石墨/铝复合材料制备中的关键问题及其对策
发布时间：2021-06-15 19:44
石墨/铝复合材料一般需要在高温下制备,石墨颗粒或纤维与铝基体均会发生不同程度的润湿作用和界面反应,形成不同结构的界面。两相之间的润湿性和界面反应对复合材料最终的性能起重要的作用,深入研究润湿机理及有效控制界面反应是获得高性能石墨/铝复合材料的关键。本文对石墨/铝复合材料的发展概况、制备工艺,制备过程中出现的界面问题、气孔缺陷等进行了分析与讨论,探讨了解决对策,展望了这种新型复合材料的应用前景。
【文章来源】：材料开发与应用. 2016,31(02)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
铝基与镀镍石墨接触的界面微观结构
材料开发与应用2016年4月覆了一层均匀的铜镀层，如图2所示。研究发现，镀覆铜后可以有效改善石墨与铝之间较差的润湿性，并且避免了有害的界面反应。图2短石墨纤维表面铜镀层的微观结构［8］Fig.2SEMimageofcoppercoatingstructureSingh等［18］为了提高碳纤维与铝基的润湿性和避免两者直接接触产生有害的界面反应，利用化学镀方法在碳纤维表面镀覆了一层铜。实验发现，在镀铜碳纤维分散的过程中形成了AlCu2，这种相作为吸热物质可以降低界面周围流动性，一些未溶解的铜仍然残留在界面，可以防止纤维与熔融的铝液直接接触，从而避免了Al4C3的形成。铜与铝本身有相同的晶格结构，化学相容性较好，一定温度下，镀铜石墨与铝基体可以形成固溶体，因而改善了石墨与铝液的润湿性，有效地提高了复合材料的性能。(2)陶瓷涂层陶瓷涂层主要分为碳化物和氧化物涂层，常见的碳化物涂层主要包括SiC、TiC、B4C、ZrC等，氧化物涂层主要为MgO、Al2O3、TiO2、ZrO2、SiO2等［10］。石墨表面镀覆的陶瓷涂层可以在两相之间充当一个扩散阻挡层，有效地阻止严重的界面反应。董志国等［19］针对不同氧化物包覆石墨颗粒做了研究，包覆在石墨表面的二氧化硅、二氧化锆与铝熔体发生了微弱的反应性润湿，二氧化铈与铝熔体发生了强烈的反应性润湿，证明采用氧化铈锆复合包覆既可以与铝熔体发生反应性润湿，改善石墨与铝熔体之间的润湿性，又可以保证石墨不被铝熔体侵蚀。华中胜等［20］利用溶胶-凝胶法在短石墨纤维表面成功地涂覆了一层厚度约为1—2μm的Al2O3涂层，涂层表面光滑平整，厚度均匀，与石墨结合紧密，且有涂层的石墨纤维的抗氧化性有了显著的提高。碳化物涂层与石墨表
第31卷第2期杨毅文，等:石墨/铝复合材料制备中的关键问题及其对策4Al(l)+3C(s)→Al4C3(s)(5)反应生成的Al4C3是一种坚硬的陶瓷相，但对复合材料是一种有害产物。其含量取决于渗浸温度和在此温度下的时间，温度越高，时间越长，Al4C3含量越多［24］。图3Al-2%Mg合金液表面氧化膜的破裂［23］Fig.3Al-2%MgcomingupthroughtheoxidelayerbeforeinfiltrationEtter等［25］研究了石墨/铝复合材料界面处Al4C3的形成，研究发现，Al4C3是一种具有低的热传导系数、易吸湿而降解的脆性相。Al4C3在潮湿环境下会逐渐降解:Al4C3(s)+12H2O(l)→4Al(OH)3(s)+3CH4(g)(6)Al4C3(s)+6H2O(l)+3O2(g)→4Al(OH)3(s)+3C(s)(7)在这些腐蚀过程中，将伴随体积变化，比如反应(7)中体积将增长到136%，这将是非常有害的，这会加剧疲劳损伤产生的裂缝扩大，造成应力集中，对材料性质造成伤害，如图4所示。最后，Al4C3在界面成细小棒状，而且非常脆，这将使界面强度大大降低，对材料的力学性能不利。图4石墨/铝复合材料碳化物结晶中裂痕的SEM照片［25］Fig.4SEMimagesshowingcracksinacarbidecrystalofagraphite/aluminummatrixcompositeLalet等［26］在文中提到，当形成Al4C3的含量超过3%时，Al–CF复合材料的拉伸性能将会降低。Sanctis等［27］研究证明了Al4C3的形成原因是石墨的表面损伤使得在与铝基体的边界面发生了异质成核。在此基础上，Etter等［25］研究发现，石墨的结晶化程度越高，代表基底面高度取向，且边缘暴露少，石墨表面平滑且缺陷少，越有利于抑制Al4C3的形成。黄浩等［2
