铜包铁微粒增强Mg-Zn-Ca非晶基复合材料的制备与降解行为的研究

作     者：陈鹏 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔春翔

授予年度：2018年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：非晶基复合材料 颗粒增强 化学镀铜 力学性能 偶氮染料降解 

摘      要：Mg-Zn-Ca非晶合金是一种兼具独特力学性能和功能特性的镁合金,其良好的生物可降解性和出色的分解偶氮染料的能力引起了功能材料领域的广泛关注。然而,Mg-Zn-Ca块体非晶合金的室温宏观塑性几乎为零,这一劣势限制了该合金的进一步应用。另外,人们对Mg-Zn-Ca非晶合金降解偶氮染料的化学机理还缺乏深入理解,尚需进一步研究。本文采用塑性Fe微粒作为增强体,通过化学镀铜涂层改善Fe微粒与MgZnCaSr非晶合金基体的润湿性,制备出Mg-Zn-Ca非晶基复合材料,系统研究了其压缩变形行为和偶氮染料降解性能,取得了以下主要结果。本文基于微米级球形Fe微粒设计了一种厚度极薄且涂层组织细小的化学镀铜方法。通过调整主盐浓度和络合剂的成分等工艺参数实现了涂层厚度的精确控制,成功地在直径约为20μm的球形Fe微粒表面镀覆了一种厚度约为40 nm的致密铜涂层。利用感应熔炼-铜模喷铸法制备了Fe/MgZnCaSr非晶基复合材料,研究发现Fe微粒表面化学镀铜层的厚度可显著影响复合材料的微观结构和力学性能。当铜厚度为40nm以下时,复合材料的基体具有全非晶态结构;而当厚度为400 nm时,复合材料样品心部的基体不再是全非晶态,还出现了MgZn晶化相。准静态轴向压缩试验表明,由于基体晶化导致基体性能退化,厚镀层Fe微粒的添加不能显著提高非晶合金的力学性能。而使用带有薄镀铜层的Fe微粒制备的复合材料样品表现出了优异的力学性能。当Fe微粒的体积分数为30%时,其抗压强度达到807 MPa,塑性达到约5%。本研究发现使用MgZn基非晶合金降解偶氮染料时,模拟污水中适当添加NaCl可显著提高偶氮染料的降解效率,当加入量为2 wt%以上时可实现对直接蓝6(DB6)快速降解。将非晶合金粉末加入污水中30 min后,DB6的降解比率可达到约90%以上。另外,本文还发现Fe/MgZnCaSr非晶复合材料薄带有比微米Fe粉和MgZnCa非晶合金薄带更强的偶氮染料降解能力。经过对样品在降解DB6污水过程中,其表面微观形貌的演化过程的分析,发现MgZn基非晶合金及其复合材料降解DB6的机理是一致的,其降解DB6的速度与合金自身在DB6溶液中的腐蚀速度呈正相关关系。两者都是通过自身的腐蚀化学反应使偶氮键断开,同时非晶合金表面生成的片状纳米ZnO结构具有强烈的化学吸附作用和光催化作用,在紫外光的照射下可以有效地降解偶氮染料。