冷冻铸造-熔渗技术制备AI合金/TiC层状复合材料
发布时间：2022-01-16 18:16
由有机-无机复合而成的贝壳等天然生物材料,通过简单组分的精细组合,形成软相和硬相交替层叠排列的高度有序纳米级层状结构,使其具有了很高的强韧性,表现出传统人工合成材料无法比拟的优异性。受贝壳类生物材料的启发,本研究通过控制水基TiC陶瓷浆料的定向凝固并结合熔融合金浸渗工艺来制备层状Al合金/TiC复合材料。通过控制过程工艺参数,可以实现对层状结构的调控,获得的复合材料很好的“继承”了原有TiC多孔陶瓷的层状结构,金属相和陶瓷相呈层状间隔排列,最终制备了高性能仿生A1合金/TiC复合材料。本文主要研究结果如下:（1）冷冻铸造法制备的多孔陶瓷预制体,从底部至顶部分成三个不同的结构区域:“致密区”、“胞状区”、“片层区”。“片层区”占据比例最高,且随着陶瓷含量增加高,片层厚度变大,预制体孔隙率变低。在片层一侧形成的枝晶结构以及片层与片层之间形成的“陶瓷桥”连接,类似于贝壳片层表面的微观粗糙形貌。预制体纵向压缩强度随着陶瓷含量的增加而提高,最大压缩强度为19 MPa（初始陶瓷含量35 vol.%,1500 ℃烧结2小时）。（2）利用无压浸渗法制备了 Al-10Mg-12Si/TiC复合材料。基体...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．４颗粒与凝固界面前沿相互作用示意图［２１］??Ｆｉｇ．?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｐａｒｔｉｃｌｅ?ａｎｄ?ｆｒｅｅｚｉｎｇ?ｆｒｏｎｔ［２Ｉ］??
当凝固前沿生长速率小于＾时，颗粒会被凝固前沿“排斥”。悬浮颗粒与溶剂介质的??导热系数存在差异，凝固前沿附近的悬浮颗粒和固液界面相互作用，会引起界面起伏，??固液界面有规则的起伏形成如图１．４所示凹凸不平的结构。随着凝固速率的降低，固液??界面凸起部位向上生长速度较快，逐渐转变成柱状结构，最终形成有序的片层结构。??Ｐａｒｔｉｃｌｅ?ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ：?Ａｃｔ?＝?ａｐｓ?－?［ｃｒｐｌ?＋?ｃｒｗ）?＞?０??ｓｏｌｉｄ??Ｐａｒｔｉｃｌｅ?ｔｒａｐｐｉｎｇ：?＞?ｖ?＝??图１．４颗粒与凝固界面前沿相互作用示意图［２１］??Ｆｉｇ．?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｐａｒｔｉｃｌｅ?ａｎｄ?ｆｒｅｅｚｉｎｇ?ｆｒｏｎｔ［２Ｉ］??方程（１４）给出了陶瓷颗粒被凝固前沿“排斥”的热力学条件，其中，％和叫??分别是颗粒与固相之间的界面自由能、颗粒与液相界面自由能、固液界面之间的界面??自由能。当大于％和叫之和时，陶瓷颗粒可以被凝固前沿“排斥”。??－?（＼?＋?ｃｒｊ＞?０???（１－４）??选择水作为溶剂介质，当温度较低、过冷度较大时，在水中生成较多的六边形晶??核，该晶核在生长方向上具有较强的各向异性。如图１．５（ａ）所示，沿晶核平面方向ａ轴??生长速率高出垂直于晶核平面方向ｃ轴约两个数量级，在一定的温度梯度下，晶核可??稳定生长成为具有较高纵横比的平面晶（或者柱状晶）。凝固速率低于临界速率时，溶剂??中的悬浮颗粒被冰晶“排斥”至晶界处
