【论文介绍】玻璃纤维增强KNO3基水溶性盐芯的组织与性能

研究背景

随着航空、航天、汽车等行业的集成化、轻量化和薄壁化的快速发展，铸件的内腔变得越来越狭窄和复杂，并且铸件的尺寸精度要求也更高，特别是以铝、镁、锌合金为代表的有色合金精密铸件。这些复杂内腔结构一般很难用机械加工或其他工艺成形，工业上一般采用型芯成形的方法，这使得型芯不仅需要较高的强度和尺寸精度，还需要很好的溃散性以便于清理，传统的砂芯难以满足使用要求。

水溶性盐芯具有较高的强度和尺寸精度，同时还具有优异的水溶溃散性，在复杂内腔结构铸件的制造中有着广泛的应用前景。本文以70mol%  KNO₃-30mol% KCl为水溶性盐芯的基体材料，以玻璃纤维为增强材料，采用搅拌法制备了性能优异的KNO₃基水溶性盐芯。

结果展示

图1是玻璃纤维含量对盐芯的抗弯强度和冲击韧性的影响关系图。由图2可知，随着玻璃纤维含量的增强，盐芯的抗弯强度和冲击韧性不断增大。当玻璃纤维的含量为30%, 盐芯的抗弯强度和冲击韧性达到最大值，分别为（38.85±0.61）MPa和（2.13±0.1）kJ/m²。由此可见，以玻璃纤维作为增强材料，采用搅拌铸造法制备盐芯，可显著改善盐芯的强度和韧性。当玻璃纤维的含量超过30%时，会降低盐熔液的流动性，容易产生浇不足等缺陷，难以保持盐芯的完整性。

图1 玻璃纤维含量对盐芯的抗弯强度和冲击韧性的影响

图2为玻璃纤维含量对盐芯水溶速率和吸湿率的影响关系图。从图2可以看出，盐芯的水溶速率和吸湿率随着玻璃纤维含量的增加而减小。当玻璃纤维的含量为30%时，盐芯的水溶速率为（476.5±12.0） g/(min·m²)，吸湿率为（0.085±0.007）%。盐芯水溶速率的降低是因为玻璃纤维是不溶于水的材料，会覆盖一部分盐芯，导致盐芯和水的接触面积减小，从而增加了盐芯的水溶时间。玻璃纤维增强的盐芯在溶解过程中适当增加外力场（如震动、超声等）可提高盐芯的水溶速率。另外，玻璃纤维的吸湿性比无机盐低，而且玻璃纤维的存在降低了盐芯与空气的接触面积，从而导致盐芯吸湿率的降低，这有利于盐芯试样的保存。

图2 玻璃纤维含量对盐芯水溶速率和吸湿率的影响

图3为30%玻璃纤维增强的盐芯断口形貌及相应能谱结果图。由图3（a）可以看出，玻璃纤维均匀分布于盐芯基体中，并且盐芯断口中有很多纤维拉拔孔存在。图3（a）中红色方框的能谱结果分别对应于图3（b）～（d）。结合KNO₃-KCl相图和能谱结果可以分析出，盐芯的凝固组织是由KCl初生相、KNO₃+KCl共晶相和玻璃纤维组成，图3（a）中白色块状晶体为KCl初生相，灰色区域为KNO₃+KCl共晶相。

图3 30%玻璃纤维增强的盐芯断口形貌(a)及位置1(b)，2(c)，3(d)能谱结果

图4为不同含量玻璃纤维增强的水溶性盐芯的微观形貌图。由图可知，玻璃纤维的加入显著细化了盐芯中KCl初生相，随着玻璃纤维含量的增加，晶粒细化作用更加明显。从图4（a）中可以看出，玻璃纤维的含量为0%时，盐芯中KCl初生相为粗大且不规则的树枝状晶，其平均晶粒尺寸为57.89 μm。当玻璃纤维的含量为10%和20%时，盐芯中KCl初生相明显细化，由最开始的粗大树枝状晶转变为花瓣状晶（图4（b）和4（c））。当玻璃纤维的含量为30%时，KCl初生相得到进一步细化，形成大量细小的块状KCl相（图4（d）），其平均晶粒尺寸为24.13 μm。玻璃纤维细化盐芯中KCl初生相的机理之一是熔盐在凝固过程中，玻璃纤维在熔盐的固-液界面上富集，发生溶质再分配，增大了熔盐的成分过冷，从而细化了KCl初生相；此外，由于外来玻璃纤维的引入，晶体生长依附于玻璃纤维表面形核长大，促进异质形核。盐芯中KCl初生相的细化有益于盐芯强度的提高，这也解释了图1中盐芯的抗弯强度随玻璃纤维含量的增加而增加的结果。

图4不同含量玻璃纤维增强的水溶性盐芯的微观形貌

（a）70mol% KNO₃-30mol% KCl；（b）70mol% KNO₃-30mol% KCl+10%玻璃纤维；（c）70mol% KNO₃-30mol% KCl+20%玻璃纤维；（d）70mol% KNO₃-30mol% KCl+30%玻璃纤维

当玻璃纤维的含量从0%增加到30%时，盐芯的冲击韧性从0.517 kJ/m²增长到2.13 kJ/m²，说明玻璃纤维能够很好地提高盐芯的韧性。玻璃纤维对水溶性盐芯的增韧机制可以归纳为纤维拔出和裂纹偏转，其示意图如图5所示。由于玻璃纤维的拉伸强度较高不容易发生断裂，当载荷由盐芯基体向玻璃纤维传递时，玻璃纤维从盐芯基体中拔出，具体表现为在裂纹扩展过程中玻璃纤维拔出而产生能量的耗散（图5（a）），从而提高盐芯的韧性。另外，玻璃纤维在盐芯中作为第二相存在，裂纹在扩展过程中遇到玻璃纤维会发生偏转，增加了裂纹的扩展路径（图5（b）），从而吸收更多的能量，使盐芯的韧性得到提高。盐芯基体中玻璃纤维含量越多，裂纹偏转的路径和纤维拔出数量就越多，盐芯的增韧效果就越明显。

图5水溶性盐芯增韧机制示意图

（a）纤维拔出；（b）裂纹偏转

为了能更直观地观察盐芯中裂纹的扩展路径，采用扫描电镜对盐芯的断口进行分析。图6为水溶性盐芯的裂纹扩展路径，由图中可以看出，裂纹在扩展过程中遇到玻璃纤维发生了纤维拔出（图6（a））和裂纹偏转（图6（b）），裂纹扩展能量不断地被消耗，导致盐芯冲击韧性提高。

图6 水溶性盐芯的裂纹扩展路径

（a）纤维拔出；（b）裂纹偏转

原文出处：

玻璃纤维增强KNO₃基水溶性盐芯的组织与性能

 龚小龙，樊自田，胡胜利，杨致远，刘富初，蒋文明 

材料工程，2021，49(2)：73-78.

Doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000354

【科普系列】“砸不碎”的玻璃

【论文介绍】含紧固件碳纤维复合材料雷击损伤电热耦合仿真分析与实验研究

【论文介绍】PA66纤维浸滞多孔铝基陶瓷型芯气孔率的影响