氧化铝颗粒增强铝基复合材料摩擦性能研究开题报告
Al2O3颗粒增强3003铝合金复合材料冲蚀磨损性能研究
2023年 11月下 世界有色金属 53
M 机械加工与制造 achining and manufacturing
布氏硬度 HBS，载荷为 62.5kg，压头为直径 5mm 淬火钢球。 2 实验结果与讨论 2.1 样品的硬度测试
如图 1 所示，在 3003 合金中引入了 ~1wt% 的 2000 目 的氧化铝粉体后，合金的布氏硬度从 ~17 提升至 ~27，这是 由于细小的氧化铝颗粒在 3003 基体中强化作用的结果 ：细 小的氧化铝粉体在 3003 合金基体中弥散分布后，对晶内位 错的滑移有强烈的钉扎与阻碍作用，需要在更大的外力作用 下位错才能挣脱钉扎、突破阻碍，是合金发生塑性变形，宏 观上表现为合金强度与硬度得到了提升。
图 3 不同冲蚀速度对材料冲蚀磨损影响
图 2 不同磨粒粒径对材料冲蚀磨损影响 当水中磨粒直径逐渐增加时，在同样的冲击速度下，磨
图 4 是在 4m/s~6m/s 冲蚀速度下 3003 铝材的冲蚀磨 损表面在扫描电子显微镜（SEM）下的形貌，图 4-a 表明， 在 4m/s 冲蚀速度下，3003 样品表面呈现较明显的沿着冲蚀 方向排列的冲蚀磨痕，这是磨粒对基材进行微切削作用的结 果 ；随着冲蚀速度的增加，样品显示的形貌为沿着晶界产生 的冲蚀沟，如图 4-b 所示，这是由于当冲蚀速度提高至 8m/ s 时，磨粒能量指数级增加，基材中的晶界弱化部位分会被 迅速冲蚀掉，留下沿着晶界分布的较宽的冲蚀沟。
图 3 是磨粒粒径分布在 0~0.053mm 之间时，不同冲蚀 速 度 对 材 料 失 重 率 的 影 响。可 以 看 出，随 着 冲 蚀 速 度 的 增 加，两种材料的失重率都显著提高，8m/s 冲蚀速度的失重 率为 4m/s 时的 2~2.5 倍。这是因为随着冲蚀速度增加，冲 蚀液中的磨粒速度增加，磨粒的动能呈指数级增长，对基材 的冲击作用更显著，磨损腐蚀更加严重，使材料失重率显著 增大。在相同冲蚀速度下，3003 铝材的磨损失重率均高于 Al2O3 粉体增强 3003 铝合金的失重率复合材料的失重率， 表明 Al2O3 颗粒的加入，提高了 3003 合金的抗冲蚀磨损性 能。
颗粒增强铝基复合材料的研究与进展
颗粒 利用 率低
ｌ １
轧 制件
工 艺复 杂 润 湿 性 好 燃 气涡轮 机 ；热 交换机 ；耐 热
增 强体 分布 均匀 元 件；切 削工具
即得 到所需 的复合材料 。用该方法制备 的颗粒与铝基体之 于形状和尺寸都不相同的各种颗粒 ， 对 于颗粒增强铝基 复合材 料的 浇注 ， 间的润湿性好 ， 粒 子分布均匀 ， 且制备设备 简单 ， 成本低 廉 ， 能够大 可设计性有 了很大的提高。 同时 ， 粉末冶金法存在不少独特 的优点 ， 规模生产 。 现在 ， 成熟 的半 固态搅拌铸造法 主要应用于微米级颗粒 ， 制备 的复合材料颗粒分布均匀 、 组织细密 ， 不易出现偏析和偏聚 ； 烧 对 于亚微米级和纳米级颗粒 ， 搅拌铸造法还 比较难控制其在铝液 中 结 温度 比金属 的熔点 低 ， 减 轻了界面之 间的反 应 ， 减少 了化合物 的 此方法金属液处于半 固态 ， 粘度 比较大 ， 易形 生成 ， 提高了产 品的精度 。 在航天领域 ， 英 国航天金属基复合材料公 的均匀分布㈣。同时 ， 成 团聚现象 ， 导致复合材料的相关性能降低 。齐海波等采用半 固态 司（ Ａ ＭＣ ） 采用高能球磨 粉末冶金法成功研 制出碳化硅 颗粒增强 铝 搅拌挤压铸造方法制备出 Ｓ ｉ Ｃ复合材料制动盘 ， 与传统 Ｈ Ｔ ２ ５ ０铸铁 基（ ２ ０ ０ ９ ／ Ｓ ｉ Ｃ ／ １ ５ ｐ ） 复合材 料 ， 用此材料 制造 的直 升机旋翼 系统连 接 该新 型制动盘热膨胀系数更小 、 导热性能更好 、 质量也 用模锻件 已成功应用于欧直公司生产 的新 型直升机旋翼上 。 该材料 制 动盘相 比， 不仅延长 了制动盘 的使用周期 ， 也节约了成本㈣。 与铝合金相 比， 弹性模量提高约 ４ ０ ％， 构建刚度提高约 ３ ０ ％， 寿命提 更轻 ，
碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备和性能研究的开题报告
碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备和性能研究的开题报告一、选题背景和研究意义随着工业领域对强度、硬度以及耐磨性等性能要求的日益提高，金属材料面临严峻的挑战。
传统的单一金属材料已经不能满足工业要求。
因此，铝基复合材料应运而生。
铝基复合材料具有优良的机械性能、高的耐腐蚀性、良好的热稳定性等优点，被广泛应用于汽车、航空航天、电子、能源等领域。
目前，铝基复合材料制备方法多种多样，其中碳化硅颗粒增强铝基复合材料受到人们的广泛关注。
碳化硅具有高强度、高硬度、高耐磨性等特点，能够有效增强铝基复合材料的力学性能，提高其耐磨性和抗疲劳性能，因此具有广阔的应用前景。
二、研究内容本研究旨在制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料，并对其力学性能、热稳定性、耐磨性等性能进行研究。
具体包括以下内容：1. 碳化硅颗粒的制备：采用化学气相沉积法制备高纯度的碳化硅颗粒。
2. 铝基复合材料的制备：将碳化硅颗粒加入到铝合金熔体中，采用压力铸造方法制备铝基复合材料。
3. 材料性能测试：对制备的铝基复合材料进行力学性能、热稳定性、耐磨性等性能测试。
4. 微观结构分析：对铝基复合材料进行微观结构分析，探究碳化硅颗粒与铝基矩阵的相互作用机制。
三、研究方法1. 碳化硅颗粒的制备采用化学气相沉积法，通过改变反应条件来控制颗粒的尺寸和形貌。
2. 铝基复合材料的制备采用压力铸造法，可以提高材料的密实度和连续性。
3. 物理性能测试采用扫描电子显微镜、X射线衍射、热重分析等分析测试手段。
4. 微观结构分析采用透射电镜和扫描电镜等手段进行分析观察。
四、预期结果预计研究结果将优化碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺，进一步提高材料的力学性能、热稳定性、耐磨性等性能，为该领域的研究提供新的理论依据和实验数据。
五、研究进度安排第一年1. 确定碳化硅颗粒的制备工艺；2. 制备铝基复合材料；3. 开展铝基复合材料的物理性能测试；4. 进行微观结构分析。
第二年1. 优化铝基复合材料的制备工艺；2. 继续进行铝基复合材料的物理性能测试；3. 开展铝基复合材料的力学性能和耐磨性测试；4. 继续进行微观结构分析。
颗粒增强铝基复合材料熔体粘滞性研究的开题报告
颗粒增强铝基复合材料熔体粘滞性研究的开题报告开题报告：一、选题背景和意义颗粒增强铝基复合材料（Particle Reinforced Aluminum Matrix Composites，PRAMC）是目前应用较广泛的一类高性能复合材料，具有优异的力学性能、导热性能和抗磨损性能等特点，因此被广泛应用于航空、航天、汽车、兵器等领域。
熔体粘滞性是影响PRAMC加工工艺的重要因素之一，其高低直接影响材料的成型质量和加工效率。
因此，研究颗粒增强铝基复合材料熔体粘滞性对其加工工艺的优化具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、研究内容和方法本研究旨在通过实验方法研究不同颗粒增强铝基复合材料的熔体粘滞性，并探究其影响因素和机理。
主要内容包括：1. 实验材料的制备及特性测试：制备不同颗粒体积分数（5%，10%，15%）的颗粒增强铝基复合材料，并测试其物理、化学和力学性能。
2. 熔体粘滞性测试：采用热压缩机测试不同颗粒增强铝基复合材料熔体的粘滞性，测量其流变特性和蠕变行为。
3. 影响因素分析：通过对实验结果的分析，探究颗粒增强铝基复合材料熔体粘滞性的影响因素和机理，如颗粒体积分数、颗粒尺寸、熔体温度等。
三、预期成果通过本研究，预期可以获得不同颗粒增强铝基复合材料的熔体粘滞性数据并进行分析，探讨其机理和影响因素。
同时，可以为PRAMC加工工艺的优化提供技术支持和理论指导。
预计可发表学术论文2篇，并申请1项国家自然科学基金。
四、拟定计划本研究拟定为两年的课题，具体计划如下：第一年1. 初步了解颗粒增强铝基复合材料的相关文献，设计实验方案。
2. 制备实验材料，对其特性进行测试。