??形成笔直的柱状晶结构，如图１．６中所示。??图１．６不同溶剂浆料制备的定向多孔陶瓷微观形貌［２２，３２，３３］：（３）７］＜，（１））兹瑞，＾叔丁醇??Ｆｉｇ．?１．６?Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｏｆ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ?ｐｏｒｏｕｓ?ｃｅｒａｍｉｃｓ?ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ?ｂｙ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｓｏｌｖｅｎｔ??ｓｌｕｒｒｉｅｓ［２２＞３２＞３３］：?（ａ）?ｗａｔｅｒ，?（ｂ）?ｃａｍｐｈｅｎｅ，?（ｃ）?ｔｅｒｔ?ｂｕｔｙｌ?ａｌｃｏｈｏｌ??（２）冷冻速率??如果凝固前沿生长速率过快，悬浮颗粒被快速生长的冰晶“吞噬”，不能形成定向??排布的层状结构。只有当凝固前沿的生长速率低于临界速率时，悬浮颗粒才会被冰晶??“排斥”到晶界处，沿晶界集中排布，形成定向层状结构。通过控制冷冻温度可以改变??凝固前沿生长速率，使陶瓷颗粒沿不同的形式排布，进而控制最终制备的多孔陶瓷的??微观结构。??Ａｚｏｕｎｉｅｔ等人［３４］采用阴影图法观察了蒸馏水的定向凝固过程，发现随着凝固速率??逐渐变慢
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔陶瓷材料的研究现状及应用[J]. 赵毅,朱振峰,贺瑞华,胡俊涛. 陶瓷. 2008(07)
[2]碳化钛悬浮体分散特性和流变性能的研究[J]. 王向东,张跃,王树彬,周武平,熊宁,林同伟. 稀有金属材料与工程. 2007(S1)
[3]多孔陶瓷材料的制备及应用研究进展[J]. 王圣威,金宗哲,黄丽容. 硅酸盐通报. 2006(04)
[4]多孔陶瓷制备技术研究进展[J]. 钱军民,催凯,艾好,金志浩. 兵器材料科学与工程. 2005(05)
[5]多孔陶瓷的制备、性能及应用:（Ⅰ）多孔陶瓷的制造工艺[J]. 朱新文,江东亮,谭寿洪. 陶瓷学报. 2003(01)
[6]挤压态SiCW/Al复合材料弹性模量的超声波研究[J]. 姜传海,吴建生,王德尊. 无损检测. 2002(03)
[7]多孔陶瓷材料应用及制备的研究进展[J]. 韩永生,李建保,魏强民. 材料导报. 2002(03)
[8]TiCp颗粒增强钛基复合材料的强化机理研究[J]. 毛小南,周廉,曾泉浦,魏海荣. 稀有金属材料与工程. 2000(06)
[9]多孔陶瓷材料[J]. 朱小龙,苏雪筠. 中国陶瓷. 2000(04)
[10]二元复合体系Y-TZP/α-Al2O3浆料的流变性研究[J]. 孙静,高濂,郭景坤. 硅酸盐学报. 1998(05)
博士论文
[1]氧化铝和氧化硅多孔陶瓷冷凝成型与组织性能研究[D]. 胡路阳.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]冰模板法制备层状多级孔仿生复合材料的研究[D]. 杨建霞.华中科技大学 2010
[2]高孔隙率Al2O3多孔陶瓷的冷冻注模成型及微观组织与性能研究[D]. 杜建聪.哈尔滨工业大学 2010
[3]高气孔率、高强度多孔氧化铝陶瓷的制备及表征[D]. 刘伟渊.清华大学 2009
[4]SiCp/6066Al复合材料弹性模量的研究[D]. 宋文远.重庆大学 2006
本文编号：3593181
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．４颗粒与凝固界面前沿相互作用示意图［２１］??Ｆｉｇ．?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｐａｒｔｉｃｌｅ?ａｎｄ?ｆｒｅｅｚｉｎｇ?ｆｒｏｎｔ［２Ｉ］??
