線段的切線、并延長(zhǎng)得到交 點(diǎn)，確定出轉(zhuǎn)折點(diǎn)處表觀的臨界壓力為36,0MPa。
(5) 用氮?dú)馕椒y(cè)定了超細(xì)粉末的孔徑分布，發(fā)現(xiàn)小于25nm的孔 為"團(tuán)聚體"內(nèi)的孔隙，"團(tuán)聚體"內(nèi)的孔隙累積體積為0.012ml/g，代入(2) 式計(jì)算出"團(tuán)聚體"的相對(duì)密度為84%。
(6) 如圖l所示，是平均粒徑為lOOrnn的碳化鎢粉末壓坯的相對(duì)密度 與壓強(qiáng)對(duì)數(shù)的關(guān)系曲線。在圖1中讀出曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處坯體的相對(duì)密度為 0.32，根據(jù)孔徑分布計(jì)算出的"團(tuán)聚體"的相對(duì)密度為0.84，則代入(3)式算 出"團(tuán)聚體"間的孔隙度為0.62;再將轉(zhuǎn)折點(diǎn)處表觀的臨界壓力和"團(tuán)聚體"間 的孔隙度代入(4)式算出"團(tuán)聚體"中一次顆粒的結(jié)合強(qiáng)度為53.5MPa。
重復(fù)進(jìn)行了3次測(cè)量，結(jié)果分別為52.6MPa， 55.0 MPa， 49.6 MPa，均 值為52.7MPa，測(cè)試結(jié)果具有較高的精度。
權(quán)利要求
1、一種測(cè)量超細(xì)或納米碳化鎢粉末中團(tuán)聚體內(nèi)一次顆粒結(jié)合強(qiáng)度的方法，其步驟如下(1)在萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上，在單向或雙向連續(xù)的壓縮模具中加入超細(xì)或納米碳化鎢粉體；(2)根據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄的壓縮過(guò)程中壓力與位移，做壓坯密度與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線，確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)處表觀的臨界壓力；(3)根據(jù)“團(tuán)聚體”的相對(duì)密度等算出“團(tuán)聚體”間的孔隙度；(4)結(jié)合臨界壓力計(jì)算出碳化鎢一次顆粒的結(jié)合強(qiáng)度暨碳化鎢“團(tuán)聚體”強(qiáng)度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中所述萬(wàn) 能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)為各種壓縮壓力達(dá)到5KN以上的力學(xué)測(cè)試設(shè)備。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中所述位 移為萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)自帶的位移傳感器測(cè)量橫梁的位移或者使用外加的位 移傳感器所測(cè)量的模沖的位移。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中所述壓 縮模具的直徑為5mm至30mm;材質(zhì)為鋼質(zhì)或硬質(zhì)合金。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(1)加入超細(xì) 或納米碳化鎢粉體之前在壓縮模具內(nèi)壁涂抹硬脂酸四氯化碳溶液、硬脂酸、 硬脂酸鋅、石墨和/或機(jī)油。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中所述壓縮模具經(jīng)300 500MPa壓力壓制成型，脫模時(shí)獲得完整的坯體；稱(chēng)量坯體質(zhì) 量m，測(cè)量坯體最終高度/ 。。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(2)取出坯體 后，將模具放到萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上，采用單向或雙向的方法連續(xù)壓縮模具， 計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄在某一壓力下模具及其它構(gòu)件所發(fā)生的彈性變形。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(2)中壓強(qiáng)為 Pi時(shí)，坯體相對(duì)密度是由下式求得，<formula>formula see original document page 2</formula>其中A是壓強(qiáng)為Pi時(shí)壓坯的相對(duì)密度，p是所測(cè)粉末的理論密度，m 是壓坯的質(zhì)量，r是壓坯的半徑，/z。是壓坯最后高度，丄。是傳感器所測(cè)最后 的位移，丄,是壓力為Pi時(shí)，傳感器所測(cè)位移，A/,是壓力為Pj時(shí)，模具及其它構(gòu)件所發(fā)生的彈性變形。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(2)中將壓力 Pi除以坯體橫截面積得到壓強(qiáng)并對(duì)壓強(qiáng)取以e為底的對(duì)數(shù)；做壓坯相對(duì)密度與壓強(qiáng)對(duì)數(shù)的曲線，然后分別做出低壓和高壓曲線段的切線、并延長(zhǎng)得到交 點(diǎn)，確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)處表觀的臨界壓力。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(3)是用氮 氣吸附法或壓汞法測(cè)定一定質(zhì)量的納米或超細(xì)碳化鎢粉體中的孔徑分布，根 據(jù)孔徑分布測(cè)出"團(tuán)聚體"內(nèi)孔隙的累積體積，代入下式計(jì)算"團(tuán)聚體"的相對(duì) 密度<formula>formula see original document page 3</formula>其中x = (p是碳化鎢粉末的理論密度)，y為用N2吸附法或壓汞 法測(cè)量的每克碳化鎢粉中"團(tuán)聚體"內(nèi)孔隙的體積；在測(cè)定的壓坯密度與壓強(qiáng)曲線中，讀出轉(zhuǎn)折點(diǎn)處坯體的相對(duì)密度A，"團(tuán) 聚體"的相對(duì)密度為/V.，貝U"團(tuán)聚體"間的孔隙度f(wàn)可由下式求得；P鄉(xiāng) 。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(4)是將轉(zhuǎn) 折點(diǎn)處表觀的等靜壓力^和"團(tuán)聚體"間的孔隙度f(wàn) ，代入下式可算出"團(tuán)聚 體"中一次顆粒的結(jié)合強(qiáng)度。<formula>formula see original document page 3</formula>
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于壓制出的樣品的外形為長(zhǎng)徑比1:2-1:10的圓片狀粉末壓坯。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量超細(xì)或納米碳化鎢粉末中“團(tuán)聚體”內(nèi)一次顆粒結(jié)合強(qiáng)度的方法，其步驟如下(1)在萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上，在單向或雙向連續(xù)的鋼或硬質(zhì)合金壓縮模具中加入超細(xì)或納米碳化鎢粉體；(2)根據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄的壓縮過(guò)程中壓力與位移，做壓坯密度與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線，確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)處表觀的臨界壓力(3)根據(jù)“團(tuán)聚體”的相對(duì)密度等算出“團(tuán)聚體”間的孔隙度；(4)結(jié)合臨界壓力計(jì)算出碳化鎢一次顆粒的結(jié)合強(qiáng)度暨碳化鎢“團(tuán)聚體”強(qiáng)度。本發(fā)明的方法利用通用力學(xué)測(cè)試設(shè)備，操作簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)G01N3/00GK101458185SQ20071017933
公開(kāi)日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2007年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日
發(fā)明者曹瑞軍, 林晨光, 賈成廠 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院