[科普中國]-體積密度

簡介

材料在包含實體積、開口和密閉孔隙的狀態(tài)下單位體積的質量稱為材料的體積密度。在建筑材料中,對材料的質量和體積之比稱為密度。在不同構造狀態(tài)下又可分為真密度、表觀密度和堆積密度，而表觀密度又根據(jù)其開口孔分為體積密度和視密度。

新型功能材料的研究與發(fā)展，是當今材料科學的重要課題。由于復合材料各組分之間能取長補短，極大地彌補了單一材料的缺點。溫敏復合材料作為其中之一，具有驅動功能，并能夠響應外界變化以及當外部刺激消除后，能夠恢復到原始狀態(tài)這一特性，被廣泛的應用于驅動、傳動和控制元件等工程中，如恒溫閥、采暖系統(tǒng)中的控溫閥、雙向微驅動器等。那么保證溫控元件的可靠性、準確性和穩(wěn)定性就顯得尤為重要了，因此就需要更好的去探討和研究溫敏材料在相應的溫度條件下的體積膨脹率及其影響因素。測試了納米銅/ 石蠟復合材料在不同體積密度下的體積膨脹率以及熱循環(huán)性，研究了體積密度對納米銅/ 石蠟復合材料熱膨脹性能的影響1。

壓制后金屬銅粒/石蠟復合材料顆粒的變化取少量金屬銅/ 石蠟復合材料并在石油醚中浸泡兩個星期，發(fā)現(xiàn)粒子仍粗大，未完全浸泡開，采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對壓制后該復合材料形貌進行觀察。復合材料由于石蠟的粘結作用仍然團聚， 但是已經(jīng)出現(xiàn)開始分散的現(xiàn)象，這和初始狀態(tài)有較大的差別。在球磨前，加入的電解銅粉為樹枝狀，其粒徑大小約為74μm，而在球磨后壓制前為復合顆粒，且較易分散。這就說明復合材料在溫壓工藝的環(huán)境下具備了良好的致密度和強度， 并且當電子束打在復合材料上時， 圖像發(fā)生微移，說明石蠟較好的包覆在銅粉顆粒表面。從而降低了銅粉顆粒的表面能， 提高了復合材料的穩(wěn)定性。此外，液態(tài)石蠟的加入有效降低了銅粉顆粒在球磨中的團聚現(xiàn)象，提高了球磨效率2。

體積密度對升溫過程體積膨脹率的影響在相同的溫度下，隨著復合材料體積密度的增大，材料的體積膨脹率也不斷增大。同時，隨著外界溫度的不斷升高，其體積膨脹率也不斷增大。此過程中，包覆在銅顆粒表面的石蠟，發(fā)生了固相轉晶和固-液相變，從而使其體積發(fā)生膨脹。

在復合材料壓制時，均是以緩慢加壓方式進行。主要是因為如果加壓速率過快，空氣的逸出就比較困難，但孔隙始終存在，這就影響了復合材料的體積膨脹率。研究中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)兩組樣品加熱前的壓縮量差和在加熱后膨脹量的對比，并不是所有的孔隙在石蠟發(fā)生相變后完全排出，只有部分被填充。這個填充部分可能來自于試樣的邊界處，而靠近中心部分的孔隙很難被排出， 這可能與復合材料的流動性有關3。

體積密度對熱循環(huán)性的影響體積密度隨壓制壓力的增大而增大，當壓制壓力增大到900 MPa 以上時，其體積密度就開始趨近于銅的真密度。而本文研究的復合材料體積密度很難到達這一值，其主要原因是石蠟的加入量較大。因為石蠟的密度較小，一般在0.88～0.915 g/cm3，從而影響了整個復合材料的密度。由于溫敏復合材料在實際應用中，受外部溫度變化，而產生體積膨脹。其膨脹后體積密度會減小，為了使其溫敏材料達到原始體積密度，一般在應用設備中都會裝置彈簧使其回復到初始狀態(tài)。

熱循環(huán)性主要是指納米銅/石蠟復合材料在經(jīng)加熱和冷卻交替變換后，能保證的體積膨脹率。其體積膨脹率波動較小，基本保持在允許范圍內，所以當體積密度在6.10 g/cm3 時此復合材料可能處于一個飽和狀態(tài)，即在其內部可能存在無法避免的孔隙，但對其材料的體積膨脹率影響較小。若繼續(xù)增大復合材料的體積密度，則需更大的壓制壓力，同時可能會進一步加強銅顆粒的加工硬化程度，以及將需要更大的壓制壓力將其回復到初始狀態(tài)，那么材料在實際應用中，將很難達到原來的致密狀態(tài)2。

總結(1) 體積密度對納米銅/石蠟復合材料的熱膨脹性能有顯著的影響，復合材料的體積膨脹率隨體積密度的增加而增大。

(2) 體積密度為4.62 g/cm3 時，復合材料具有良好的體積膨脹率。

(3) 50℃時，體積密度為4.62 g/cm3 時復合材料具有較好的熱循環(huán)性， 過大的體積密度會影響復合材料的熱穩(wěn)定性2。