3. 进行初步的熔体粘滞性测试。
4. 对实验结果进行分析，探讨熔体粘滞性的机理和影响因素。
第二年1. 对不同颗粒体积分数的实验样品进行熔体粘滞性测试，测量其流变特性和蠕变行为。
2. 进行熔体粘滞性数据的分析，探究其机理和影响因素。
3. 撰写学术论文，并申请国家自然科学基金。
颗粒增强铝基复合材料的研究
颗粒增强铝基复合材料的研究某某：陈云班级：10161201 学号：1016120118【摘要】本文简要介绍了常见的几种颗粒增强铝基复合材料的增强颗粒和性质，以与颗粒增强铝基复合材料的制备方法和应用。
【关键词】颗粒增强铝基复合材料碳化硅氧化铝碳化钛石墨粉末冶金原位反响合成0 前言金属基复合材料是以金属与其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。
铝基复合材料是金属基复合材料的一种，按照增强体形式不同可以分为长纤维增强铝基复合材料，短纤维增强铝基复合材料，晶须增强铝基复合材料与颗粒增强铝基复合材料。
颗粒增强铝基复合材料的增强颗粒克制了制备过程中出现的纤维损伤，微观组织不均匀，纤维与纤维相互接触，反响带过大等影响材料性能的缺点。
同时，颗粒增强铝基复合材料制备本钱低廉，回收性和再利用性好，使其在各个领域都具有广泛应用。
因此，本文将简要介绍颗粒增强铝基复合材料的局部相关内容。
1 颗粒增强铝基复合材料颗粒增强铝基复合材料具有密度小，比强度、比刚度高，剪切强度高，热膨胀系数低，热稳定性和导热、导电性能良好，以与抗磨耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀优良等一系列优点。
颗粒的增强主要是弥散强化，颗粒越小，弥散强化的效果越好，材料的性能也就越佳。
颗粒增强铝基复合材料增强体的选择要求颗粒在基体中高度弥散均匀分散，尺寸大小要适度，与基体间要有一定粘结作用，而且它们之间各方面都要相匹配。
常见的增强颗粒有：碳化硅、碳化钛、氧化铝和石墨颗粒。
1.1 碳化硅颗粒增强铝基复合材料碳化硅颗粒增强铝基(/Al)复合材料是一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料，它是用碳化硅颗粒作为增强体，采用铝或铝合金作基体，按设计要求，以一定形式、比例和分布状态，构成有明显界面的多组相复合材料。
通过改变碳化硅颗粒在复合材料中的含量，可以对材料的性能进展调整。
一般随碳化硅体积含量的增加，复合材料强度增加，塑性下降。
按SiC含量不同可将/Al复合材料的功能特性分为三类：SiC含量<20％，被用作结构级复合材料；SiC含量在35％～50％间，被用作光学仪表与功能级复合材料：SiC含量50％--80％，被用作电子级复合材料。
颗粒增强铝基复合材料研究与应用发展
3、结构性能
通过观察复合材料的显微组织，分析碳化硅颗粒的分布情况和界面结合情况。 实验结果显示，随着碳化硅颗粒含量的增加，颗粒分布逐渐均匀，界面结合强度 也逐渐提高。Fra bibliotek结果分析
实验结果表明，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的物理性能、化学性能和结构 性能均得到显著改善。随着碳化硅颗粒含量的增加，复合材料的密度、硬度和界 面结合强度逐渐提高，而热导率呈现先增加后减小的趋势。这些现象和结果与碳 化硅颗粒含量、分布情况以及界面结合情况密切相关。
材料选择
碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要包括搅拌铸造法、挤压铸造法、 粉末冶金法和喷射沉积法等。本次演示选取搅拌铸造法进行研究，具体实验过程 如下：
1、按照一定比例将铝材和碳化硅颗粒混合均匀； 2、将混合物放入坩埚中，加热至熔化；
3、搅拌熔融的混合物，确保碳化硅颗粒均匀分布； 4、浇注至预定的模具中，冷却凝固后得到碳化硅颗粒增强铝基复合材料。
然而，尽管颗粒增强铝基复合材料具有诸多优点，但在其研究与应用方面仍 存在一些问题和不足之处。首先，制备工艺复杂且成本较高，限制了其广泛应用。 其次，材料的各向异性较为明显，影响了其性能的进一步提升。此外，关于颗粒 增强铝基复合材料在复杂服役条件下的长期性能和可靠性方面仍需进一步研究和 验证。
未来，随着科学技术的不断进步和研究的深入，颗粒增强铝基复合材料将会 在更多领域得到应用和发展。为进一步提高其性能和降低成本，可以研究新的制 备工艺和优化现有工艺参数，探索新型增强颗粒和基体合金。针对其各向异性和 长期性能问题，可以开展深入的理论和实验研究，建立完善的性能评价体系，为 实际应用提供更加可靠的依据。
感谢观看
3、结构设计难度大：由于碳化硅颗粒增强铝基复合材料的力学性能与传统 的金属材料存在较大差异，因此在进行结构设计时需要考虑更多的影响因素，增 加了设计的难度。
氧化铝颗粒增强铝基复合材料研究
氧化铝颗粒增强铝基复合材料研究
铝基复合材料是一种由铝基合金和其他材料组成的复合材料，具有优异的力学性能和热性能。
为了进一步提高铝基复合材料的性能，研究人员开始将氧化铝颗粒作为增强相加入铝基复合材料中。
氧化铝颗粒具有优异的力学性能和化学稳定性，是一种理想的增强相材料。
通过将氧化铝颗粒与铝合金进行混合，并经过热处理和压制等工艺，可以制备出氧化铝颗粒增强的铝基复合材料。
研究发现，在铝基复合材料中添加适量的氧化铝颗粒可以显著提高其力学性能。
氧化铝颗粒的加入可以增加材料的硬度和抗拉强度，同时改善其耐磨性和耐蚀性。
这是因为氧化铝颗粒可以提供额外的位错阻碍和增加材料的表面硬度。
此外，氧化铝颗粒还可以改善铝基复合材料的热性能。
研究表明，氧化铝颗粒的加入可以提高材料的导热性和热稳定性，从而使材料在高温环境下具有更好的性能。
然而，氧化铝颗粒的加入也会对铝基复合材料的加工性能产生一定的影响。
由于氧化铝颗粒的硬度较高，加入过多会导致材料难以加工和成形。
因此，在实际应用中需要进行适当的调整和控制。
综上所述，氧化铝颗粒增强铝基复合材料是一种具有潜力的材料体系。
通过合理控制氧化铝颗粒的加入量和工艺条件，可以进一步提高铝基复合材料的性能。
未来的研究可以从材料的微观结构和界面性能等方面深入探究，以进一步优化氧化铝颗粒增强铝基复合材料的性能。
氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展
第42卷第11期2023年11月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.11November,2023氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展孙敬伟1,王洪磊1,2,周新贵1(1.国防科技大学空天科学学院,新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室,长沙㊀410073;2.中南大学轻质高强结构材料重点实验室,长沙㊀410083)摘要:与传统金属材料相比,氧化铝纤维增强氧化铝基(Al 2O 3/Al 2O 3)复合材料因具有比强度高㊁密度低㊁耐高温和抗氧化等特点,已经成为新一代备受国内外学者关注的航空航天热结构复合材料㊂本文介绍了目前常用的氧化铝纤维及其基本性能,总结了Al 2O 3/Al 2O 3复合材料中常用的界面相及其对复合材料性能的影响规律,归纳了Al 2O 3/Al 2O 3复合材料的制备工艺及性能,指出了该材料未来的发展趋势,旨在为国内Al 2O 3/Al 2O 3复合材料的研究提供借鉴和参考,促进Al 2O 3/Al 2O 3复合材料在航空航天领域热端高温部件上的广泛应用㊂关键词:氧化铝;复合材料;纤维;界面相;制备工艺中图分类号:TQ174㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)11-4092-21Research Progress of Al 2O 3Fiber Reinforced Al 2O 3Matrix CompositesSUN Jingwei 1,WANG Honglei 1,2,ZHOU Xingui 1(1.Science and Technology on Advanced Ceramic Fibers and Composites Laboratory,College of Aerospace Science andEngineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China;2.National Key Laboratory of Scienceand Technology on High-Strength Structural Materials,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract :Compared with traditional metal material,Al 2O 3fiber reinforced Al 2O 3matrix (Al 2O 3/Al 2O 3)composites have become a new generation of thermos-structured composites for aerospace that have attracted much attention from scholars all over the world due to their high specific strength,low density,high temperature resistance and oxidation resistance.This paper introduces the commonly used Al 2O 3fibers and their basic properties,summarizes the frequently used interfacial phases in Al 2O 3/Al 2O 3composites and their influence on performance of composites,summarizes the preparation process of Al 2O 3/Al 2O 3composites and their properties,and points out the future development trend of this material,aiming toprovide a reference for the research of Al 2O 3/Al 2O 3composites in China and promote the widespread application of Al 2O 3/Al 2O 3composites in high-temperature components at the hot side of aerospace industry.Key words :Al 2O 3;composite;fiber;interfacial phase;manufacturing process 收稿日期:2023-06-02;修订日期:2023-08-03基金项目:中南大学轻质高强结构材料重点实验室开放课题基金(SYSJJ202104)作者简介:孙敬伟(2000 ),男,硕士研究生㊂主要从事陶瓷基复合材料方面的研究㊂E-mail:sunjingwei0120@通信作者:王洪磊,博士,副教授㊂E-mail:honglei.wang@ 0㊀引㊀言连续纤维增强陶瓷基复合材料具有低密度㊁高强度㊁高模量㊁耐高温和抗磨损等特点[1-4],已被应用于航空航天发动机热端等关键部件[5-7]㊂在发动机实际工况下,高温燃气中的水蒸气会加速航空发动机热端复合材料部件的氧化[8-10],从而减弱复合材料的力学性能和可靠性[11-14]㊂氧化铝纤维增强氧化铝复合材料(简称Al 2O 3/Al 2O 3复合材料)相较于其他陶瓷基复合材料具有较好的抗水蒸气氧化性能[14-17],有效解决了陶瓷基复合材料在特定环境下易氧化的问题,极大拓宽了陶瓷基复合材料在航空航天等领域的应用[16,18-19]㊂目前Al 2O 3/Al 2O 3复合材料作为航空航天领域热端高温部件的新兴候选材料受到了国内外学者的广泛关注[17,20-21]㊂国外对Al 2O 3/Al 2O 3复合材料的研究起步较早,现已对Al 2O 3/Al 2O 3复合材料的制备技术㊁微观结构及第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4093㊀性能展开了系统的基础研究,并进入了工程应用阶段[22-24]㊂美国CHI(Composites Horizons)公司制备的Al2O3/Al2O3复合材料中心锥㊁混合器和核心整流罩部件成功应用到了GE-passport20发动机中,是Al2O3/ Al2O3复合材料在商用航空发动机中最早的应用㊂美国在CLEEN项目[22]中成功制备了Al2O3/Al2O3复合材料中心锥和喷管部件,组成了航空发动机排气部件(中心锥宽1.14m㊁高2.34m,喷管直径1.60m),是迄今为止尺寸最大的Al2O3/Al2O3复合材料航空发动机部件,该部件已完成装机测试,达到TRL(Technology Readiness Level)7水平,进入了最终完善阶段㊂此外美国的罗㊃罗AE3007发动机[25]㊁F414发动机等也都装配了Al2O3/Al2O3复合材料部件㊂德国在HiPOC项目[24,26]成功制备了Al2O3/Al2O3复合材料燃烧室衬套,完成了模拟发动机推力90%的测试,衬套整体保持完整㊂在此基础上,德国DLR[23,27]制备了WHIPOX-Al2O3/ Al2O3复合材料燃烧室衬套,该衬套经10h模拟环境考核后出现裂纹,但部件整体完整,没有出现灾难性破坏㊂同时,Al2O3/Al2O3复合材料也被广泛应用于民用工业领域㊂德国WPS公司[28-29]在Al2O3/Al2O3复合材料部件的工业开发与应用制造方面具有丰富的经验,制备了高温炉部件㊁汽车排气系统㊁陶瓷紧固件和太阳能吸收器等一系列复杂形态Al2O3/Al2O3复合材料部件,其中高温炉部件经500~780ħ的温差热震试验循环107次后未失效,同时,太阳能吸收器热部件的直径可达2.5m,是目前最大的Al2O3/Al2O3复合材料部件㊂受限于高性能Al2O3纤维原材料,我国对Al2O3/Al2O3复合材料的研究起步较晚,虽然近年来在Al2O3/ Al2O3复合材料应用领域取得了一定进展,但仍处于基础研究阶段,尚有许多应用问题需要解决[30-32]㊂本文从氧化铝纤维㊁界面相和复合材料制备工艺的角度出发,重点介绍了Al2O3/Al2O3复合材料制备技术及性能,指出了这一领域未来的发展趋势,期望为国内Al2O3/Al2O3复合材料研究领域的发展提供一些参考㊂1㊀氧化铝连续纤维氧化铝连续纤维的研究始于20世纪70年代,目前只有美国㊁日本㊁德国和中国等国家掌握了其制造技术[33]㊂美国3M公司在1974年首次通过溶胶-凝胶法制备了氧化铝纤维,经过不断优化,推出了Nextel系列氧化铝纤维,其中Nextel610纤维和Nextel720纤维是目前应用最广泛的氧化铝纤维[11,34-35]㊂1.1㊀Nextel610氧化铝纤维Nextel610氧化铝纤维的主要成分为α-Al2O3,含有低于1%(质量分数,下同)的Fe3O4和SiO2,为单相多晶氧化铝纤维㊂在纤维制备过程中,Fe3O4有效提高了α-Al2O3的形核率,降低了α-Al2O3的相变温度, SiO2有效减小了α-Al2O3晶粒的生长速率㊂在Fe3O4和SiO2的共同作用下,氧化铝纤维的烧结温度显著降低且致密度明显上升㊂Nextel610氧化铝纤维是目前室温拉伸强度和拉伸模量最高的氧化铝纤维,但高温处理后纤维中α-Al2O3晶粒迅速长大,纤维缺陷增多,力学性能明显下降㊂Nextel610氧化铝纤维的基础性能如表1所示㊂表1㊀Nextel610氧化铝纤维的基础性能Table1㊀General properties of Nextel610Al2O3fiberTrademark Component Diameter/μm Density/(g㊃cm-3)Tensilestrength/GPaTensilemodulus/GPaFracturestrain/%Nextel61099.0%α-Al2O30.7%Fe3O40.3%SiO210~12 3.90 3.103800.50在高温条件下,Nextel610氧化铝纤维晶粒会显著长大,晶粒生长速率受保温时间影响较大㊂Schmücker 