Metall. Mater. Trans. A: 热爆炸制备的Fe-Al金属间化合物多孔材料抗氧化研究

【引言】

金属间化合物多孔材料能够集多孔材料和金属间化合物的优异性能于一身，具有良好的高温强度、耐腐蚀、比表面积大等优点。目前，金属间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、耐磨损，使得其在轻量化结构材料、过滤和催化等领域具有良好应用前景。而Fe-Al金属间化合物目前的主要制备方法有反应合成、真空烧结和等离子喷涂等。燃烧合成法具有省时、节能等特点，但目前Fe-Al金属间化合物的燃烧合成制备还没有得到广泛研究。

【成果简介】

近日，中国矿业大学的王晓虹副教授（通讯作者）在Metallurgical and Materials Transactions A发表了最新的研究成果“Oxidation Resistance of Highly Porous Fe-Al Foams Prepared by Thermal Explosion”。在该文中，研究人员利用热爆炸法制备了Fe-Al金属间化合物多孔材料，并研究了Fe/Al分子比和热处理温度对相组成、气孔特性和抗氧化性的影响进行了研究。

【图文导读】

图1 反应物和热爆炸生成物的XRD图

图2 Fe-Al多孔材料在1000°C烧结1小时得到的生成物的XRD图

（a）20°到80°

（b）43°到46°

图3 Fe-Al多孔材料的SEM-BSE图和元素分布图

（a）700°C处理30分钟

（b）图（a）中Fe元素分布图

（c）图（a）中Al元素分布图

（d）1000°C处理1小时

（e）图（d）中Fe元素分布图

（f）图（d）中Al元素分布图

图4 Fe-50Al，Fe-45Al，Fe-40Al加热时的温度随时间变化曲线

图5 Fe-Al多孔材料在1000°C烧结1小时，膨胀行为和密度变化 

（a）宏观膨胀

（b）体积膨胀率、轴向膨胀率、径向膨胀率、密度膨胀率

图6 Fe-Al多孔材料的气孔结构

（a）断面SEM图

（b）Fe-50Al光镜图

（c）Fe-45Al光镜图

（d）Fe-40Al光镜图

图7 Fe-Al多孔材料在空气中加热到650°C处理72小时过程中质量增加值

图8 氧化的Fe-Al多孔材料的XRD图

（a）700°C烧结，650°C空气中氧化1小时

（b）1000°C烧结，650°C空气中氧化1小时

图9 Fe-Al多孔材料经650°C氧化1小时的表面XPS谱

（a）全元素分析

（b）Al 2p的高倍XPS谱

（c）Fe 2p的高倍XPS谱

（d）O 1s的高倍XPS谱

图10 Fe-Al金属间化合物多孔材料中气孔形成机制

（1）生坯压坯

（2）700°C烧结30分钟的Fe-Al多孔材料

（3）1000°C烧结1小时的Fe-Al多孔材料

（4）氧化以后的Fe-Al多孔材料

【小结】

采用热爆炸法制备了气孔率超过60%的Fe-Al多孔材料。主要结论如下：

开发了新型Fe-Al多孔材料烧结工艺，该方法省时、节能。加热速率能达到10°C•min-1，烧结温度最高可达1000°C，能够在4小时内制备出Fe-Al金属间化合物多孔材料。EDS结果表明未反应的Fe和中间相Fe2Al5形成了Fe- Fe2Al5壳-核结构。烧结温度增加到1000°C时，FeAl是最终产物中的主要生成相。随着Al元素含量的减少，热爆炸反应的着火点从623°C增加到636°C，而燃烧温度从1059°C降低到981°C。Fe-Al金属间化合物多孔材料的气孔率达59-61%，互通的孔径使得Fe-Al金属间化合物呈现开放的细胞结构，这使其在分离、隔热、催化方面具有重要用途。Fe-Al多孔材料的氧化增重符合抛物线形。随着铝含量的增加及烧结温度增加到1000°C时，能够提高Fe-Al多孔材料的抗氧化性，这和金属间化合物表面氧化层的形成有关。

文献链接：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）

本文由材料人编辑部金属组 杨树 供稿，材料牛编辑整理。

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