超声场耦合作用下C/Al界面润湿与传质行为

AlTiC是一种高效晶粒细化剂，TiC增强Al基复合材料是一种高性能结构材料。本申请项目，以其制备过程中C/Al润湿性差、TiC难以合成的关键技术问题为背景，依据超声的空化效应与声流作用，以改善C/Al界面的润湿性、强化传质过程、阻止Al4C3形成、促进TiC合成，然而，目前尚无适宜的理论，对超声场耦合下C/Al界面的润湿与传质行为机理作出描述。对此，拟采用自主研发的超声场强耦合与悬浮驱动技术，构建"C－Al熔体－超声场"界面润湿与传质体系，可获得显著的空化效应和声流作用，并为系统研究C/Al界面润湿与传质行为，提供了稳态声耦合界面条件。研究意义：可以揭示超声场耦合下的熔体反应机制，建立熔体反应的微观动力学模型，解析润湿传质规律与组织形成机制；通过表征微观组织参量与所在体系操作参数、以及声场协同条件间的定量关系，可以优化界面反应条件，为解决TiC合成的难点问题，提供理论依据与技术支持。

项目的背景：.在AlTiC 晶粒细化剂和TiCp增强Al基复合材料的原位合成过程中，C/Al界面润湿问题，已成为制约AlTiC晶粒细化剂和TiCp增强Al基复合材料制备与应用的技术瓶颈。本项目通过超声波的空化效应与声流作用，为C/Al润湿和充分反应提供了稳态声耦合界面条件；同时，空化效应在TiC界面产生高温热扰动，能激活“细化衰减” TiC粒子的形核活性，以形成适宜的理论能描述超声场耦合下C/Al界面行为机理，指导工业化生产过程。.主要研究内容：.（1）C/Al界面润湿行为研究。.（2）C/Al界面传质行为研究。.（3）熔体反应机制研究。.（4）TiC形核能力、界面结合性能评定与制备条件优化。.重要结果：.（1）经系统集成设计形成了可用于超声场耦合悬浮传质的实验装置和润湿装置，可以构建稳态的界面体系，从而为界面润湿与传质行为规律研究，提供良好的实验研究基础条件。.（2）解析了超声场耦合下C/Al界面润湿与传质机理，揭示合成过程C/Al界面微观组织结构的演化规律，建立TiC合成熔体反应的微观动力学模型；.（3）通过合成条件与声场协同参数优化，形成具有自主知识产权的高性能AlTiC晶粒细化剂和TiCp增强Al基复合材料超声场耦合制备技术，申请专利 1项。..关键数据及其科学意义：.（1）驻波水模实验中，超声功率为0.4KW时，聚苯乙烯粒子定向凝聚于波节，超声功率达到1.2KW时，聚苯乙烯粒子凝聚会遭到破坏。.（2）在保证空化效应的前提下，采用相对低频的声波，适宜的频率范围为15～20KHZ，适宜的声压范围为3P0～10P0 ，空化泡崩溃的最高压力和最高温度Pmax=7.3 ×108Pa,Tmax=29750 ℃。.（3）超声耦合下Al/C界面和Al-Ti/C界面的润湿过程只有准稳态减小和趋于稳定阶段，没有常规润湿过程的孕育阶段，同时，尽管在Al-Ti熔体/C界面发生了反应润湿，但是Al-Ti熔体/C界面的准稳态接触角仍小于Al熔体/C界面的准稳态接触角。.研究工作的科学意义在于：在构建“C－Al熔体－超声场”界面润湿与传质体系的基础上，拟通过超声场耦合座滴润湿实验和超声场耦合悬浮传质实验，系统研究了界面润湿、传质和反应等行为规律，建立熔体反应的微观动力学模型。