烧结硬化过程对材料性能的影响

本节对比分析不同配比PTFE/Al/W试样的烧结硬化工艺对材料准静态力学响应行为的影响规律。

不同组分配比及制备工艺试样的基本力学性能参数如表4.8所示。从表中可以看出，对于组分配比相同的材料，烧结硬化试样较冷压成型试样的密度更低。这主要是因为在烧结过程中PTFE基体膨胀，部分PTFE发生分解反应并释放四氟乙烯气体，在材料内部形成孔隙，从而导致试样孔隙率增加，体积增大，导致材料密度下降。在准静态力学性能实验中，为提高实验结果可靠性，对每种状态试样进行两次实验。压缩实验的结果表明，冷压成型试样和烧结硬化试样的典型应力-应变曲线有显著差异。

表4.8　不同组分配比及制备工艺试样的基本力学性能参数

图4.21所示为不同组分配比试样的应力-应变曲线及变形破坏特征，结合表4.8所示的实验结果可知，随材料密度从2.73 g/cm3逐步增加至9.65 g/cm3，冷压成型活性材料的失效应力从10.38 MPa提高至28.02 MPa。烧结硬化后，其对材料力学性能的主要影响为材料失效应力及屈服强度的显著提升。当材 料 密 度 从2.61 g/cm3增 加 至9.28 g/cm3时，材 料 屈 服 强 度 从9.20 MPa提高至29.60 MPa，A2和A4材料未发生失效，其余材料失效强度均显著提高。烧结硬化工艺使活性毁伤材料断裂韧性提高主要是因为高温烧结（烧结温度高于PTFE的熔点327℃）使PTFE基体熔化后重结晶，增强了基体之间和基体与颗粒之间的连接强度，从而显著增强材料断裂韧性。

图4.21　不同组分配比试样的应力-应变曲线及变形破坏特征

图4.21　不同组分配比试样的应力-应变曲线及变形破坏特征（续）

图4.21　不同组分配比试样的应力-应变曲线及变形破坏特征（续）

对比图4.21中不同类型PTFE/Al/W活性毁伤材料试样压缩前后变形破坏特征，可以看出，不同组分配比冷压成型的试样在加载后快速失效，在试样圆柱面上可观测到大量明显裂纹，压缩后试样未发生明显的塑性变形。相比之下，不同密度的烧结硬化材料试样在压缩作用下，变形显著，由初始圆柱状变为较薄圆饼状，塑性明显增强。A2、A4、A6三种试样在压缩下未发生显著破坏，A8试样在圆饼边缘出现明显断裂。这主要是因为该密度的试样中，金属颗粒含量太高，导致试样内出现独特的颗粒间流动行为。

对烧结硬化活性毁伤材料试样在不同变形量下响应行为的对比分析，可通过准静态压缩过程中预设不同的工程应变量实现。以A5材料为例，设置加载工程应变分别为20％、30％、40％、50％、60％和80％，试样变形特征如图4.22所示。从图中可以看出，随着变形量增大，试样鼓包变形加剧，变形量达到约80％时，试样边缘出现了明显的开裂。

图4.22　不同变形量条件下活性毁伤材料试样变形特征

图4.23所示为各类试样压缩前的细观结构。观察可知金属颗粒被PTFE基体包覆，通过基体之间的黏结力将其连接并组成具有一定强度的整体。在烧结硬化活性毁伤材料试样中，PTFE基体经过熔化和重结晶过程在试样表面形成如图4.23（b）、（d）、（f）、（h）中所示的颗粒状PTFE凝聚物。与此同时，由于烧结过程中基体材料少量分解并产生气体，从而在试样表面形成许多孔隙，如图4.23（d）和（h）所示。由于PTFE基体未烧结前以离散粉末形式分布，故在冷压成型试样表面可观测到基体分布状态松散，在局部区域可观察到大量缺陷，如图4.23（e）和（g）所示。造成以上现象的主要原因是，在高温烧结硬化过程中PTFE基体经历了熔融和重结晶过程，该过程使松散粉体状的PTFE基体熔融、聚合，包覆金属颗粒，形成坚实、连续的整体。而缺乏该熔融/重结晶过程的冷压烧结材料，基体则较为松散，内部缺陷较多，细观结构孔洞明显。因此，烧结硬化材料基体与金属颗粒之间的黏结作用显著高于分散式介质与金属颗粒之间的黏结作用，材料整体塑性更好，强度更大。(www.xing528.com)

图4.23　不同组分配比试样压缩前的细观结构

不同组分配比冷压成型试样压缩后的细观结构如图4.24所示。观察可知，在压缩作用下，因破坏失效，试样表面形成大量材料剥落麻坑及裂纹。在更高放大倍数下，可观察到麻坑内部有少量基体材料纤维。而对裂纹来讲，其断口整洁，裂纹贯穿至材料内部。当材料密度较高时（A7），除了可观察到试样表面麻坑，还可观察到在压缩作用下试样表面及边缘发生的大量材料脱落。而在材料内部，可观察到明显的金属颗粒聚集现象。表明高密度材料金属颗粒含量较高，金属颗粒不易与基体混合均匀，导致材料脆性显著，延展性降低。

图4.24　不同组分配比冷压成型试样压缩后的细观结构

图4.24　不同组分配比冷压成型试样压缩后的细观结构（续）

图4.25所示为不同组分配比烧结硬化试样压缩后的细观结构。从图中可以看出，在准静态压缩载荷作用下，烧结硬化试样圆柱面上产生裂纹。而在裂纹断面之间，由于拉伸作用，形成了大量纳米级PTFE纤维丝，在裂纹断口两断面形成桥接。在压缩过程中，因应力集中，初始裂纹通常产生于材料内部缺陷或孔隙附近，随着压缩过程继续，裂纹逐渐扩展并沿缺陷所在位置传播。而在此过程中，PTFE基体因剧烈塑性变形，拉伸断裂形成大量纳米级纤维丝，并交织形成网络。该纤维网络的连接作用，在很大程度上阻碍裂纹的不断形成和扩展，从而显著增强材料的塑性和强度。

图4.25　不同组分配比烧结硬化试样压缩后的细观结构

图4.25　不同组分配比烧结硬化试样压缩后的细观结构（续）

不同变形量条件下冷压成型试样的细观结构如图4.26所示。在变形量为20％时，试样边缘出现了少量麻坑，由压缩过程中试样材料脱落造成，未观察到显著断裂及破坏。随变形量从20％增大至80％，试样边缘破坏程度和表面麻坑分布量显著提高。且随压缩量增加，试样出现明显破坏区域。进一步观测表明，PTFE基体发生剧烈塑性变形，但并未形成致密的PTFE纤维网络。

图4.26　不同变形量条件下冷压成型试样的细观结构

图4.26　不同变形量条件下冷压成型试样的细观结构（续）