半固态注射成型铸造法制备石墨烯纳米片/AZ91D镁基复合材料工艺及性能研究
发布时间：2021-04-25 14:52
镁基复合材料（Magnesium matrix composites,MMCs）具有比强度高、比模量高、密度小和热稳定性好等一系列优点,成为航空航天、国防、交通运输、电子产品等领域装备轻量化的首选。石墨烯纳米片（Graphene nanoplatelets,GNPs）具备优异的力学、热学和电学特性,是MMCs理想的增强体。根据混合定律,用GNPs作为纳米增强体制备的MMCs将具备极其出色的性能。然而当前国内外广泛应用的制备工艺（如粉末冶金、熔体搅拌等）限制了GNPs/镁基复合材料的性能提升及推广应用,原因如下:GNPs在基体中团聚、不良界面反应及制备工艺复杂。针对以上问题,开展新型铸造制备技术研究,探索GNPs与镁合金均匀化复合集成工艺,缩短制备工艺循环时间及成型复杂构件,有望实现GNPs/镁基复合材料大批量实际应用。本文采用半固态注射成型铸造法制备GNPs/AZ91D镁基复合材料（GNPs/AZ91D magnesium matrix composites,AZ91D-GNPs MMCs）,研究复合材料的制备工艺、力学性能及微观形貌之间的关系,揭示GNPs均匀分散机制、断裂机理及强化...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
1.绪论
1.1 镁基复合材料
1.1.1 镁基复合材料的增强体
1.1.2 增强体与基体的界面结合
1.1.3 镁基复合材料的发展方向
1.2 石墨烯
1.3 石墨烯纳米片/镁基复合材料
1.3.1 湿法混合GNPs分散技术
1.3.2 球磨处理GNPs分散技术
1.3.3 熔体搅拌制备技术
1.3.4 粉末冶金制备技术
1.3.5 界面反应
1.3.6 强化机制
1.4 半固态注射成型铸造技术
1.4.1 半固态注射成型铸造技术的原理
1.4.2 半固态注射成型铸造技术的特点
1.4.3 半固态注射成型铸造技术的应用
1.5 选题的背景及意义
1.6 本文主要研究内容
2.实验过程及工艺方法
2.1 实验材料
2.2 制备工艺
2.2.1 V型混粉机混料
2.2.2 半固态注射成型铸造
2.3 分析测试方法
2.3.1 光学显微镜分析（OM）
2.3.2 扫描电子显微镜分析（SEM）
2.3.3 透射电子显微镜分析（TEM/HRTEM）
2.3.4 拉曼光谱分析（Raman spectroscopy）
2.3.5 X射线衍射仪分析（XRD）
2.3.6 背散射电子衍射分析（EBSD）
2.3.7 力学性能测试
2.3.8 孔隙率测试
2.4 实验设计
3.半固态注射成型铸造法制备GNPs/AZ91D镁基复合材料
3.1 引言
3.2 GNPs与 AZ91D镁合金颗粒混料
3.2.1 GNPs的微观形貌
3.2.2 混料前后AZ91D镁合金颗粒表征
3.3 铸造成型过程中复合材料的微观结构演化
3.4 GNPs/AZ91D镁基复合材料的微观组织及形貌
3.4.1 微观形貌分析
3.4.2 物相分析
3.4.3 拉伸断口形貌
3.5 本章小结
4.GNPs含量和料管温度对复合材料微观形貌及性能的影响
4.1 引言
4.2 GNPs含量和料管温度对复合材料微观形貌的影响
4.3 不同GNPs含量下物相分析
4.4 GNPs含量和料管温度对复合材料力学性能的影响
4.4.1 预测模型的建立
4.4.2 交互作用对抗拉强度和延伸率的影响分析
4.4.3 交互作用对维氏硬度和孔隙率的影响分析
4.4.4 铸造成型压力的影响分析
4.4.5 预测值与实验值的比较
4.5 铸造成型过程工艺优化
4.6 本章小结
5.螺杆搅拌速率和注射速度对复合材料微观形貌及性能的影响
5.1 引言
5.2 螺杆搅拌速率分析
5.2.1 螺杆搅拌速率对复合材料微观形貌的影响
5.2.2 螺杆搅拌速率对GNPs分散程度的影响
5.3 注射速度分析
5.3.1 注射速度对复合材料微观形貌的影响
5.3.2 注射速度对GNPs分散的影响
5.4 螺杆搅拌速率和注射速度对复合材料力学性能的影响
5.4.1 预测模型的建立