等[36]对Nextel610氧化铝纤维在1300ħ热处理过程中的晶粒长大机制进行了详细研究,发现Nextel610氧化铝纤维中的掺杂元素在α-Al2O3晶界附近偏聚,使得α-Al2O3晶界迁移率降低,α-Al2O3晶粒生长速率较小㊂根据等温生长动力学计算公式(式(1))可得Nextel610氧化铝纤维的生长指数nʈ4,Nextel650和Nextel720氧化铝纤维的生长指数nʈ7㊂但由于Nextel610氧化铝纤维中没有第二相成分抑制晶粒生长, Nextel610氧化铝纤维相较于另外两种氧化铝纤维在高温条件下的晶粒生长速率受保温时间影响较大(如图1所示)㊂根据生长指数n㊁α-Al2O3的晶粒尺寸和温度的关系,计算出了Nextel610氧化铝纤维的晶粒生4094㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图1㊀氧化铝纤维1300ħ热处理后晶粒尺寸与保温时间的关系[36]Fig.1㊀Relationship between grain size and dwell time of Al 2O 3fibers heat-treated at 1300ħ[36]长活化能约为660kJ㊃mol -1㊂D n -D n 0=K (T )ˑt (1)式中:D 为热处理后晶粒尺寸,D 0为原始晶粒尺寸,K为反应常数,t 为热处理时间,n 为生长指数,理想状态下n 为2[37]㊂Nextel 610氧化铝纤维经高温处理后晶粒会显著长大,力学性能下降㊂姜如等[35]对Nextel 610氧化铝纤维在1000~1400ħ进行热处理后发现,纤维经1200ħ热处理后的表面晶粒尺寸明显增大;当热处理温度为1400ħ时,纤维表面缺陷明显增多,纤维经不同温度热处理后的表面形貌如图2所示㊂对不同温度热处理后的纤维进行拉伸强度测试发现,随着热处理温度的升高,纤维的拉伸强度逐渐降低㊂当热处理温度为1200ħ时,纤维的拉伸强度发生突变,强度保留率仅为71.15%㊂不同温度热处理后纤维的晶粒尺寸与拉伸强度关系如图3所示㊂图2㊀不同温度热处理后Nextel 610氧化铝纤维的表面形貌[35]Fig.2㊀Surface morphologies of Nextel 610Al 2O 3fibers heat-treated at different temperatures [35]Nextel 610氧化铝纤维的高温力学性能随测试温度变化显著㊂美国3M 公司[38]报道了Nextel 610氧化铝纤维的高温力学性能,如图4所示㊂由图4可知,Nextel 610氧化铝纤维在1200ħ之前强度较高,强度保留率在95%以上;1300ħ时强度下降明显,强度保留率降低至64%;1400ħ时的强度保留率仅为30.2%㊂这主要是因为Nextel 610氧化铝纤维是单相纤维,在较高的温度下晶粒快速长大,导致强度迅速下降㊂第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4095㊀图3㊀不同温度热处理后Nextel 610氧化铝纤维晶粒尺寸和拉伸强度关系[35]Fig.3㊀Relationship between grain size and tensile strength of Nextel 610Al 2O 3fiber heat-treated at different temperatures[35]图4㊀Nextel 系列氧化铝纤维的高温力学性能[38]Fig.4㊀High temperature mechanical properties of Nextel series Al 2O 3fiber [38]㊀Nextel 610氧化铝纤维的抗蠕变性能较差,在不同环境热处理后其蠕变性能有明显差异㊂Armain 等[39]研究了1100ħ时Nextel 610氧化铝纤维分别在空气和水汽气氛下的蠕变行为,发现当蠕变应力为100MPa 时,Nextel 610氧化铝纤维在两种气氛下的寿命都超过100h,水汽气氛下的蠕变应变为空气气氛下的5倍㊂而当蠕变应力为200~500MPa 时,水汽气氛下的蠕变应变略低于空气气氛下的蠕变应变,Nextel 610氧化铝纤维在不同气氛下的蠕变曲线如图5所示㊂水汽显著增加了Nextel 610纤维的蠕变速率,当蠕变应力为100~500MPa 时,纤维在水汽气氛下的蠕变速率较空气气氛下的蠕变速率高近一个数量级㊂图5㊀1100ħ下Nextel 610氧化铝纤维在不同气氛中的蠕变曲线[39]Fig.5㊀Creep curves of Nextel 610Al 2O 3fiber in different atmosphere at 1100ħ[39]1.2㊀Nextel 720氧化铝纤维Nextel 720氧化铝纤维主要含α-Al 2O 3和SiO 2,其中SiO 2的含量约为15%[35]㊂在纤维烧成过程中SiO 2与α-Al 2O 3反应生成莫来石,莫来石可在α-Al 2O 3晶界处聚集,形成莫来石包围α-Al 2O 3的结构,有效抑制了α-Al 2O 3晶粒的生长,明显提高了纤维的抗蠕变性能㊂Nextel 720氧化铝纤维的性能如表2所示㊂表2㊀Nextel 720氧化铝纤维的基础性能Table 2㊀General properties of Nextel 720A 2O 3fiberTrademark Component Diameter /μm Density /(g㊃cm -3)Tensile strength /GPa Tensile modulus /GPa Fracture strain /%Nextel 72085.0%α-Al 2O 315.0%SiO 210~12 3.40 2.102600.81与Nextel 610氧化铝纤维类似,高温热处理可使Nextel 720氧化铝纤维的晶粒长大,尤其在高于1600ħ的温度下,Nextel 720氧化铝纤维晶粒长大明显㊂Schmücker 等[36]在1500~1700ħ对Nextel 7204096㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图6㊀Nextel 720氧化铝纤维在1500~1700ħ热处理时晶粒尺寸与保温时间的关系[36]Fig.6㊀Relationship between grain size and dwell time of Nextel 720Al 2O 3fiber heat-treated at 1500~1700ħ[36]氧化铝纤维进行热处理,晶粒尺寸随时间的变化如图6所示㊂由图6可以看出,1600ħ以下的氧化铝纤维晶粒长大不明显,1600ħ以上氧化铝纤维晶粒显著长大㊂根据式(1)计算得到1600ħ以下莫来石晶粒的生长指数n ʈ12,1600ħ以上莫来石晶粒的生长指数n ʈ3,均在典型的陶瓷晶粒生长指数区间内[37]㊂因此当热处理温度低于1600ħ时,Nextel 720氧化铝纤维中的晶粒长大主要为α-Al 2O 3晶粒的生长,莫来石晶粒几乎不长大,并且由于莫来石的存在,α-Al 2O 3晶粒的生长受到抑制㊂当热处理温度高于1600ħ时,Nextel 720氧化铝纤维中晶粒长大主要来源于莫来石晶粒的生长㊂高温热处理会对Nextel 720氧化铝纤维的拉伸强度产生显著影响㊂郑周等[31]通过对Nextel 720氧化铝纤维热处理后发现,当热处理温度为1300ħ时,莫来石相由伪四方结构逐渐转变为斜方结构,氧化铝晶体从莫来石晶体中析出㊂观察纤维热处理后的表面形貌发现,1100ħ热处理后纤维表面由颗粒状α-Al 2O 3晶体和条状的莫来石晶体混杂形成,1300ħ热处理后的纤维表面颗粒状α-Al 2O 3晶体显著长大为块状晶体,与条状莫来石晶体镶嵌分布,不同温度热处理后的纤维表面形貌如图7所示㊂对不同温度热处理后的纤维拉伸强度进行测试后发现,随着热处理温度的升高,纤维的拉伸强度逐渐下降㊂1100ħ热处理后纤维室温拉伸强度下降明显,强度保留率为64.48%;1300ħ热处理后的纤维拉伸强度保留率降为54.10%㊂图7㊀不同温度热处理的Nextel 720氧化铝纤维表面形貌[31]Fig.7㊀Surface morphologies of Nextel 720Al 2O 3fiber heat-treated at different temperatures [31]Nextel 720氧化铝纤维的高温力学性能也随测试温度的升高而显著降低㊂美国3M 公司[38]报道了Nextel 720氧化铝纤维的高温力学性能,如图4所示㊂由图4可知,当测试温度低于1200ħ时,Nextel 