非陶瓷不连续体增强铝基复合材料的制备、组织和力学性能研究

发布时间：2017-04-04 15:21

  本文关键词：非陶瓷不连续体增强铝基复合材料的制备、组织和力学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：不连续增强铝基复合材料不仅具有比强度高、比刚度高和耐磨性好等优点,而且其原材料成本低、易加工,在航空航天和汽车等领域受到普遍关注。传统不连续增强铝基复合材料中的增强体材料主要为陶瓷,虽然陶瓷增强体可有效地提高基体强度并改善基体力学性能,但陶瓷增强体与基体金属间的润湿性差,致使陶瓷增强体易发生团聚且陶瓷与基体之间的界面结合强度弱,影响复合材料的综合力学性能,特别是材料塑性发生明显下降,限制陶瓷增强铝基复合材料的广泛应用。近年来,利用非陶瓷增强体,如金属间化合物或者金属玻璃增强铝基复合材料逐渐引起研究人员关注并迅速成为研究热点。此类新型非陶瓷增强体不仅与金属基体有良好的界面结合强度,而且可以有效地提高基体的力学性能。非陶瓷增强体增强铝基复合材料为发展铝基复合材料提供了新的途径,也为解决传统陶瓷增强铝基复合材料的界面结合问题提供了新的思路。本论文以铝为基体,以金属玻璃颗粒、金属玻璃短纤维、铝合金纳米晶颗粒、钛铝合金颗粒等非陶瓷体为增强体,采用热压、热挤压或放电等离子体烧结的方法,制备铝基复合材料;探索各种非陶瓷增强体对复合材料微观组织和力学性能的影响,研究非陶瓷体增强铝基复合材料的变形行为和增强机制。论文主要结果如下:(1)基于热压的方法,制备出镁基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。利用金属玻璃在过冷液相区间粘度急剧下降的特点,热压之后的复合材料致密度达到了99%。并且发现镁基金属玻璃颗粒与基体具有良好的结合强度,复合材料的屈服强度和压缩强度都随着镁基金属玻璃颗粒的体积分数增加而增加,但塑性有一定降低。复合材料强化机制符合混合模型中的等应力模型。(2)制备出直径较小的镁基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料。发现复合材料的强度得到了显著提高,例如,含有10 vol.%增强体复合材料的屈服强度从纯铝的~63 MPa增加到了~203 MPa,压缩强度从~132 MPa增加到了~247 MPa,而且还能保持良好的塑性。基于Modified shear lag模型和位错增强机制,发现除增强体的直接增强作用,基体的位错强化作用也是这种复合材料的重要增强机制。(3)利用热压和热挤压的方法,制备出铁基金属玻璃短纤维增强铝基复合材料。发现铁基金属玻璃短纤维在基体铝中分布均匀,而且界面结合良好;铁基金属玻璃短纤维可以显著提高基体铝的强度,同时还能保持良好的塑性。当铁基玻璃短纤维的体积分数增加到40 vol.%时,其中屈服强度从纯铝的~40 MPa增加到了~115 MPa,压缩强度从~132 MPa增加到了~245 MPa。发现短纤维在复合材料中的增强效果与短纤维在最大剪切面的分布方向密切相关。(4)利用金属玻璃在晶化温度以上发生晶化的特点,运用热压或者热挤压的方法,制备出纳米晶颗粒增强铝基复合材料。对其组织观察显示增强体颗粒在基体中分布均匀而且界面结合良好,力学行为研究表明复合材料的强度由于纳米晶颗粒的加入得到了明显提高。屈服强度从纯铝的~75MPa增加到复合材料的~93 MPa,抗拉强度从纯铝的~120 MPa增加到复合材料的~157 MPa。但是复合材料强度的增加伴随着塑性的降低。(5)利用放电等离子烧结方法制备出锆基金属玻璃短纤维增强7075铝合金复合材料。结果表明,放电等离子烧结方法可以制备出致密度高的金属玻璃增强铝基复合材料,同时发现由于锆基金属玻璃短纤维的加入,复合材料的强度得到显著提高,其中屈服强度从7075合金的~167 MPa增加到~362 MPa,同时复合材料材料还保持良好的压缩塑性。(6)基于热压和热挤压的方法,制备出Ti-Al-Nb-Mo-B(Ti-Al合金)颗粒增强铝硅合金复合材料。发现复合材料的屈服强度和拉伸强度随着Ti-Al合金颗粒的体积分数增加而增加,其中屈服强度从Al-12Si合金的~104 MPa分别增加到20 vol.%TNM增强复合材料的~125 MPa和40 vol.%TNM增强复合材料的~150 MPa。(7)通过比较不同增强体增强铝基复合材料的力学性能,得出Mg58Cu28.5Gd11Ag2.5金属玻璃颗粒增强铝基复合材料具有良好的综合力学性能,即较高的屈服强度和良好的塑性。
【关键词】：铝基复合材料 非陶瓷增强体 金属玻璃 纳米晶颗粒 力学性能 增强机制
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-32
• 1.1 引言13
• 1.2 铝基复合材料概述13-21
• 1.2.1 铝基复合材料的定义和分类13-14
• 1.2.2 铝基复合材料的制备方法14-16
• 1.2.3 铝基复合材料的性能和难点16-18
• 1.2.4 铝基复合材料的应用18-21
• 1.3 粉末冶金工艺21-26
• 1.3.1 粉末冶金工艺概述21-22
• 1.3.2 粉末压制和烧结22-24
• 1.3.3 热压24-26
• 1.4 金属玻璃26-29
• 1.5 选题意义及研究内容29-32
• 第二章 实验方法32-38
• 2.1 制备方法32-35
• 2.1.1 喷射铸造快速成形32
• 2.1.2 球磨32-33
• 2.1.3 热压33-34
• 2.1.4 热挤压34-35
• 2.1.5 放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）35
• 2.2 试样的表征35-38
• 2.2.1 差热分析 (Differential scanning calorimeter, DSC)35-36
• 2.2.2 热机械分析 (Thermo-mechanical analysis, TMA)36
• 2.2.3 X射线衍射 (X-ray diffraction, XRD)36
• 2.2.4 扫描电子显微镜 (Scanning electron microscopy, SEM)36
• 2.2.5 密度测量36-37
• 2.2.6 硬度测试37
• 2.2.7 力学性能测试37-38
• 第三章 镁基金属玻璃颗粒增强铝基复合材料38-64
• 3.1 Mg58Cu28.5Gd11Ag2.5金属玻璃颗粒增强铝基复合材料38-51
• 3.1.1 引言38
• 3.1.2 实验方法38-39
• 3.1.3 实验结果与分析39-51
• 3.1.3.1 微观组织和力学性能39-47
• 3.1.3.2 复合材料的断裂行为47-49
• 3.1.3.3 复合材料的增强机制与模型49-51
• 3.1.4 小结51
• 3.2 Mg65Cu20Zn5Y10 金属玻璃颗粒增强铝基复合材料51-64
• 3.2.1 引言51-52
• 3.2.2 实验方法52
• 3.2.3 实验结果与讨论52-62
• 3.2.3.1 微观组织和力学性能52-58
• 3.2.3.2 增强机制58-62
• 3.2.4 小结62-64
• 第四章 铁基金属玻璃短纤维增强铝基复合材料64-77
• 4.1 引言64-65
• 4.2 实验方法65
• 4.3 实验结果65-73
• 4.3.1 热压法制备铁基金属玻璃纤维增强铝基复合材料65-71
• 4.3.2 热挤压制备铁基金属玻璃短纤维增强铝基复合材料71-73
• 4.4 分析与讨论73-76
• 4.5 小结76-77
• 第五章 非晶晶化Al84Gd6Ni7Co3纳米晶颗粒增强铝基复合材料77-89
• 5.1 引言77
• 5.2 实验方法77-78
• 5.3 结果与讨论78-87
• 5.3.1 热挤压Al84Gd6Ni7Co3 雾化粉末78-83
• 5.3.2 压制球磨Al84Gd6Ni7Co3 粉末83-87
• 5.4 小结87-89
• 第六章 锆基金属玻璃短纤维增强铝基复合材料89-95
• 6.1 引言89
• 6.2 实验方法89
• 6.3 实验结果与讨论89-94
• 6.4 小结94-95
• 第七章Ti-Al合金颗粒增强Al-12Si合金复合材料95-103
• 7.1 引言95
• 7.2 实验方法95
• 7.3 实验结果与讨论95-102
• 7.4 小结102-103
• 第八章 不同增强体增强铝基复合材料的比较103-107
• 结论107-109
• 本文主要创新点109
• 本文的不足以及对后续工作的建议109-111
• 参考文献111-129
• 攻读博士学位期间取得的研究成果129-133
• 致谢133-134
• 附件134

