层状结构铝基复合材料近终形制备与性能研究

发布时间：2020-10-09 15:09

　　车辆的轻量化是目前汽车行业发展的重要趋势,而刹车鼓作为车轮端的重要部件,其减重是实现轻量化的有效途径。铝基复合材料由于具有高强度、耐磨损、高导热等优点,非常适合用作刹车鼓的制备。本文为了充分发挥铝基复合材料的优点,弥补其加工性能差的缺点,设计了层状结构的铝基复合材料刹车鼓,在内侧磨损面使用颗粒纤维混杂增强铝基复合材料,强度高、耐磨损,外侧使用单一的铝合金材料,韧性好、便于机械加工制造。选用了热固性酚醛树脂基粘结剂、石墨作造孔剂、磷酸二氢铝为高温粘结剂的成分配比,采用模压成形法制备了孔隙率在50%-70%范围内灵活可调的碳化硅颗粒(粒径14μm)和氧化铝短纤维(直径10μm,长径比2-5)混合预制坯。坯体的烧结在1000℃下空气中进行,既可以彻底烧除预制坯中的石墨,同时在碳化硅表面形成一层0.2μm的氧化膜,改善了颗粒与铝基体的润湿性。与石蜡基粘结剂与聚乙烯醇基粘结剂相比,酚醛树脂基粘结剂制备出的坯体高温强度及孔隙率都得到提高,坯体尺寸稳定性更好。复合材料的基体材料选用可热处理强化的2024变形铝合金。该铝合金所含的合金成分主要是Cu和Mg,在提高铝基体的力学性能、耐蚀及抗氧化性能的同时改善了基体与增强相间的润湿性。利用真空压力熔渗的工艺完成预制坯的浸渗,通过模具的合理设计完成层状结构复合材料的近终形制备。并研究了熔渗过程中温度、压力及保压机制对层状结构复合材料组织性能的影响,最终确定最佳的熔渗工艺为720℃保温1Omin后开始加压至15MPa,保压1Omin后降温,降温过程中持续加压至凝固。通过对材料组织的观察和力学性能的测试,探索了增强体系中颗粒与纤维的比例对材料组织与性能的影响。在增强相总体积分数为30%的铝基复合材料中,(20%SiCp+10%Al2O3sf)/A12024的抗拉性能最高,室温下为391.34MPa,300℃下为164MPa。对四种增强相配比的复合材料在受到300MPa拉应力时材料内部的应力分布进行有限元模拟,发现当颗粒与纤维的体积比为4:1、2:1、1:2、1:4时,分布于增强相上的最大应力值分别为786.27MPa、376.03MPa、526.33MPa、1441.1MPa,基体内部的最大应力值分别为1301.8MPa、1276.2MPa、1373.6MPa、1441.1MPa;由此可见颗粒与纤维的体积比为2:1的配比能够改善增强相及基体中的应力分布,在该配比下,分布于增强相与基体的应力均为四个配比中的最低值,因而在此配比下复合材料的抗拉性能最优。并利用Ansys有限元模拟对实际工况下刹车鼓的层状结构进行受力分析,当假设外层铝合金层厚度为2mm时,内层复合材料层的厚度不应小于0.4mm。将复合材料与HT400在4.2m/s、0.7MPa的条件下进行销盘式摩擦实验,发现复合材料的平均摩擦系数随着增强相中氧化铝短纤维比例的增加而降低,(30vol.%Al203sf+10vol.%SiCp)/A12024 平均摩擦系数最低,为 0.37。当增强相中Al2O3sf和SiCp的体积比由0增加到1,复合材料的磨损率逐由0.57kg/m3降至0.39kg/m3,磨损机制为磨料磨损和犁沟磨损;当增强相中Al203sf和SiCp的体积比由1增加到3时,复合材料的磨损率增加至0.59kg/m3,磨损机制变为粘着磨损。随着增强相中Al2O3sf含量的增加,磨屑的尺寸逐渐减小,直径由6μm逐渐过渡到直径约1.5μm。由于氧化铝短纤维的热导率较低,所以随着增强相中氧化铝短纤维比例的增加,复合材料的热导率由108W·m-1·K-1降低至86W·m-1·K-1。本文利用近似方法,在广义自洽理论基础上构建了颗粒纤维混杂增强金属基复合材料的热导率计算模型,将含有界面相的碳化硅颗粒等效为“一次等效增强颗粒”,将含有氧化铝短纤维的基体等效为“一次等效基体”,将“一次等效增强颗粒”嵌入“一次等效基体”共同作为“二次等效颗粒”,后将“二次等效颗粒”嵌入与A12024热导率相等的均匀各向同性介质中,计算出包含有颗粒、纤维及界面的颗粒纤维混杂增强铝基复合材料的热导率,对材料的设计具有一定的指导意义。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB333
【部分图文】：