720氧化铝纤维高温拉伸性能低于Nextel 610氧化铝纤维,这是因为在1200ħ前,Nextel 610氧化铝纤维晶粒长大不明显,纤维拉伸强度保留率较高;当测试温度高于1200ħ时,Nextel 610氧化铝纤维晶粒明显长大,拉伸强度明显下降,而Nextel 720氧化铝纤维晶粒长大不明显,导致Nextel 720氧化铝纤维在1200ħ以上高㊀第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4097温拉伸性能高于Nextel610氧化铝纤维㊂Nextel720氧化铝纤维的抗老化性能优于Nextel610氧化铝纤维㊂根据3M公司的报道[38],Nextel720氧化铝纤维在不同温度下暴露1000h后的拉伸强度和晶粒尺寸关系如图8所示㊂相较于Nextel610氧化铝纤维,Nextel720氧化铝纤维长时间高温暴露后的强度保留率较高,晶粒尺寸增长较缓慢㊂这得益于莫来石相减少了α-Al2O3的晶界滑移,且有助于 钉扎 晶粒,使Nextel720氧化铝纤维的抗热老化性能增强㊂图8㊀不同温度暴露1000h后Nextel720氧化铝纤维拉伸强度和晶粒尺寸[38]Fig.8㊀Tensile strength and grain size of Nextel720fiber exposured1000h at different temperatures[38] Nextel720氧化铝纤维的抗蠕变性能较好,但不同高温环境对Nextel720氧化铝纤维的蠕变性能的影响显著不同㊂Armain等[40]研究了Nextel720氧化铝纤维在空气和水汽气氛下不同温度时的蠕变行为,发现当蠕变应力为400MPa㊁热处理温度为1100ħ时,Nextel720氧化铝纤维在水汽气氛下的蠕变应变约为空气气氛下蠕变应变的2倍㊂当蠕变应力为200MPa㊁热处理温度为1200ħ时,水汽气氛下的蠕变应变为空气气氛下蠕变应变的4~7倍㊂Nextel720氧化铝纤维在不同气氛下的蠕变曲线如图9所示㊂水汽的存在显著增㊀㊀㊀图9㊀不同温度下Nextel720氧化铝纤维在不同气氛中的蠕变曲线[40]Fig.9㊀Creep curves of Nextel720Al2O3fiber in different atmosphere at different temperature[40]4098㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷加了Nextel 720纤维的蠕变速率,当蠕变应力为100~300MPa㊁热处理温度为1200ħ时,水汽气氛下的蠕变速率比空气气氛下的蠕变速率高近一个数量级㊂综上所述,Nextel 610氧化铝纤维成分单一,主要为α-Al 2O 3相,其室温和高温拉伸强度较高,但纤维的单相组成导致其力学性能受温度影响较明显,纤维的高温稳定性和抗蠕变性能差㊂为提高纤维的稳定性和抗蠕变性能,3M 公司在Nextel 610氧化铝纤维的基础上开发了Nextel 720氧化铝纤维㊂Nextel 720氧化铝纤维中主要含有α-Al 2O 3和莫来石两相,相较于Nextel 610氧化铝纤维,Nextel 720氧化铝纤维的室温和高温力学性能较差㊂但由于莫来石相的存在,Nextel 720氧化铝纤维在高温下的晶粒长大速率较小,稳定性和抗蠕变性能较好㊂Nextel 610氧化铝纤维和Nextel 720氧化铝纤维的优缺点如表3所示㊂表3㊀Nextel 610氧化铝纤维和Nextel 720氧化铝纤维的优缺点Table 3㊀Advantages and disadvantages of Nextel 610and Nextel 720Al 2O 3fibersAl 2O 3fiberAdvantage Disadvantage Nextel 610Single phase fiber;high tensile strength Mechanical properties are significantly affected by temperature Nextel 720Good stability;mechanical properties are not significantly affected by temperatureTwo phase fiber;low tensile strength 2㊀界面相在连续纤维增强陶瓷基复合材料中,界面是连接纤维与基体的桥梁,主要承担着传递载荷㊁偏转裂纹㊁消除热应力和阻挡元素扩散的作用,对复合材料的性能有重要影响[41-43]㊂界面相要与纤维和基体间有良好的物理和化学相容性,同时界面相与纤维和基体间的结合强度要适中,这是因为一方面界面相能防止界面结合强度过大导致复合材料发生脆性断裂,降低力学性能[44];另一方面界面相能防止界面结合强度过小导致载荷不能通过界面传递给纤维,减弱纤维的增强作用[45]㊂目前,Al 2O 3/Al 2O 3复合材料中常用的界面相主要为热解碳(PyC)[46-48]㊁氮化硼(BN)[49]和独居石(LaPO 4)[50-51]㊂2.1㊀热解碳(PyC )界面相PyC 具有特殊的层状结构,层与层之间通过范德瓦尔斯力结合,被广泛应用于复合材料界面相材料㊂PyC 与氧化物纤维相容性好,且能有效阻挡纤维和基体间的元素扩散㊂Wang 等[48]采用化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)工艺于1300ħ在氧化铝纤维表面制备了厚度约为70nm 的PyC 涂层,涂层的微观形貌如图10所示㊂由图可知,PyC 涂层与纤维结合性良好,纤维表面产生了由缺陷和晶粒长大引起的凹凸表面㊂纤维和基体两个组分被约60nm 厚的均匀PyC 涂层分离,没有发生任何界面扩散和反应㊂PyC 涂层具有明显的层状结构,非常有利于裂纹偏转[52],提高复合材料的力学性能㊂PyC 涂层厚度会对纤维的力学性能产生较明显的影响㊂Wang 等[46]采用CVD 法在氧化铝纤维表面制备了不同厚度的PyC 涂层,纤维的截面形貌如图11所示,此外还研究了涂层厚度和结合强度对纤维力学性能的影响㊂结果表明,当涂层厚度较小(0.15μm)时,涂层能够愈合纤维表面缺陷[53],从而提高纤维的拉伸强度㊂随着涂层厚度的增加,纤维的拉伸强度逐渐降低㊂产生这一现象的原因是:1)涂层的柔软性对纤维拉伸强度的影响大于表面缺陷的愈合效果;2)涂层厚度增加需要更长的CVD 时间,长时间高温环境易使纤维强度下降;3)纤维和PyC 涂层的热膨胀系数不同(纤维为5.3ˑ10-6ħ-1,PyC 涂层为2.5ˑ10-6ħ-1),当涂层较厚时,纤维和涂层间出现间隙,界面结合强度较弱㊂受到外力时,裂纹不能偏转,导致应力集中于纤维表面,易使纤维发生断裂㊂PyC 涂层会对复合材料的力学性能产生明显影响㊂Geng 等[47]在氧化铝纤维编织件上制备了PyC 涂层,随后通过溶胶-凝胶法制备了莫来石/Al 2O 3复合材料,有无PyC 涂层的莫来石/Al 2O 3复合材料的断口形貌如图12所示㊂无PyC 涂层的复合材料断口平整,没有纤维拔出现象㊂这说明复合材料在断裂过程中,由于裂纹尖端应力集中导致裂纹直接穿过氧化铝纤维,纤维的增韧机制没有得到发挥㊂有PyC 涂层的复合材料的断口纤维大量拔出,纤维拔出机制吸收了大部分能量,并且在断裂过程中产生沿纤维轴向扩展的裂纹,有效阻止了复合材料发生脆性断裂㊂㊀第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4099图10㊀PyC涂层纤维的微观结构[48]Fig.10㊀Microstructure of PyC coated fiber[48]图11㊀不同厚度PyC涂层纤维的截面形貌[46]Fig.11㊀Cross-section morphologies of PyC coated fibers with different thickness[46]2.2㊀氮化硼(BN)界面相BN具有与PyC类似的层状结构,在复合材料中引入该结构界面相后,当复合材料受到外力时,裂纹可沿界面层间扩展,起到保护纤维和提高复合材料力学性能的作用㊂相较于PyC涂层,BN的抗氧化性能较好,但在高于850ħ的氧化环境下,BN可与O2发生反应生成具有挥发性的B2O3,从而导致界面相消失㊂4100㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图12㊀莫来石/Al2O3复合材料的微观结构[47]Fig.12㊀Microstructure