【参考文献】：
期刊论文
[1]颗粒增强铝基复合材料的制备及力学性能[J]. 薛阳,宋旼,肖代红. 自然杂志. 2015(01)
[2]纳米Al2O3增强铝基复合材料的制备技术和发展方向[J]. 潘浩,范根莲,谭占秋,李志强,张荻. 材料导报. 2015(01)
[3]喷射成形颗粒增强金属基复合材料研究进展[J]. 司朝润,张贤杰,王俊彪. 功能材料. 2015(01)
[4]Carbon Materials Reinforced Aluminum Composites:A Review[J]. Yu Huang,Qiubao Ouyang,Di Zhang,Jing Zhu,Ruixiang Li,Hong Yu. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2014(05)
[5]高体积分数铝石墨复合材料的制备研究[J]. 傅蔡安,梁雪君,沈忱. 热加工工艺. 2014(14)
[6]颗粒增强铝基复合材料的研究[J]. 赵龙志,杨敏. 热加工工艺. 2011(20)
[7]金属基复合材料液态浸渗制备工艺[J]. 张萍. 毕节学院学报. 2010(08)
[8]短石墨纤维表面溶胶-凝胶法涂覆Al2O3[J]. 华中胜,姚广春,马佳,王磊. 东北大学学报(自然科学版). 2010(02)
[9]石墨表面CVD SiC涂层微观结构研究[J]. 黄浩,陈大明,仝建峰,李宝伟. 航空材料学报. 2008(02)
[10]天然石墨鳞片表面接枝改性和热处理的研究[J]. 龙毅,徐洪涛. 化学与生物工程. 2007(06)
博士论文
[1]石墨/铝复合材料的制备及性能研究[D]. 董志国.东北大学 2008
硕士论文
[1]C/B/Cu-Al基自润滑材料的制备及其摩擦学性能的研究[D]. 张霄霄.中国矿业大学 2014
本文编号：3231659
【文章来源】：材料开发与应用. 2016,31(02)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
铝基与镀镍石墨接触的界面微观结构
材料开发与应用2016年4月覆了一层均匀的铜镀层，如图2所示。研究发现，镀覆铜后可以有效改善石墨与铝之间较差的润湿性，并且避免了有害的界面反应。图2短石墨纤维表面铜镀层的微观结构［8］Fig.2SEMimageofcoppercoatingstructureSingh等［18］为了提高碳纤维与铝基的润湿性和避免两者直接接触产生有害的界面反应，利用化学镀方法在碳纤维表面镀覆了一层铜。实验发现，在镀铜碳纤维分散的过程中形成了AlCu2，这种相作为吸热物质可以降低界面周围流动性，一些未溶解的铜仍然残留在界面，可以防止纤维与熔融的铝液直接接触，从而避免了Al4C3的形成。铜与铝本身有相同的晶格结构，化学相容性较好，一定温度下，镀铜石墨与铝基体可以形成固溶体，因而改善了石墨与铝液的润湿性，有效地提高了复合材料的性能。(2)陶瓷涂层陶瓷涂层主要分为碳化物和氧化物涂层，常见的碳化物涂层主要包括SiC、TiC、B4C、ZrC等，氧化物涂层主要为MgO、Al2O3、TiO2、ZrO2、SiO2等［10］。石墨表面镀覆的陶瓷涂层可以在两相之间充当一个扩散阻挡层，有效地阻止严重的界面反应。董志国等［19］针对不同氧化物包覆石墨颗粒做了研究，包覆在石墨表面的二氧化硅、二氧化锆与铝熔体发生了微弱的反应性润湿，二氧化铈与铝熔体发生了强烈的反应性润湿，证明采用氧化铈锆复合包覆既可以与铝熔体发生反应性润湿，改善石墨与铝熔体之间的润湿性，又可以保证石墨不被铝熔体侵蚀。华中胜等［20］利用溶胶-凝胶法在短石墨纤维表面成功地涂覆了一层厚度约为1—2μm的Al2O3涂层，涂层表面光滑平整，厚度均匀，与石墨结合紧密，且有涂层的石墨纤维的抗氧化性有了显著的提高。碳化物涂层与石墨表