5.4.2 交互作用对孔隙率和维氏硬度的影响分析
5.4.3 交互作用对抗拉强度和延伸率的影响分析
5.4.4 预测值与实验值的比较
5.5 铸造成型过程工艺优化
5.6 本章小结
6.半固态注射成型铸造过程中GNPs分散机理分析
6.1 引言
6.2 AZ91D-chips与 GNPs搅拌混合
6.3 螺杆搅拌过程
6.4 高速注射混合浆料
6.5 半固态注射成型铸造法与其他制备工艺比较
6.5.1 GNPs的均匀分散性
6.5.2 强化效率和制备效率
6.6 本章小结
7.界面结构及强化机制
7.1 引言
7.2 界面结构
7.2.1 GNPs/Mg界面
17Al12 界面和GNPs/MgO界面"> 7.2.2 GNPs/Mg17Al12 界面和GNPs/MgO界面
Nano和 MgONano/GNPs界面"> 7.2.3 Mg/MgONano和 MgONano/GNPs界面
7.3 断裂机理
7.4 强化机制
7.5 本章小结
8.结论与展望
8.1 主要结论
8.2 创新点
8.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]挤压铸造压力对半固态Mg98.5Ni0.5Y1.0合金组织及力学性能的影响[J]. 余亮,吴树森,杨雄,汪学阳,吕书林. 铸造. 2019(06)
[2]挤压铸造压力对6061铝合金铸件组织及力学性能的影响[J]. 李鲁,吉泽升,姜博,徐松,许红雨,张永冰. 热加工工艺. 2019(09)
[3]触变注射成形法制备石墨烯纳米片增强镁基复合材料[J]. 张婷,赵宇宏,陈利文,梁建权,李沐奚,侯华. 金属学报. 2019(05)
[4]连续碳纤维增强镁基复合材料制备工艺研究[J]. 孙振明,胡小石,张春雷,蒋博,王晓军. 上海航天. 2019(02)
[5]航天先进轻合金材料及成形技术研究综述[J]. 李中权,肖旅,李宝辉,王先飞. 上海航天. 2019(02)
[6]纯铜质蛇形通道复合处理对A390铝合金显微组织的影响[J]. 范菁,毛卫民,王冰坤,闫鹏宇. 特种铸造及有色合金. 2019(04)
[7]石墨烯增强铝基复合材料研究现状及其界面问题热力学分析[J]. 黄朴,韦德满,陈孝阳,周治文,许征兵,曾建民. 铸造技术. 2018(08)
[8]镁基复合材料研究进展及新思路[J]. 何阳,袁秋红,罗岚,京玉海,刘勇. 航空材料学报. 2018(04)
[9]镁合金半固态浆料制备与成形技术研究进展[J]. 陈刚,郑顺奇,王岩,王斌锋. 兵器材料科学与工程. 2018(03)
[10]基于响应面法的铝合金间接挤压铸造工艺研究[J]. 陈利文,侯华,靳玉春,赵宇宏,康永生. 稀有金属材料与工程. 2018(04)
博士论文
[1]石墨烯/铜复合材料的制备、组织及力学性能研究[D]. 张丹丹.燕山大学 2016
[2]纳米碳材料增强AZ91镁基复合材料制备与性能研究[D]. 袁秋红.南昌大学 2016
[3]压铸充型过程卷气及压室预结晶组织的数值模拟研究[D]. 毕成.清华大学 2016
[4]运用响应曲面法优化有机污染物吸附过程参数及其吸附平衡和动力学研究[D]. 程正军.西南石油大学 2015
[5]镁基复合材料微观结构与力学性能研究[D]. Muhammad Rashad.重庆大学 2014
[6]触变注射成形镁合金组织和性能研究及成形模拟[D]. 张友法.吉林大学 2008
[7]AZ91D镁合金半固态触变注射组织与工艺研究[D]. 崔晓鹏.吉林大学 2006
硕士论文
[1]石墨烯增强铝基复合材料组织及性能研究[D]. 赵鹏.南昌航空大学 2017
[2]高体分SiCp/Al复合材料致密化工艺及组织性能研究[D]. 蔡翔.湖南大学 2017
[3]石墨烯微片增强铝基复合材料组织与性能的研究[D]. 罗昊.哈尔滨工业大学 2015
[4]超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺机理及组织演变[D]. 杨鹏.沈阳航空航天大学 2015
[5]基于响应面法数值试验的小半径弯管成形研究[D]. 温馨.上海交通大学 2015