of mullite/Al2O3composites[47]高温热处理会对BN涂层的结晶度产生显著影响㊂Sun等[49]通过CVD工艺在氧化铝纤维表面制备了BN涂层,BN涂层的微观结构如图13所示㊂图13(a)为700ħ下沉积的BN涂层,由图可知涂层与纤维结合良好,BN呈非晶结构㊂图13(b)和13(c)为700ħ下沉积后经1300ħ热处理后的BN涂层,由图可知热处理后的BN涂层结晶度显著提高,具有明显的层状结构,为六方相氮化硼(h-BN)㊂对比图13(a)~(c)可知,高温热处理可以提高BN涂层的结晶度,使其由非晶相BN涂层转变为六方相BN涂层㊂图13㊀BN涂层纤维的微观结构[49]Fig.13㊀Microstructure of BN coated fibers[49]BN涂层的沉积温度会对涂层厚度和涂层纤维的力学性能产生明显影响㊂Sun等[49]以单源氨硼烷为前驱体,采用低温CVD工艺(700~900ħ)在氧化铝纤维表面制备了BN涂层,BN涂层纤维截面的微观形貌如图14所示㊂由图可知,在不同温度下沉积的BN涂层与纤维结合良好,且随着沉积温度的升高,BN涂层的厚度逐渐增加㊂对涂层纤维进行拉伸强度测试后发现,随着沉积温度的升高,涂层纤维的拉伸强度逐渐下降㊂700ħ下沉积涂层后的氧化铝纤维强度保持率为94.9%,900ħ下沉积涂层后的氧化铝纤维强度保持率迅速下降到54.8%㊂纤维拉伸强度下降的原因为:1)涂层沉积过程中的高温使纤维晶粒长大,导致纤维力学性能下降;2)BN涂层和氧化铝纤维的热膨胀系数不同,涂层和纤维在不同的沉积温度下有不同的收缩速率,从而产生残余热应力㊂残余热应力随着沉积温度的升高而升高,从而导致涂层纤维的力学性能随着沉㊀第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4101积温度的升高而下降㊂图14㊀不同温度沉积BN涂层后的纤维截面形貌[49]Fig.14㊀Cross-section morphologies of fibers after deposition of BN coating at different temperatures[49]上述PyC㊁BN两种界面相均起到阻挡元素扩散㊁传递载荷和偏转裂纹等作用,是复合材料中较为常用的界面相,但抗氧化性能较差,在Al2O3/Al2O3复合材料中的应用受到一定限制㊂为解决这一问题,研究人员把目光投向了具有较强抗氧化性的多孔稀土-磷酸盐类材料上,其中应用最广泛的为独居石(LaPO4)界面相㊂2.3㊀独居石(LaPO4)界面相LaPO4的熔点高㊁硬度低,与氧化物纤维和基体相容性好,同时与氧化物纤维和基体结合强度适中,已被用于氧化物/氧化物复合材料中的界面相材料[54]㊂在受到外力时,LaPO4可以通过滑移㊁解离和孪晶等机制有效偏转裂纹,提升复合材料的力学性能㊂LaPO4在高温下会在表面形成一层连续致密的反应层,保护纤维不被高温侵蚀,提高复合材料的稳定性㊂Zhang等[50]以La2O3和磷酸为原料,通过化学共沉淀法和闪烧法制备了LaPO4涂层,该涂层导热系数较低,在1000ħ时的导热系数为1.41W/(m㊃K);稳定性较好,在1400ħ保温100h涂层不受破坏;耐蚀性能好,在700~900ħ的V2O5熔盐中腐蚀4h的腐蚀产物主要为La(P,V)O4,涂层的微观结构变化不大,在1000ħ的V2O5熔盐中腐蚀4h会生成少量的LaVO4,但腐蚀产物仍主要为La(P,V)O4㊂LaPO4涂层的微观结构会对涂层纤维的力学性能产生明显影响㊂Xu等[51]将硝酸镧与植酸混合得到LaPO4前驱体溶液(编号PA f),将硝酸镧与磷酸和柠檬酸混合制备了另一种LaPO4前驱体溶液(编号CA f),采用非匀相沉淀法在35和90ħ下将LaPO4前驱体沉积在氧化铝纤维表面,经600ħ高温处理后得到厚度为500~800nm的LaPO4涂层,涂层纤维的微观形貌如图15所示㊂研究了不同前驱体和沉积温度对纤维强度的影响,分析了涂层纤维的强度退化机理㊂结果表明,在35ħ下沉积的前驱体可以在纤维表面转化为致密的LaPO4涂层,该致密涂层阻止了高温下生成的有害气体排出,导致纤维强度下降[55-56];而采用植酸前驱体可在90ħ获得颗粒细小且堆叠松散的LaPO4涂层,该结构的孔洞分布均匀,有利于有害气体的逸出,使涂层纤维具有最高的拉伸强度㊂通过单纤维拔出测试(示意图如图16所示)发现,90ħ下由柠檬酸前驱体和植酸前驱体在纤维表面制备LaPO4涂层后,纤维与基体间的界面结合强度分别下降了32.5%和46.7%,纤维与基体实现弱界面结合,有助于提高复合材料的力学性能㊂图15㊀LaPO 4涂层纤维的截面形貌[51]Fig.15㊀Cross-section morphologies of LaPO 4coated fibers[51]图16㊀单纤维拔出测试示意图[51]Fig.16㊀Schematic diagram of single fiber pull-out test [51]LaPO 4涂层的厚度会对涂层编织件的稳定性有显著影响㊂Tao 等[54]以LaNO 3和P 2O 5为原料制备了LaPO 4前驱体溶液,采用反复浸渍烧结法在氧化物纤维编织件中制备了厚度为80~300nm 的LaPO 4涂层,涂层的微观形貌如图17所示㊂研究了LaPO 4涂层㊁SiC-SiO 2涂层和LaPO 4-SiC-SiO 2涂层对氧化物纤维编织件柔韧性的影响,其典型力-挠度曲线和氧化物纤维编织件测试前后的照片如图18所示㊂研究发现,具有LaPO 4涂层的氧化物纤维编织件刚度有所增加,但增加的程度很小㊂这说明LaPO 4涂层对氧化物纤维编织件的柔韧性没有明显影响,且对氧化物纤维编织件的高温脆性有一定的缓解作用㊂LaPO 4涂层对高温处理后复合材料的力学性能有明显影响㊂Keller 等[57]制备了Nextel 610/LaPO 4/Al 2O 3复合材料,探究了LaPO 4涂层对高温处理后的复合材料力学性能的影响㊂研究发现,不含LaPO 4涂层的复合材料在1200ħ热处理5h 后拉伸强度下降约70%,复合材料断口几乎没有纤维拔出现象;而含LaPO 4涂层的复合材料经热处理后的拉伸强度下降约36.7%,复合材料断口处有明显的纤维拔出现象(见图19),同时发现纤维拔出现象主要出现在涂层㊁纤维/涂层和涂层/基体界面,这说明LaPO 4涂层与纤维和基体结合力较弱㊂综上所述,PyC 涂层和BN 涂层均具有层状结构,是复合材料中常用的界面相㊂当复合材料受到外力时,PyC 涂层和BN 涂层可通过滑移㊁解离等机制有效偏转裂纹,提高复合材料的力学性能[44,52]㊂但涂层制备工艺复杂且抗氧化性能较差,PyC 涂层在空气中的温度高于400ħ即可被氧化,BN 涂层在空气中的温度高于850ħ即被氧化,限制了涂层在Al 2O 3/Al 2O 3复合材料中的应用㊂LaPO 4涂层与氧化物纤维和基体相容性好,制备工艺简单㊁抗氧化性能较好,被广泛用在Al 2O 3/Al 2O 3复合材料中㊂不同涂层的优缺点如表4所示㊂。
颗粒增强铝基复合材料的研究
颗粒增强铝基复合材料的研究专业:金属材料工程班级:09-1姓名:孟XX学号:09XXXXXX颗粒增强铝基复合材料的研究摘要：综述了颗粒增强铝基复合材料的研究现状，从基体、增强体的选择，铝基复合材料的制备方法，影响复合材料性能的因素和改善措施等方面进行阐述，并指出了该复合材料的研究方向和发展前景。
关键词：颗粒；铝基复合材料；制备方法；润湿性；分布铝基复合材料,就是在铝或铝合金中加人其他材料而形成的一种具有金属特性的材料,其中前者是复合材料中的基本材料称为基体材料,后者为添加材料称为增强材料或增强体。
颗粒增强铝基复合材料是21世纪最有发展前途的先进材料之一，以其高比强度、高比刚度、高比模量、低密度及良好的高温性能、更耐疲劳和更耐磨，阻尼性能好，热膨胀系数低、导电性能良好等优良的综合力学性能和使用性能。
其中弥散增强的铝基复合材料，不仅各向同性特征突出，而且可加工性强、价格低廉以及无高分子复合材料常见的老化、高温蠕变现象和在高真空条件下不释放小分子的特点，这克服了树脂基复合材料在航空领域中使用时存在的缺陷，更是受到复合材料工作者的广泛关注。
在航空航天、先进武器系统、汽车、电子封装及体育器材等领域都显示出广阔的应用前景，因此，颗粒增强铝基复合材料已成为铝基复合材料研究领域中最重要、最常用的材料之一。
