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原位生长陶瓷晶须增强铝基复合材料的制备与性能

2020-12-12阅读(408)

原位生长陶瓷晶须增强铝基复合材料的制备与性能

论文摘要

铝基复合材料因具有低密度、高比强度、低膨胀系数、高温稳定性好等优点，成为金属基复合材料的研究重点，在航空航天、交通运输以及建筑等领域具有广泛的应用前景。陶瓷晶须材料由于具有低的缺陷密度、稳定的高温力学性能和化学性能以及高强度和高硬度，是复合材料的重要增强体。但是，采用传统粉末冶金法或铸造法制备的晶须增强铝基复合材料，由于增强体多以外加机械混合的方式与基体复合，所以存在晶须易团聚、界面反应严重和分散不均匀等问题。因此，探索获得晶须均匀分散并与基体稳定结合的新型复合材料制备方法，对于提高复合材料的性能并实现工业化应用具有重要意义。本文通过对晶须进行表面改性提高其分散性，或通过在铝基体原位生长陶瓷晶须增强体制备复合材料，并对其微观组织结构、力学性能、以及强化机理进行了系统研究。采用化学镀方法，以Al（NO3）3、 Cu（NO3）2、NiSO4和AgNO3为原料，在硼酸镁（Mg2B2BO5）晶须表面分别获得Al2O3和Cu、Ni、Ag金属包覆层，研究了不同混合方式对Mg2BB2O5晶须与铝粉混合分散性的影响，制备了表面改性晶须增强的铝基复合材料，并对其力学性能进行了研究。结果表明，表面包覆的Al2O3或Cu、Ni、Ag层能显著减少静电引力对陶瓷晶须造成的团聚作用，获得晶须与铝粉均匀混合的复合粉末；表面改性处理能够获得具有良好的两相过渡层，并明显增强铝基复合材料的硬度和耐磨性，证明了晶须增强体的分散性以及与基体的界面结合对复合材料的综合性能具有决定性的作用。采用反应合成方法，在铝基体上原位制备了陶瓷晶须。通过对含镁粉末、铝粉与硼酸的高能球磨预处理，煅烧制备出硼酸镁（Mg2B2BO5）、硼酸铝（Al4BB2O9）和铝酸镁（MgAl2O4）晶须，研究了预处理方式、煅烧温度和时间等条件对晶须生长的影响，并对铝基体上铝盐晶须的原位生长机理进行了探讨。结果表明，高能球磨预处理可以促进陶瓷晶须的生长，从而可以在相对于常规方法更低的温度下制备Mg2B2BO5、Al4BB2O9和MgAl2O4晶须，为在铝基体上原位生长陶瓷晶须提供了新的制备途径；煅烧温度对晶须生长的形貌影响显著，随着煅烧温度的升高，晶须平均尺寸和直径增大，800°C下煅烧可以获得直径达到1μm且长径比大于10的MgAl2O4晶须，而煅烧时间超过30min后对晶须形貌并无明显影响；通过对比不同原料配比的煅烧产物及煅烧过程的差热（DTA）分析，证明该类晶须的生长机制主要为SLS（溶液-液相-固相）机制。采用基体内原位合成法及高温热挤压处理制备了MgAl2O4晶须增强铝基复合材料，对原位生长MgAl2O4晶须的分布与结合状态进行了表征，研究了复合材料的微观组织结构、物理性能和力学性能，探讨了晶须增强铝基复合材料的强化机理。结果表明，MgAl2O4晶须由原料中的MgO及Al2O3反应生成，一定程度上减少了原料铝粉表面Al2O3对复合材料烧结时的负面影响；同时铝基体也参与反应，使新生成的MgAl2O4晶须能够与半熔融的铝基体相匹配生长，获得在原子层面匹配的MgAl2O4-Al界面；原位生长的MgAl2O4晶须能在铝基体中均匀分布，并与基体有良好的界面结合，有效提高了复合材料的硬度和强度及高温稳定性，当原料中Mg含量为15%时，生成MgAl2O4晶须含量为22.5%的复合材料硬度达120HV以上，软化温度达到400°C，热膨胀系数为18.5×10-6/°C；由于原位生长晶须具有均匀分散性，随着晶须含量的增高，晶须对铝基体的增强作用呈线性增加，当MgAl2O4晶须超过20%时，复合材料的强度、弹性模量和高温稳定性等综合性能达到最佳。复合材料的强化效果主要源于MgAl2O4晶须自身的陶瓷硬质特性、陶瓷晶须的弥散强化以及晶须构筑的网络骨架等因素。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 铝基复合材料