[6]SiCp/AZ91D镁基复合材料时效行为研究[D]. 杜俊峰.哈尔滨工业大学 2014
[7]CNTs/Mg复合材料搅拌摩擦加工制备及阻尼性能研究[D]. 席利欢.南昌航空大学 2013
[8]半连续铸造AZ31和AZ61镁合金大铸锭组织和性能均匀性研究[D]. 陶健全.重庆大学 2012
[9]活性碳纳米管对纤维复合材料界面及力学性能影响[D]. 李晓超.北京化工大学 2011
[10]触变注射成形过程中镁合金浆料演变规律及其组织性能[D]. 廖锐丽.吉林大学 2010
本文编号：3159580
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
1.绪论
1.1 镁基复合材料
1.1.1 镁基复合材料的增强体
1.1.2 增强体与基体的界面结合
1.1.3 镁基复合材料的发展方向
1.2 石墨烯
1.3 石墨烯纳米片/镁基复合材料
1.3.1 湿法混合GNPs分散技术
1.3.2 球磨处理GNPs分散技术
1.3.3 熔体搅拌制备技术
1.3.4 粉末冶金制备技术
1.3.5 界面反应
1.3.6 强化机制
1.4 半固态注射成型铸造技术
1.4.1 半固态注射成型铸造技术的原理
1.4.2 半固态注射成型铸造技术的特点
1.4.3 半固态注射成型铸造技术的应用
1.5 选题的背景及意义
1.6 本文主要研究内容
2.实验过程及工艺方法
2.1 实验材料
2.2 制备工艺
2.2.1 V型混粉机混料
2.2.2 半固态注射成型铸造
2.3 分析测试方法
2.3.1 光学显微镜分析（OM）
2.3.2 扫描电子显微镜分析（SEM）
2.3.3 透射电子显微镜分析（TEM/HRTEM）
2.3.4 拉曼光谱分析（Raman spectroscopy）
2.3.5 X射线衍射仪分析（XRD）
2.3.6 背散射电子衍射分析（EBSD）
2.3.7 力学性能测试
2.3.8 孔隙率测试
2.4 实验设计
3.半固态注射成型铸造法制备GNPs/AZ91D镁基复合材料
3.1 引言
3.2 GNPs与 AZ91D镁合金颗粒混料
3.2.1 GNPs的微观形貌
3.2.2 混料前后AZ91D镁合金颗粒表征
3.3 铸造成型过程中复合材料的微观结构演化
3.4 GNPs/AZ91D镁基复合材料的微观组织及形貌
3.4.1 微观形貌分析
3.4.2 物相分析
3.4.3 拉伸断口形貌
3.5 本章小结
4.GNPs含量和料管温度对复合材料微观形貌及性能的影响
4.1 引言
4.2 GNPs含量和料管温度对复合材料微观形貌的影响
4.3 不同GNPs含量下物相分析
4.4 GNPs含量和料管温度对复合材料力学性能的影响
4.4.1 预测模型的建立
4.4.2 交互作用对抗拉强度和延伸率的影响分析
4.4.3 交互作用对维氏硬度和孔隙率的影响分析
4.4.4 铸造成型压力的影响分析
4.4.5 预测值与实验值的比较
4.5 铸造成型过程工艺优化
4.6 本章小结
5.螺杆搅拌速率和注射速度对复合材料微观形貌及性能的影响
5.1 引言
5.2 螺杆搅拌速率分析
5.2.1 螺杆搅拌速率对复合材料微观形貌的影响
5.2.2 螺杆搅拌速率对GNPs分散程度的影响
5.3 注射速度分析
5.3.1 注射速度对复合材料微观形貌的影响
5.3.2 注射速度对GNPs分散的影响
5.4 螺杆搅拌速率和注射速度对复合材料力学性能的影响
5.4.1 预测模型的建立
5.4.2 交互作用对孔隙率和维氏硬度的影响分析
5.4.3 交互作用对抗拉强度和延伸率的影响分析
5.4.4 预测值与实验值的比较
5.5 铸造成型过程工艺优化
5.6 本章小结
6.半固态注射成型铸造过程中GNPs分散机理分析
6.1 引言
6.2 AZ91D-chips与 GNPs搅拌混合
6.3 螺杆搅拌过程
6.4 高速注射混合浆料
6.5 半固态注射成型铸造法与其他制备工艺比较
6.5.1 GNPs的均匀分散性
6.5.2 强化效率和制备效率
6.6 本章小结
7.界面结构及强化机制
7.1 引言
7.2 界面结构
7.2.1 GNPs/Mg界面
