烧结温度对材料强度和特性的影响

烧结工艺的影响主要体现在基体结晶度对活性毁伤材料性能的影响。具体来讲，影响基体结晶度的主要因素包括烧结温度、保温时间、冷却方式等。为此，选择PTFE/Al活性毁伤材料，研究烧结工艺对材料性能的影响。

1.烧结温度影响

首先，将完成干燥碎化的PTFE基体与Al粉按照73.5∶26.5的质量分数比均匀混合；然后，通过φ9.5 mm模具，在模制压力80 MPa、保压时间2 min条件下，压制成型；最后，模压成型的试样在惰性气氛保护下，通过烧结炉进行烧结硬化。为研究烧结温度对材料性能的影响，首先以5℃/min的升温速率将六组PTFE/Al材料试样加热 至250.0℃、275.0℃、300.0℃、325.0℃、350.0℃和375.0℃六个不同烧结温度，并在各烧结温度保温1 h，不同烧结温度的升温历程如图3.29所示。由于试样尺寸较小，保温结束之后，试样不进行二次保温，而是直接通过随炉降温方式冷却至室温。

图3.29　不同烧结温度的升温历程

不同温度烧结硬化活性毁伤材料的准静态应力-应变曲线及试样压缩变形特征如图3.30所示。可以看出，当烧结温度较低（250.0℃、275.0℃、300.0℃、325.0℃）时，应力-应变曲线上升至最高点后，快速下降，表明材料试样呈脆性特征，且随烧结温度升高，材料抗压强度升高。当烧结温度较高（350.0℃、375.0℃）时，材料应力-应变曲线在经历弹性段、屈服段之后，进入塑形段，曲线未下降表明材料试样未发生显著破坏。通过对比可知，材料由脆性向弹塑性转变的烧结温度范围在325～350℃范围内，这表明基体结晶度对活性毁伤材料力学性能影响显著。

观察测试活性毁伤材料试样可知，对于烧结温度为275℃的试样，在准静态压缩作用下，试样沿与加载方向成45°的方向发生破坏，产生贯穿破坏裂纹。随着烧结温度升高至325℃，压缩后试样呈现上端小、下端大的形状，并产生多条交叉裂纹，表明材料的抗压性能有了一定提升，压缩过程中试样略微发生塑性变形。当烧结温度继续升高至375℃时，试样呈现良好塑性，在压缩作用下未发生显著破坏，最终变成较薄的饼状结构。

图3.30　活性毁伤材料准静态应力-应变曲线及试样压缩变形特征

不同烧结温度活性毁伤材料试样细观变形特征如图3.31所示。在烧结温度较低时（250℃），试样断口较为整洁，氟聚物基体变形形成少量丝状纤维，活性毁伤材料呈现脆性力学性能。随着烧结温度升高至基体熔点附近（325℃），在压缩作用下，材料失效断口处形成大量直径较大PTFE纤维束。这表明，随着烧结温度升高，氟聚物基体结晶度有所提升。基体纤维束的形成会阻止裂纹形成及扩展，虽然材料整体依然呈现脆性，但整体强度有所提升。当烧结温度为375℃时，在材料断口处可观察到大量直径在纳米及微米尺度的PTFE纤维网络。这一方面表明在高温烧结条件下，基体材料已具备良好的结晶度；另一方面表明纤维网络的形成使活性毁伤材料呈现出良好的弹塑性。

图3.31　活性毁伤材料细观变形特征

2.冷却方式影响

为研究冷却方式对材料性能影响，在PTFE/Al活性毁伤材料试样组分均匀混合，并在模制压力80 MPa、保压时间2 min条件下压制成型后，首先以5℃/min的升温速率将三组材料试样加热至烧结温度375.0℃；然后，在烧结温度保温1 h；最后，分别通过随炉降温、自然环境降温和快速降温三种方式冷却至室温。三种降温冷却方式的温度时间历程如图3.32所示。(www.xing528.com)

图3.32　不同冷却方式的温度时间历程

通过随炉降温和快速降温两种冷却方式获得的典型活性毁伤材料试样如图3.33所示。通过对比可知，随炉降温所得试样总体呈规则圆柱体，上下端面平整，侧圆柱面光滑平直。快速降温所得试样形状发生显著体积收缩及形状畸变，上下端面内凹，侧圆柱面呈双曲形。这主要是因为，活性毁伤材料试样降温本质上是一个热传导过程，随炉降温时降温速率较慢，降温过程中试样由表及里温度梯度较小，允许试样充分完成热传导过程。而快速降温时，试样表面及内部温度梯度较大，热传导不充分，最终导致形状畸变。

图3.33　通过不同冷却方式获得的典型活性毁伤材料试样

通过随炉降温和快速降温两种冷却方式获得的活性毁伤材料细观结构如图3.34所示。从图中可以看出，对于随炉降温冷却试样，球形Al金属颗粒与周围PTFE基体在界面处紧密结合，大量丝状PTFE纤维包裹覆盖于金属颗粒表面，使二者形成良好联结。相比之下，对于快速降温冷却试样，球形Al金属颗粒与PTFE基体界面处存在较大空隙，表明二者结合较差；同时，仅可观察到少量PTFE纤维与Al金属颗粒联结较弱，未对金属颗粒形成包裹。

图3.34　通过不同冷却方式获得的活性毁伤材料细观结构

不同冷却方式导致的材料试样形状畸变可通过对试样特征尺寸的分析定量对比。通过特征尺寸对几何形状的描述如图3.35所示。快速冷却方式获得的试样整体从圆柱形变成侧圆柱面和端面内凹的圆柱形。对比于标准圆柱试样，变形后试样的几何形状可通过式（3.13）～式（3.15）定量描述：

图3.35　形状畸变试样的特征尺寸

式中，Dtop和Dbot分别为试样侧圆柱面上端和底端直径；Dmid为试样侧圆柱面中间位置的直径；D为上下端面平均直径；λ表征试样的收缩变形。

在随炉降温、自然环境降温和快速降温三种冷却方式下，分别随机选择三枚试样对其形状畸变进行测量和计算，结果如图3.36所示。可以看出，随冷却速率增加，材料试样收缩变形增加。从机理角度分析，主要是降温速率导致的柱状试样热传导过程和基体结晶度差异。活性毁伤材料主要由氟聚物基体和金属颗粒填充组分构成，热传导系数较小。降温速率较快，会导致试样结构温度梯度较为明显，表面降温速率快，重结晶更充分，材料收缩较大，最终导致试样呈现侧圆柱面和端面内凹的几何特征。

图3.36　不同冷却方式下试样周向尺寸收缩