第31卷第2期杨毅文，等:石墨/铝复合材料制备中的关键问题及其对策4Al(l)+3C(s)→Al4C3(s)(5)反应生成的Al4C3是一种坚硬的陶瓷相，但对复合材料是一种有害产物。其含量取决于渗浸温度和在此温度下的时间，温度越高，时间越长，Al4C3含量越多［24］。图3Al-2%Mg合金液表面氧化膜的破裂［23］Fig.3Al-2%MgcomingupthroughtheoxidelayerbeforeinfiltrationEtter等［25］研究了石墨/铝复合材料界面处Al4C3的形成，研究发现，Al4C3是一种具有低的热传导系数、易吸湿而降解的脆性相。Al4C3在潮湿环境下会逐渐降解:Al4C3(s)+12H2O(l)→4Al(OH)3(s)+3CH4(g)(6)Al4C3(s)+6H2O(l)+3O2(g)→4Al(OH)3(s)+3C(s)(7)在这些腐蚀过程中，将伴随体积变化，比如反应(7)中体积将增长到136%，这将是非常有害的，这会加剧疲劳损伤产生的裂缝扩大，造成应力集中，对材料性质造成伤害，如图4所示。最后，Al4C3在界面成细小棒状，而且非常脆，这将使界面强度大大降低，对材料的力学性能不利。图4石墨/铝复合材料碳化物结晶中裂痕的SEM照片［25］Fig.4SEMimagesshowingcracksinacarbidecrystalofagraphite/aluminummatrixcompositeLalet等［26］在文中提到，当形成Al4C3的含量超过3%时，Al–CF复合材料的拉伸性能将会降低。Sanctis等［27］研究证明了Al4C3的形成原因是石墨的表面损伤使得在与铝基体的边界面发生了异质成核。在此基础上，Etter等［25］研究发现，石墨的结晶化程度越高，代表基底面高度取向，且边缘暴露少，石墨表面平滑且缺陷少，越有利于抑制Al4C3的形成。黄浩等［2
【参考文献】：
期刊论文
[1]颗粒增强铝基复合材料的制备及力学性能[J]. 薛阳,宋旼,肖代红. 自然杂志. 2015(01)
[2]纳米Al2O3增强铝基复合材料的制备技术和发展方向[J]. 潘浩,范根莲,谭占秋,李志强,张荻. 材料导报. 2015(01)
[3]喷射成形颗粒增强金属基复合材料研究进展[J]. 司朝润,张贤杰,王俊彪. 功能材料. 2015(01)
[4]Carbon Materials Reinforced Aluminum Composites:A Review[J]. Yu Huang,Qiubao Ouyang,Di Zhang,Jing Zhu,Ruixiang Li,Hong Yu. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2014(05)
[5]高体积分数铝石墨复合材料的制备研究[J]. 傅蔡安,梁雪君,沈忱. 热加工工艺. 2014(14)
[6]颗粒增强铝基复合材料的研究[J]. 赵龙志,杨敏. 热加工工艺. 2011(20)
[7]金属基复合材料液态浸渗制备工艺[J]. 张萍. 毕节学院学报. 2010(08)
[8]短石墨纤维表面溶胶-凝胶法涂覆Al2O3[J]. 华中胜,姚广春,马佳,王磊. 东北大学学报(自然科学版). 2010(02)
[9]石墨表面CVD SiC涂层微观结构研究[J]. 黄浩,陈大明,仝建峰,李宝伟. 航空材料学报. 2008(02)
[10]天然石墨鳞片表面接枝改性和热处理的研究[J]. 龙毅,徐洪涛. 化学与生物工程. 2007(06)
博士论文
[1]石墨/铝复合材料的制备及性能研究[D]. 董志国.东北大学 2008
硕士论文
[1]C/B/Cu-Al基自润滑材料的制备及其摩擦学性能的研究[D]. 张霄霄.中国矿业大学 2014
本文编号：3231659
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