从理论上分析，颗粒越小，复合材料的弥散强化作用越好，复合材料的性能越佳。
如果粒径太小，将导致材料在制备时由于铝合金溶液的粘度大，使得颗粒在液态铝合金中不易分散开来，造成复合材料整体不均与，而且界面反应也不易控制；颗粒太大，将会由于颗粒自重产生沉降或上浮，造成严重的铸造偏析，影响铝基复合材料的力学性能。
所以，应选择大小合适、密度相当的颗粒，才能使其发挥良好的弥散增强效果，颗粒尺寸通常选取5～20μm。
在制备复合材料过程中，颗粒数量太少，则起不到良好的增强作用；太多又容易聚集成团，使铝基复合材料变得疏松，颗粒与颗粒之间的结合不牢固，也可能引起基体的连接受阻，导致作用力不强，使得铝基复合材料的致密度不高。
三氧化二铝7075基复合材料的_摩擦磨损性能研究毕业论文
本科毕业论文题目：A l2O3/7075基复合材料的摩擦磨损性能研究摘要颗粒增强铝基复合材料因其特有的比重轻、比强度与比模量高、耐磨及耐高温等优良性能，在航空航天、电子和汽车制造等行业中具有广阔的应用前景。
研究了原位反应生成A1203制备颗粒增强铝基复合材料的工艺，其制备条件是:熔体温度900℃，CuO粉末与Al粉混合均匀，压制成块，加入铝液中搅拌，扒去表面的浮渣，将熔体浇铸到预热的模具中，快速冷却。
颗粒是在基体内部原位反应生成，颗粒细小，表面洁净，与基体结合良好。
将试样切割成块，在摩擦磨损机上分别设置20N，30N，40N，50N和转速为80r/min, 100r/min, 110r/min, 120r/min摩擦600s后称量其磨损量。
研究表明加入8% A1203后硬度和磨损性能大大提高，表面磨痕变浅。
关键词：原位反应；颗粒增强体；磨损性能AbstractPartieulate reinofreed metal martix compositesPossess several additional advantages such as light weight，high speeific strength and stinffess，wear-resistingand high temperature-resisting. Studing in situ reaction of A1203 particulate reinforced aluminum matrix composite prepared by the process, the preparation conditions are: melt temperature is 900 ℃, CuO powder mixed with Al powder, pressed into blocks, by adding aluminum liquid mixing, Pa to the surface scum, will melt into warm mold casting and rapid cooling. Particles within the matrix in situ in the reaction, small particles, surface cleanliness, and good substrate.The sample cut into pieces, the friction and wear machine were set to 20N, 30N, 40N, 50N, and speed 80r/min, 100r/min, 110r/min, 120r/min 600s after weighing the friction wear. The results show that, after adding 8% A1203 greatly improved hardness and wear resistance of the surface, the marks are shallow.Keywords：In situ reaction；particle reinforcement；Wear目录第一章绪论 (1)1.1颗粒增强金属基复合材料 (1)1.1.1颗粒增强金属基复合材料的制备工艺 (1)1.1.2颗粒增强金属基复合材料的原位反应制备方法 (3)1.1.3铝基原位复合材料的研究现状 (5)1.1.4颗粒增强铝基复合材料的应用及展望 (6)1.1.5原位反应铝基复合材料的研究发展方向 (6)1.2颗粒增强铝基复合材料耐磨性的研究现状 (8)1.2.1 增强颗粒的影响 (8)1.2.2 外加载荷的影响 (8)1.2.3 外部温度的影响 (9)1.2.4 滑动速度的影响 (9)1.3颗粒增强铝基复合材料主要表征参数 (9)1.3.1摩擦温度 (9)1.3.2摩擦系数 (10)1.3.3磨损量(耐磨性) (10)1.4颗粒增强铝基复合材料的应用 (11)1.5本文研究意义与内容 (11)第二章试验方案及工艺流程 (13)2.1原材料与设备 (13)2.1.1原材料 (13)2.1.2试验设备 (13)2.2 原位Al2O3颗粒的制备 (13)2.3试验流程图 (14)2.4试验步骤 (14)2.4.1试样制备 (14)2.4.2摩擦磨损试验 (15)2.4试验中的分析测试手段 (16)2.4.1金相组织观察 (16)2.4.2硬度测定 (16)2.4.3耐磨性测定 (16)第三章试验结果与分析 (17)3.1 金相组织分析 (17)3.1.1 基体材料与复合材料组织的对比 (17)3.1.2摩擦表面的组织观察 (17)3.2硬度测定 (18)3.3 耐磨性的分析研究 (19)3.3.17075铝合金与8%Al2O3/7075摩擦磨损性能的对比 (19)3.3.2转速对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响 (20)3.3.3载荷对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响 (21)结论 (22)参考文献 (23)谢辞 (25)第一章绪论现代科学的飞速发展对材料提出了越来越高的要求，除了优异的力学性能外，还希望材料具有某些特殊性能和良好的综合性能。
增强颗粒对铝基复合材料摩擦学性能的影响
增强颗粒对铝基复合材料摩擦学性能的影响摘要：近年来，铝基复合材料被广泛应用于航空航天、汽车、船舶及其他领域。
本文旨在研究增强颗粒对铝基复合材料摩擦学性能的影响。
通过对添加不同比例的SiC颗粒强化的Al/SiC 复合材料进行摩擦学测试，发现增强颗粒能显著提高材料的摩擦系数和磨损性能。
通过扫描电镜观察磨损表面，发现增强颗粒可以有效防止磨损表面的塑性变形，并且可以形成更加均匀的摩擦副接触面，从而提高材料的耐磨性能。
关键词：铝基复合材料；增强颗粒；摩擦学性能；磨损性能Introduction：铝基复合材料是一种具有高强度、高刚度、高耐腐蚀性和轻重量等优点的新型材料。
由于其优良的性能和广泛的应用价值，铝基复合材料已经成为各个领域的研究热点。
其中，增强颗粒的加入对铝基复合材料的性能有着重要的影响。
本文旨在研究增强颗粒对铝基复合材料摩擦学性能的影响。
Experimental Method：本文选择了SiC颗粒作为增强材料，制备了不同比例（5%，10%，15%）的Al/SiC复合材料，并对其进行了摩擦学测试。
测试采用了球盘式摩擦磨损实验机，测试负载为10N，滑动速度为200mm/min。
测试时间为60min，测试温度为室温。
测试过程中，通过时时监测摩擦系数和磨损量，记录测试数据。
Results and Discussion:通过对不同比例的增强颗粒强化的Al/SiC复合材料进行摩擦学测试，得到了如下结果（见表1）。
表1 不同比例SiC增强颗粒对摩擦学性能的影响比例（%）摩擦系数磨损量（mm）0 0.28 0.1215 0.35 0.10910 0.40 0.08415 0.46 0.063通过上述结果可以发现，随着增强颗粒比例的增加，摩擦系数和磨损量都呈现出逐渐升高的趋势。
这表明增强颗粒的加入能够显著提高铝基复合材料的摩擦学性能和磨损性能。
具体来说，增强颗粒可以改善摩擦副表面的接触强度，增加摩擦表面的抗磨损性能，从而降低材料的磨损程度。
开题报告：石墨烯氧化铝陶瓷基复合材料的制备及性能研究
研究的目的和意义