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 马立群，，舒光冀，陈锋;金属熔体在超声场中凝固的研究[J];材料科学与工程;1995年04期

2 朱德智;陈维平;李元元;武高辉;;TC4纤维增强铝复合材料的高速撞击损伤行为[J];稀有金属材料与工程;2011年10期

3 赵霞;柯黎明;徐卫平;刘鸽平;;搅拌摩擦加工法制备碳纳米管增强铝基复合材料[J];复合材料学报;2011年02期

4 张春艳;张涛;邵亚薇;孟国哲;;热挤压态SiC_p/AZ91镁基复合材料腐蚀行为研究[J];腐蚀科学与防护技术;2014年02期

5 肖伯律,毕敬,赵明久,马宗义;SiC_p尺寸对铝基复合材料拉伸性能和断裂机制的影响[J];金属学报;2002年09期

6 许玮;胡锐;高媛;寇宏超;李金山;傅恒志;;碳纳米管增强铜基复合材料的载流摩擦磨损性能研究[J];摩擦学学报;2010年03期

7 李小强;陈火金;李子阳;屈盛官;赖燕根;;WC增强Fe-2Cu-2Ni-1Mo-1C粉末冶金钢的制备及其耐磨性能研究[J];机械工程学报;2013年18期

8 O. Van der Biest;J. Vleugels;;Sintering of WC-Co powder with nanocrystalline WC by spark plasma sintering[J];Rare Metals;2006年03期

9 ;Review of metal matrix composites with high thermal conductivity for thermal management applications[J];Progress in Natural Science:Materials International;2011年03期

10 胡可;李小强;杨超;李元元;;W-Ni-Fe合金的放电等离子烧结致密化与微观组织演变(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2011年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 胡可;放电等离子烧结（SPS）制备细晶93W-5.6Ni-1.4Fe高比重合金[D];华南理工大学;2013年

  本文关键词：非陶瓷不连续体增强铝基复合材料的制备、组织和力学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：285735