示意图,搅拌铸造法,示意图

层状结构铝基复合材料近终形制备与性能研宄等人用无压熔渗法制备了邋ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料，在Ａ１基体中素用以改善基体与增强相间的润湿性。周贤良等人■在Ｌａ发展了空气气氛下的无压渗透法，其工艺特点是无需气氛的铝液渗透进入ＳｉＣ颗粒之间的孔隙中，形成与陶模相同ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料，进一步降低了成本，简化了生产工艺。逡逑拌铸造法是制备颗粒增强铝基复合材料常用的方法。其工艺，首先将铝合金块置于带有电磁感应加热的坩埚中升温，将氮气以防铝合金的氧化，待铝合金完全融化后，在铝液中置液充分搅拌，同时加入预热处理过的陶瓷颗粒，搅拌一定瓷颗粒的金属液注入到预热过的钢模中进行冷却。该方法工备投入少，易于实现产业化。逡逑

示意图,喷射沉积,法制,复合材料

能受到影响，工艺措施较难以掌握。逡逑２．２．３固液两相法逡逑固液两相法主要是指喷射沉积法，制备方法示意图如图２－２所示，铝合逡逑金经感应加热到熔融状态，经雾化喷嘴高速喷出，成为极细小的微滴，与此逡逑同时增强相被吸入，并与微滴均匀混合并加速射向下方基底，沉积凝固为密逡逑实连续的沉积体。逡逑逦塞杆逡逑？邋ｒｚ￣ｚｎ邋？逡逑？邋！Ｈ！Ｈ！！邋Ｈｔｔｌｔ－？邋—合金熔液逡逑？丨丨丨⑴Ｈ邋Ｉ⑴感应熔炼线圈逡逑？邋ｍｍ！邋ｍｍ邋？逡逑？邋ｉｌｉｌｉｉｍｌｌｌｌｌｉｌ邋？逡逑｜邋ｊ邋—气体喷嘴逡逑增强颗粒＾＾逦■增强颗粒逡逑＾＾＿＿粒逡逑沉积坯逡逑Ｖ／／／／／／／ｙＹ／／＾／＾ｒ邋沉积载体逡逑图２－２喷射沉积法制备复合材料示意图逡逑Ｆｉｇ邋２－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｏｆ邋ｓｐｒａｙ邋ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑由于该工艺冷却速度快，避免了增强相和铝合金基体间的界面反应［６７，６８］，逡逑且解决了粉末冶金工艺材料含氧高、无法制备大型的构建等缺点。然而由于逡逑该工艺受熔融金属过热度、金属流量、液流直径、气体压强、喷射高度等多逡逑种工艺参数的影响，且气流速度等参数在制备复合材料的过程中往往需凭经逡逑验确定，因而工艺参数不好定量控制。制备出的复合材料易有气孔夹杂、制逡逑备过程中粉末利用率低等也是该工艺的主要缺点。逡逑目前北京有色金属研究院拥有ＳＦ－２００型自制喷射沉积设备，可以制备直逡逑－９邋－逡逑

示意图,层状结构,熔渗,铝基复合材料

Ｉ逡逑显微组织｜摩擦磨d ｜力学性能｜热性能逡逑图３－１层状结构铝基复合材料制备工艺流程图逡逑Ｆｉｇ邋３－１邋Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｆｌｏｗ邋ｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋ｌａｙｅｒｅｄ

【参考文献】