纳米SiC增强铝基复合材料的粉末冶金法制备及其力学性能

第 1 章 绪论

近年来，人们对于 SiC 陶瓷颗粒增强铝基复合材料的研究主要偏向于微米尺寸 SiC 颗粒。许多学者已证实，微米 SiC 陶瓷颗粒在显著提高铝基复合材料室温强度的同时，明显牺牲了材料的塑性，同时对高温力学性能的提升也难以达到理想的效果。此外，当微米 SiC 颗粒添加超过一定量后复合材料的拉伸强度会显著下降，使其工业化应用受到了很大程度的限制，因此成为困扰 SiC 颗粒增强铝基复合材料多年而一直未能攻克的瓶颈难题[28-31]。近几年有些学者提出，降低陶瓷颗粒增强体的尺寸至亚微米级(小于 1 mm)甚至纳米级(小于 100 nm)可以在一定程度上解决上述问题。特别是当增强体粒子尺寸为纳米数量级时，制得铝基复合材料的强度、塑性、耐磨性、导电及导热等性能较之微米尺寸颗粒增强铝基复合材料均有很明显的改善，其优良的机械和物理性能引起了诸多学者的兴趣[32-34]

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第 2 章 实验方法

2.1 实验材料

实验所用的原材料主要为：2014Al 合金粉和纳米 SiC 颗粒。表 2.1 给出了原材料的相关参数及生产厂家。表 2.2 给出了 2014Al 基体合金的化学组成。

2.2 实验方法

图 2.1 给出的是实验所采用的溶剂辅助分散+机械球磨法制备 SiC/2014Al 复合材料粉末的示意图，该方法包括纳米 SiC 的超声分散、2014Al 合金粉末悬浊液和纳米 SiC 悬浊液的混合搅拌、静置干燥和机械球磨四个过程。实验采用的混料设备为武汉产球磨机（如图 2.2 所示），球料比为 8:1，球磨转速为 100 rpm。为避免混合粉末在球磨时发生冷焊和粘罐，向其中添加 1.0 wt.%硬脂酸（PCA）作为过程控制剂。

第 3 章 纳米 SiCp/2014Al 复合材料的制备、组织及强化机制 ...........33

3.1 引言...33

3.2 纳米 SiC 的溶剂辅助分散...33

3.3 纳米 SiC/2014Al 复合材料的显微组织...... 36

3.4 纳米 SiC 对复合材料弹性模量、显微硬度和室温性能的影响.......38

第 4 章 纳米 SiC 对 SiCp/2014Al 复合材料时效行为的影响 ...............57

4.1 引言...57

4.2 热处理实验过程.......58

4.3 热处理实验结果.......58

第 5 章 纳米 SiCp/2014Al 梯度复合材料的制备及磨损性能 ...............73

5.1 引言...73

5.2 纳米 SiC/2014Al 梯度复合材料的设计...... 73

5.3 纳米 SiC/2014Al 梯度复合材料的组织.......... 74

5.4 纳米 SiC 体积分数对复合材料压缩性能的影响规律.............76

5.5 纳米 SiC 体积分数对复合材料摩擦磨损性能的影响规律......77

第 5 章 纳米 SiCp/2014Al 梯度复合材料的制备及磨损性能

5.1 引言

以往人们在设计、制备及评价铝基复合材料时，主要偏向于追求组分分布均匀以使材料的每个区域具备相同的性能。均质铝基复合材料有很多优点，比如密度低、强度高、耐磨损、导电导热性好等，已经在航空、航天和交通运输等很多领域得到了广泛应用。然而在某些特定环境下，往往要求材料的不同部位满足耐高温、耐磨损和耐腐蚀等不同的性能要求，比如交通运输中的高速列车、汽车以及海洋船舶等的制动部件只是表面摩擦层对耐磨损或耐腐蚀性能有很高的要求，表面层以下需要保持金属自身的韧性及导热性。功能梯度材料（FunctionallyGraded Materials，简称 FGMs）可以很好的解决上述问题。

5.2 纳米 SiC/2014Al 梯度复合材料的设计

图 5.1 给出了粉末冶金工艺制备层状纳米 SiC/2014Al 梯度复合材料的示意图。首先按第三章中介绍的溶剂辅助分散+机械球磨的分散工艺制出纳米 SiC 体积含量分别为 0、1%、3%、5%和 7%的 SiC/2014Al 复合材料粉末。称取 10 g 左右2014A合金粉末平铺于不锈钢模具底层，用压头于140 MPa压强下冷压2 min，，移开压头，铺入第二层 1 vol.%SiC/2014Al 复合材料粉末，140 MPa 压强下保压 2min，以此类推，直至五层不同 SiC 体积分数的复合材料粉末全部放入并冷压成坯。随后层状坯料转移至自制真空炉中加热至 520 ℃，保温 50 min，然后以 140MPa 压强热压烧结 10 min，自然降温。冷却后的圆柱状梯度复合材料于 502 ℃固溶 2 h，淬火，自然时效 4 天。含不同纳米 SiC 体积分数的复合材料层依次用2014Al、SC1、SC3、SC5 和 SC7 表示。图 5.2 给出了梯度复合材料不同层的光镜组织照片。由图 5.2（a）和（b）表明，纳米 SiC 颗粒主要分布在体积分数分别为 1%和 3%的 SC1 和 SC3 复合材料层的晶界处，且分散相对比较均匀；而在纳米 SiC 体积含量为 5%的 SC5 梯度层中，能够明显观察到纳米 SiC 增强体的团聚，如图 5.2（c）所示。5.2（d）给出的是典型的层状梯度复合材料不同层的界面区域组织图，图 5.2（d）表明不同层之间的界面是紧密连续的，没有断裂或者解绑产生，这表明层状梯度功能材料不同层之间有着较好的结合强度。

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第 6 章 结 论

1）提出了一种溶剂辅助加机械球磨的新方法以改善纳米 SiC 陶瓷颗粒在2014Al 基体中的分布均匀性，为纳米颗粒在金属基体中的均匀分散提供了借鉴；揭示出纳米 SiC 体积分数对复合材料室温及高温拉伸性能的影响规律，优化出较佳拉伸性能（室温屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为 378 MPa、573 MPa 和 9.0%，屈服强度和抗拉强度分别比 2014Al 基体合金提高 68 MPa 和 60 MPa，提高幅度为 21.9%和 11.7%，延伸率较之 2014Al 合金略有下降；473 K 下屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为303 MPa、409 MPa 和 12.7%，屈服强度和抗拉强度分别比 2014Al 基体合金提高 30 MPa 和 43 MPa，提高幅度为为 11.0%和 11.7%，延伸率与2014Al 合金基本相近）所对应的纳米 SiC 体积分数为 0.5%；实现了在提升铝基复合材料拉伸强度的同时，不显著牺牲室温塑性的设计思路。

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参考文献（略）