  • 1.2.1 铝基复合材料概述
  • 1.2.2 铝基复合材料的增强体
  • 1.2.3 铝基复合材料的研究制备趋势
  • 1.3 晶须材料
  • 1.3.1 晶须概述
  • 1.3.2 几类常见的晶须
  • 1.3.3 晶须增强复合材料
  • 1.3.4 晶须的生长方法及机理简介
  • 1.4 晶须增强铝基复合材料
  • 1.4.1 晶须增强铝合金复合材料的制备
  • 1.4.2 晶须的毒性
  • 1.4.3 晶须增强铝基复合材料的强化机制
  • 1.5 课题的提出及研究内容
  • 1.5.1 课题的提出
  • 1.5.2 主要研究内容
  • 第二章 实验原料、方法与设备
  • 2BB2O5晶须/Al基复合材料的研究'>2.1 表面改性的Mg2BB2O5晶须/Al基复合材料的研究
  • 2.1.1 实验原材料
  • 2BB2O5晶须/Al复合粉末的制备工艺'>2.1.2 表面改性Mg2BB2O5晶须/Al复合粉末的制备工艺
  • 2BB2O5和铝盐晶须的制备'>2.2 Mg2BB2O5和铝盐晶须的制备
  • 2.2.1 实验原材料
  • 2.2.2 晶须的制备工艺
  • 2O4晶须/Al基复合材料的制备'>2.3 原位生长MgAl2O4晶须/Al基复合材料的制备
  • 2.4 制备、检测设备及方法
  • 2.4.1 晶须与复合材料制备用仪器和设备
  • 2.4.2 主要测试设备与方法
  • 第三章 硼酸镁晶须增强铝基复合材料的研究
  • 2O3包覆Mg2BB2O5晶须处理'>3.1 Al2O3包覆Mg2BB2O5晶须处理
  • 2O3包覆改性Mg2BB2O5晶须/Al复合粉末混合方法的选择'>3.2. Al2O3包覆改性Mg2BB2O5晶须/Al复合粉末混合方法的选择
  • 3.2.1 粉末混合方法对晶须分散效果的影响
  • 3.2.2 粉末混合方法对复合材料硬度的影响
  • 3.2.3 粉末混合方法对复合材料耐磨性的影响
  • 2O3包覆Mg2BB2O5晶须含量对复合材料性能的影响'>3.3 Al2O3包覆Mg2BB2O5晶须含量对复合材料性能的影响
  • 2BB2O5晶须表面包覆金属处理'>3.4 Mg2BB2O5晶须表面包覆金属处理
  • 2BB2O5晶须表面包覆金属层形貌及表征'>3.4.1 Mg2BB2O5晶须表面包覆金属层形貌及表征
  • 2BB2O5晶须/Al基复合材料的制备'>3.4.2 表面镀Ag改性Mg2BB2O5晶须/Al基复合材料的制备
  • 2BB2O5晶须/Al基复合材料的硬度'>3.4.3 表面镀Ag改性Mg2BB2O5晶须/Al基复合材料的硬度
  • 2BB2O5晶须/Al基复合材料的摩擦磨损性能'>3.4.4 表面镀Ag改性Mg2BB2O5晶须/Al基复合材料的摩擦磨损性能
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 陶瓷晶须在铝基体上原位生长的研究
  • 4.1 引言
  • 2BB2O5晶须生长的研究'>4.2 Mg2BB2O5晶须生长的研究
  • 4.2.1 不同镁源对晶须生长的影响