17Al12 界面和GNPs/MgO界面"> 7.2.2 GNPs/Mg17Al12 界面和GNPs/MgO界面
Nano和 MgONano/GNPs界面"> 7.2.3 Mg/MgONano和 MgONano/GNPs界面
7.3 断裂机理
7.4 强化机制
7.5 本章小结
8.结论与展望
8.1 主要结论
8.2 创新点
8.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]挤压铸造压力对半固态Mg98.5Ni0.5Y1.0合金组织及力学性能的影响[J]. 余亮,吴树森,杨雄,汪学阳,吕书林. 铸造. 2019(06)
[2]挤压铸造压力对6061铝合金铸件组织及力学性能的影响[J]. 李鲁,吉泽升,姜博,徐松,许红雨,张永冰. 热加工工艺. 2019(09)
[3]触变注射成形法制备石墨烯纳米片增强镁基复合材料[J]. 张婷,赵宇宏,陈利文,梁建权,李沐奚,侯华. 金属学报. 2019(05)
[4]连续碳纤维增强镁基复合材料制备工艺研究[J]. 孙振明,胡小石,张春雷,蒋博,王晓军. 上海航天. 2019(02)
[5]航天先进轻合金材料及成形技术研究综述[J]. 李中权,肖旅,李宝辉,王先飞. 上海航天. 2019(02)
[6]纯铜质蛇形通道复合处理对A390铝合金显微组织的影响[J]. 范菁,毛卫民,王冰坤,闫鹏宇. 特种铸造及有色合金. 2019(04)
[7]石墨烯增强铝基复合材料研究现状及其界面问题热力学分析[J]. 黄朴,韦德满,陈孝阳,周治文,许征兵,曾建民. 铸造技术. 2018(08)
[8]镁基复合材料研究进展及新思路[J]. 何阳,袁秋红,罗岚,京玉海,刘勇. 航空材料学报. 2018(04)
[9]镁合金半固态浆料制备与成形技术研究进展[J]. 陈刚,郑顺奇,王岩,王斌锋. 兵器材料科学与工程. 2018(03)
[10]基于响应面法的铝合金间接挤压铸造工艺研究[J]. 陈利文,侯华,靳玉春,赵宇宏,康永生. 稀有金属材料与工程. 2018(04)
博士论文
[1]石墨烯/铜复合材料的制备、组织及力学性能研究[D]. 张丹丹.燕山大学 2016
[2]纳米碳材料增强AZ91镁基复合材料制备与性能研究[D]. 袁秋红.南昌大学 2016
[3]压铸充型过程卷气及压室预结晶组织的数值模拟研究[D]. 毕成.清华大学 2016
[4]运用响应曲面法优化有机污染物吸附过程参数及其吸附平衡和动力学研究[D]. 程正军.西南石油大学 2015
[5]镁基复合材料微观结构与力学性能研究[D]. Muhammad Rashad.重庆大学 2014
[6]触变注射成形镁合金组织和性能研究及成形模拟[D]. 张友法.吉林大学 2008
[7]AZ91D镁合金半固态触变注射组织与工艺研究[D]. 崔晓鹏.吉林大学 2006
硕士论文
[1]石墨烯增强铝基复合材料组织及性能研究[D]. 赵鹏.南昌航空大学 2017
[2]高体分SiCp/Al复合材料致密化工艺及组织性能研究[D]. 蔡翔.湖南大学 2017
[3]石墨烯微片增强铝基复合材料组织与性能的研究[D]. 罗昊.哈尔滨工业大学 2015
[4]超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺机理及组织演变[D]. 杨鹏.沈阳航空航天大学 2015
[5]基于响应面法数值试验的小半径弯管成形研究[D]. 温馨.上海交通大学 2015
[6]SiCp/AZ91D镁基复合材料时效行为研究[D]. 杜俊峰.哈尔滨工业大学 2014
[7]CNTs/Mg复合材料搅拌摩擦加工制备及阻尼性能研究[D]. 席利欢.南昌航空大学 2013
[8]半连续铸造AZ31和AZ61镁合金大铸锭组织和性能均匀性研究[D]. 陶健全.重庆大学 2012
[9]活性碳纳米管对纤维复合材料界面及力学性能影响[D]. 李晓超.北京化工大学 2011
[10]触变注射成形过程中镁合金浆料演变规律及其组织性能[D]. 廖锐丽.吉林大学 2010
本文编号：3159580
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