当凝固前沿生长速率小于＾时，颗粒会被凝固前沿“排斥”。悬浮颗粒与溶剂介质的??导热系数存在差异，凝固前沿附近的悬浮颗粒和固液界面相互作用，会引起界面起伏，??固液界面有规则的起伏形成如图１．４所示凹凸不平的结构。随着凝固速率的降低，固液??界面凸起部位向上生长速度较快，逐渐转变成柱状结构，最终形成有序的片层结构。??Ｐａｒｔｉｃｌｅ?ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ：?Ａｃｔ?＝?ａｐｓ?－?［ｃｒｐｌ?＋?ｃｒｗ）?＞?０??ｓｏｌｉｄ??Ｐａｒｔｉｃｌｅ?ｔｒａｐｐｉｎｇ：?＞?ｖ?＝??图１．４颗粒与凝固界面前沿相互作用示意图［２１］??Ｆｉｇ．?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｐａｒｔｉｃｌｅ?ａｎｄ?ｆｒｅｅｚｉｎｇ?ｆｒｏｎｔ［２Ｉ］??方程（１４）给出了陶瓷颗粒被凝固前沿“排斥”的热力学条件，其中，％和叫??分别是颗粒与固相之间的界面自由能、颗粒与液相界面自由能、固液界面之间的界面??自由能。当大于％和叫之和时，陶瓷颗粒可以被凝固前沿“排斥”。??－?（＼?＋?ｃｒｊ＞?０???（１－４）??选择水作为溶剂介质，当温度较低、过冷度较大时，在水中生成较多的六边形晶??核，该晶核在生长方向上具有较强的各向异性。如图１．５（ａ）所示，沿晶核平面方向ａ轴??生长速率高出垂直于晶核平面方向ｃ轴约两个数量级，在一定的温度梯度下，晶核可??稳定生长成为具有较高纵横比的平面晶（或者柱状晶）。凝固速率低于临界速率时，溶剂??中的悬浮颗粒被冰晶“排斥”至晶界处
??形成笔直的柱状晶结构，如图１．６中所示。??图１．６不同溶剂浆料制备的定向多孔陶瓷微观形貌［２２，３２，３３］：（３）７］＜，（１））兹瑞，＾叔丁醇??Ｆｉｇ．?１．６?Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｏｆ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ?ｐｏｒｏｕｓ?ｃｅｒａｍｉｃｓ?ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ?ｂｙ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｓｏｌｖｅｎｔ??ｓｌｕｒｒｉｅｓ［２２＞３２＞３３］：?（ａ）?ｗａｔｅｒ，?（ｂ）?ｃａｍｐｈｅｎｅ，?（ｃ）?ｔｅｒｔ?ｂｕｔｙｌ?ａｌｃｏｈｏｌ??（２）冷冻速率??如果凝固前沿生长速率过快，悬浮颗粒被快速生长的冰晶“吞噬”，不能形成定向??排布的层状结构。只有当凝固前沿的生长速率低于临界速率时，悬浮颗粒才会被冰晶??“排斥”到晶界处，沿晶界集中排布，形成定向层状结构。通过控制冷冻温度可以改变??凝固前沿生长速率，使陶瓷颗粒沿不同的形式排布，进而控制最终制备的多孔陶瓷的??微观结构。??Ａｚｏｕｎｉｅｔ等人［３４］采用阴影图法观察了蒸馏水的定向凝固过程，发现随着凝固速率??逐渐变慢
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔陶瓷材料的研究现状及应用[J]. 赵毅,朱振峰,贺瑞华,胡俊涛. 陶瓷. 2008(07)
[2]碳化钛悬浮体分散特性和流变性能的研究[J]. 王向东,张跃,王树彬,周武平,熊宁,林同伟. 稀有金属材料与工程. 2007(S1)
[3]多孔陶瓷材料的制备及应用研究进展[J]. 王圣威,金宗哲,黄丽容. 硅酸盐通报. 2006(04)
[4]多孔陶瓷制备技术研究进展[J]. 钱军民,催凯,艾好,金志浩. 兵器材料科学与工程. 2005(05)
[5]多孔陶瓷的制备、性能及应用:（Ⅰ）多孔陶瓷的制造工艺[J]. 朱新文,江东亮,谭寿洪. 陶瓷学报. 2003(01)
[6]挤压态SiCW/Al复合材料弹性模量的超声波研究[J]. 姜传海,吴建生,王德尊. 无损检测. 2002(03)
[7]多孔陶瓷材料应用及制备的研究进展[J]. 韩永生,李建保,魏强民. 材料导报. 2002(03)
[8]TiCp颗粒增强钛基复合材料的强化机理研究[J]. 毛小南,周廉,曾泉浦,魏海荣. 稀有金属材料与工程. 2000(06)
[9]多孔陶瓷材料[J]. 朱小龙,苏雪筠. 中国陶瓷. 2000(04)
[10]二元复合体系Y-TZP/α-Al2O3浆料的流变性研究[J]. 孙静,高濂,郭景坤. 硅酸盐学报. 1998(05)
博士论文
[1]氧化铝和氧化硅多孔陶瓷冷凝成型与组织性能研究[D]. 胡路阳.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]冰模板法制备层状多级孔仿生复合材料的研究[D]. 杨建霞.华中科技大学 2010
[2]高孔隙率Al2O3多孔陶瓷的冷冻注模成型及微观组织与性能研究[D]. 杜建聪.哈尔滨工业大学 2010
[3]高气孔率、高强度多孔氧化铝陶瓷的制备及表征[D]. 刘伟渊.清华大学 2009
[4]SiCp/6066Al复合材料弹性模量的研究[D]. 宋文远.重庆大学 2006
本文编号：3593181
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