  • 4.2.2 粉末混合方式对晶须生长的影响
  • 2BB2O5晶须生成的影响'>4.2.3 煅烧温度对Mg2BB2O5晶须生成的影响
  • 2BB2O5晶须生长的影响'>4.2.4 煅烧时间对Mg2BB2O5晶须生长的影响
  • 2BB2O5晶须生长机理研究'>4.2.5 Mg2BB2O5晶须生长机理研究
  • 4BB2O9晶须的原位生长'>4.3 Al基体上Al4BB2O9晶须的原位生长
  • 4BB2O9晶须生长过程的影响'>4.3.1 温度对Al4BB2O9晶须生长过程的影响
  • 4BB2O9晶须生长的影响'>4.3.2 粉末混合方式对Al4BB2O9晶须生长的影响
  • 4BB2O9晶须的生长过程分析'>4.3.3 Al4BB2O9晶须的生长过程分析
  • 4BB2O9晶须的生长机理探讨'>4.3.4 Al4BB2O9晶须的生长机理探讨
  • 2O4晶须的原位生长'>4.4 Al基体中MgAl2O4晶须的原位生长
  • 2O4晶须的制备与表征'>4.4.1 MgAl2O4晶须的制备与表征
  • 2O4晶须的影响'>4.4.2 煅烧条件对原位生长MgAl2O4晶须的影响
  • 2O4晶须的原位生长过程'>4.4.3 Al基体内MgAl2O4晶须的原位生长过程
  • 2O4晶须与基体的浸润性及分布'>4.4.4 原位生长MgAl2O4晶须与基体的浸润性及分布
  • 2O4晶须形貌的影响'>4.4.5 压制过程对MgAl2O4晶须形貌的影响
  • 4.5 小结
  • 第五章 原位生长铝酸镁晶须增强铝基复合材料的组织性能及强化机理
  • 5.1 引言
  • 2O4晶须/Al基复合材料的制备'>5.2 原位生长MgAl2O4晶须/Al基复合材料的制备
  • 2O4晶须在复合材料中的分布与结合'>5.3 MgAl2O4晶须在复合材料中的分布与结合
  • 2O4晶须/Al基复合材料的密度'>5.4 MgAl2O4晶须/Al基复合材料的密度
  • 2O4晶须/Al基复合材料的力学性能研究'>5.5 MgAl2O4晶须/Al基复合材料的力学性能研究
  • 2O4晶须对复合材料硬度和软化温度的影响'>5.5.1 MgAl2O4晶须对复合材料硬度和软化温度的影响
  • 2O4晶须对复合材料热膨胀系数的影响'>5.5.2 MgAl2O4晶须对复合材料热膨胀系数的影响
  • 2O4晶须对复合材料耐磨性能的影响'>5.5.3 MgAl2O4晶须对复合材料耐磨性能的影响
  • 2O4晶须/Al基复合材料的压缩实验结果'>5.5.4 MgAl2O4晶须/Al基复合材料的压缩实验结果
  • 2O4晶须/Al基复合材料的拉伸实验'>5.5.5 MgAl2O4晶须/Al基复合材料的拉伸实验
  • 2O4晶须/Al基复合材料的弹性模量'>5.5.6 MgAl2O4晶须/Al基复合材料的弹性模量
  • 2O4晶须/Al基复合材料的组织性能'>5.6 MgAl2O4晶须/Al基复合材料的组织性能
  • 5.6.1 复合材料压缩断口分析
  • 5.6.2 复合材料拉伸断口分析
  • 5.6.3 复合材料的 TEM 分析
  • 2O4晶须/Al基复合材料的强化机制'>5.7 原位生长MgAl2O4晶须/Al基复合材料的强化机制
  • 5.8 小结
  • 第六章 主要结论及创新点
  • 6.1 主要结论
  • 6.2 主要创新点
  • 参考文献
  • 发表论文和参加科研情况说明
  • 致谢

    • 相关论文文献

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