运动磁场驱动磁性颗粒制备ZrO2/Ni功能梯度材料研究

项目针对采用静磁场制备功能梯度材料时组元成分梯度小的缺点，开展运动磁场驱动磁性颗粒制备ZrO2/Ni功能梯度材料关键科学问题的研究。利用磁场对磁性颗粒的磁作用，将用运动磁场作用于ZrO2-Ni复合浆料，Ni颗粒在磁力驱动下随磁场迁移，沿磁场运动方向呈梯度分布，经干燥、烧结等工序，制成ZrO2/Ni功能梯度材料。研究磁场空间分布、磁场强度、磁场运动速率、磁场作用次数、浆料粘度、颗粒粒度以及固相含量等因素对样品组元分布的影响规律，探索运动磁场作用下磁性颗粒迁移的动力学过程，解决运动磁场中湿法制备ZrO2/Ni材料的关键问题，制备出具有大成分梯度、结构致密的ZrO2/Ni功能梯度材料。本项目提供了一种简便的、具有大成分梯度的功能梯度材料制备方法，属于外场作用制备功能梯度材料研究的前沿热点问题。项目不仅具有重要的基础研究价值，而且具有明确的应用前景。

项目基于组元磁导率差异，利用外磁场对磁性组元的磁驱动作用，设计、搭建了运动磁场驱动装置，分别采用垂直磁场驱动和平行磁场驱动两种方式制备了成分和性能连续变化的Ni/环氧树脂系和ZrO2/Ni系功能梯度材料。通过金相显微镜、紫外可见分光光度计、显微硬度仪、高绝缘电阻测量仪和振动样品磁强计等手段，系统研究了Ni浓度、磁场运动速度和磁场作用次数等因素对Ni/环氧树脂梯度材料成分分布、透光率、电阻率和饱和磁化强度的影响，研究了复合浆料成分（包括浆料固相分数、Ni含量、粒子粒径）和磁场驱动参数（包括磁场强度、磁场运动速度、磁场作用次数）等因素对ZrO2/Ni梯度材料组织和性能的影响。.主要研究结果如下：.采用平行磁场驱动制备的样品，Ni沿磁场方向呈梯度分布并形成链状团簇。随着Ni含量由5 wt.%增加至20 wt.%，样品中Ni成分梯度先增大后减小，15 wt.% Ni含量样品成分梯度达到最大值。随着磁场运动速度由1 mm/s增加至20 mm/s，样品成分梯度逐渐减小。经磁场作用2次至20次，形成的成分梯度逐渐增大。磁场作用次数超过10次后，体系结构基本稳定。.随着浆料固相分数的增加，样品致密度逐渐增加，而成分梯度却逐渐降低。采用抽滤过程进行脱水处理，能够在低固相分数的条件下获得较高致密度的样品。随着Ni含量由4 wt.%增加到20 wt.%，样品中Ni沿着磁场运动方向成梯度分布。在各成分样品中，沿长度方向形成了硬度和归一化饱和磁化强度梯度，其结果同Ni的成分分布相吻合。随着Ni和ZrO2粒径比的增加，Ni的成分梯度逐渐增加。在粒径比相当的情况下，降低Ni和ZrO2粒径，有助于成分梯度的增加。.随着磁场强度的增加，Ni沿着磁场运动方向梯度分布，且成分梯度逐渐增加。随着磁场运动速度的增加，Ni沿着磁场运动方向梯度分布，且成分梯度逐渐减小。当磁场运动速度增加到3 mm/s时，样品中基本无成分梯度形成。浆料中粒子移动与磁场作用次数有关。磁场作用次数越多，磁性粒子在浆料中运动的距离越长，最终形成成分梯度越大。建立了磁性粒子在运动磁场中的受力模型，合理解释了试验结果。.目前为止，项目培养研究生2名，录用SCI论文3篇，授权发明专利3项。