由于石墨烯具有独特的纳米结构, 优异的力学、热学、 电学和磁学等性能, 有可能应用于电子材料、薄膜材 料、储能材料、液晶材料、催化材料等先进的功能 材料。有关陶瓷/石墨烯块体复合材料的研究, 无论 广度还是深度均有待提高。石墨烯优异的性能以及 其在陶瓷基体中的良好分散性, 将会使得这类复合材 料成为将来石墨烯复合材料的研究热点之一。
研究目的和意义
研究目的：1.改进现有的陶瓷/石墨烯块体复合材料的制备方法
2.对复合材料中石墨烯与陶与增韧是材料工作者矢志不渝的研究目标。由于陶 瓷材料在室温下缺少独立的滑移性而表现出质脆的弱点它不像金属 材料那样受力状态下产生凹痕或形变而且它还是对裂纹气孔和夹杂 物等极细微的缺陷都很敏感的脆性材料。在改善和提高韧性的过程 中, 材料工作者们向陶瓷基体内添加各种陶瓷颗粒、纤维及晶须或 它们的复合物, 制备出各种陶瓷及复合材料。
后对三种氧化石墨烯样品进行拉曼光谱分析、红外光谱分析和TEM形貌表征。 2.纳米氧化铝的制备
选用廉价的硝酸铝和碳酸氢氨为主要原料,采用超声波化学沉淀法制备出氢氧化铝沉淀,经高温煅烧,得 到纳米氧化铝粉末。 3.陶瓷的制备
称取一定量的石墨烯在无水乙醇中搅拌，超声分散30min，同时将一定量的纳米氧化铝粉体在无水 乙醇中搅拌超声分散，然后把两种悬浮液混合，再超声分散一定时间。在加热搅拌的过程中使酒精挥发， 得到复合粉体，然后60℃干燥。称量一定质量的粉体压制成片，最后在1200℃、1300℃、1400℃下烧 结。 4.性能的测试
往往会分散不均,容易团聚。相对于碳纳米管来说,石墨烯具有更大优
势,它能够较好分散于陶瓷基体中,并且同样具有优异的力学、电学和
热学性能,所以将石墨烯复合到陶瓷材料中,这对提高陶瓷材料的综合
SiC颗粒增强铝基复合材料的连接试验研究的开题报告
SiC颗粒增强铝基复合材料的连接试验研究的开题报告一、研究背景和意义铝基复合材料是一种具有良好机械性能、高温性能和抗腐蚀性能的新型材料，因此在航空、航天、汽车、电子等领域得到广泛应用。
然而，铝基复合材料中SiC颗粒的加入使其具有不同于传统铝基材料的性能，如高硬度、高耐磨性、高抗热疲劳性能等，同时也增加了连接难度，影响了材料的综合性能。
因此，对SiC颗粒增强铝基复合材料连接技术的研究，具有非常重要的实际意义。
二、研究内容和方法本研究旨在研究SiC颗粒增强铝基复合材料的连接性能，并探索其影响因素和优化方法。
具体研究内容包括：1.研制不同连接方式（如焊接、粘接、铆接等）的SiC颗粒增强铝基复合材料连接试件。
2.对连接试件进行拉伸和剪切等载荷试验，分析连接性能和断口形貌，并比较不同连接方式的性能差异。
3.通过断口形貌、金相组织分析等手段，研究连接界面的微观结构和失效机制。
4.通过对连接工艺的优化和参数调整，提高SiC颗粒增强铝基复合材料的连接性能和可靠性。
研究方法主要包括：试验研究法、断口分析法、显微组织分析法、工艺优化法等。
三、预期研究结果本研究旨在探究SiC颗粒增强铝基复合材料的连接性能和影响因素，预期研究结果包括：1.获得不同连接方式下SiC颗粒增强铝基复合材料的力学性能和断口形貌，并比较不同连接方式的性能差异。
2.揭示SiC颗粒增强铝基复合材料连接界面的微观结构和失效机制。
3.通过连接工艺优化，提高SiC颗粒增强铝基复合材料的连接性能和可靠性。
四、论文结构本文的结构安排如下：第一章：绪论，介绍研究背景、目的和意义。
第二章：文献综述，对国内外关于SiC颗粒增强铝基复合材料连接技术的研究现状和发展趋势进行综述。
第三章：试验设计和方法，包括试件设计和连接工艺。
第四章：试验结果和分析，包括连接试验结果和连接界面分析。
第五章：工艺优化与改进，探讨连接工艺的优化方法。
第六章：结论与展望，总结本文的研究成果和不足，展望未来的研究方向。
颗粒增强铝基复合材料制备方法及研究现状
颗粒增强铝基复合材料制备方法及研究现状
颗粒增强铝基复合材料是一种具有优异力学性能和热性能的复合材料。
其制备方法多种多样，以下是其中一种常见的制备方法：
1. 粉末冶金法：该方法主要包括粉末混合、压制、烧结和热处理等步骤。
首先将铝粉和增强颗
粒（如碳纤维、陶瓷颗粒等）混合均匀，然后在高压下压制成所需形状的坯料。
接着，将坯料
进行烧结，使得铝粉与增强颗粒之间形成冶金键。
最后，通过热处理进一步提高材料的力学性能。
在颗粒增强铝基复合材料的研究中，有以下几个方面的研究现状：
1. 增强颗粒选择：目前常用的增强颗粒包括碳纤维、硅化硅颗粒、碳化硅颗粒、氮化硼颗粒等。
不同的增强颗粒具有不同的物理性能，因此需要根据具体应用要求选择合适的增强颗粒。
2. 织构控制：通过调控制备工艺和热处理工艺等方法，可以控制颗粒在铝基体中的分布和排列
方式，从而进一步提高材料的力学性能。
3. 界面改性：增强颗粒与铝基体之间的界面性能直接影响材料的力学性能。
因此，可以通过表
面处理、包覆等方法来改善界面的黏结性能。
4. 多尺度结构设计：颗粒增强铝基复合材料具有多尺度结构，可以通过设计合适的颗粒形状、
大小和分布等来改变材料的力学性能。
总之，颗粒增强铝基复合材料的制备方法和研究现状非常丰富，不仅可以通过改变材料的成分
和结构来提高性能，还可以根据实际应用需求进行针对性设计和优化。
SiAl、B4C6061Al复合材料的摩擦磨损性能的开题报告
SiAl、B4C6061Al复合材料的摩擦磨损性能的开题报告一、研究背景复合材料是一种由两种或多种不同材料组成的新材料，具有相对于其单一材料更优异的性能。
在实际应用中，复合材料主要用于提高机械、热力学、电学、光学等性能。
复合材料可分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和高分子基复合材料三种类型。
其中金属基复合材料具有良好的力学性能和耐高温性能，被广泛应用于航空、航天、国防等领域。
摩擦磨损是金属材料实际使用时不可避免的一种现象，对材料的使用寿命和安全性具有重要的影响。
因此，研究复合材料的摩擦磨损性能，对于材料的应用和开发具有非常重要的意义。
二、研究目的本文旨在探究SiAl、B4C6061Al复合材料的摩擦磨损性能，为了解复合材料的摩擦磨损行为提供理论基础和实验数据，为后续研究提供参考依据。
三、研究方法本实验采用滑动试验法，测试复合材料在不同条件下的摩擦系数和磨损率，并对测试结果进行统计和分析。
四、研究内容1.实验材料本实验采用SiAl、B4C6061Al复合材料作为实验样品。
2.实验设备本实验使用了高速摩擦试验机、电子天平、光学显微镜等仪器设备。
3.实验步骤（1）制备样品：将SiAl、B4C6061Al复合材料加工成正方形标准试样。
（2）实验条件调整：调整实验室温度、湿度、气压等试验条件。
（3）试验装置安装：将试样和滑动体装入高速摩擦试验机中，调整试验参数和实验条件。
（4）试验执行：分别对两种复合材料进行滑动试验，在不同负载、滑动速度、温度下测量摩擦系数和磨损率。
（5）实验结果分析：统计试验结果数据，并分析影响试样摩擦磨损的因素。
五、研究意义本实验旨在探究复合材料的摩擦磨损性能，为后续研究提供理论基础和实验数据，为复合材料的应用和发展提供依据，也为材料表面工程、摩擦学、润滑技术等领域提供了实验数据和参考意见。
氧化铝增强铝基复合材料液态成型中的界面反应
氧化铝增强铝基复合材料液态成型中的界面反应
随着先进制造技术的不断发展，铝基复合材料已成为一种重要的轻质高强材料。
然而，在液态成型过程中，界面反应会严重影响复合材料的结构和性能。
本文研究了氧化铝在液态成型中对铝基复合材料界面反应的影响。
实验结果表明，氧化铝的添加可以明显提高复合材料的强度和硬度。
同时，氧化铝的存在可以减轻液态成型过程中的界面反应，降低复合材料中的氧含量和气孔率，提高复合材料的密实性和均匀性。
进一步分析发现，氧化铝对铝基复合材料液态成型中的界面反应主要是通过阻止氧分子进入反应界面，抑制铝基材料的氧化反应，降低气孔率和氧含量。
同时，氧化铝还能与铝基材料形成化学键，提高复合材料的结合强度和界面结合质量。
综上所述，氧化铝的添加可以有效提高铝基复合材料的性能和液态成型质量，抑制界面反应，提高结合质量和强度。
在实际应用中，可以根据具体需求和应用场景，适当调整氧化铝的添加量和成分比例，以达到最佳的性能和质量。
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Fe3Al-Al2O3复合材料制备及摩擦学性能研究的开题报告
Fe3Al-Al2O3复合材料制备及摩擦学性能研究的开题报告一、研究背景铝合金是一种结构材料，在工业生产中得到广泛应用。
然而，随着工程需求的进一步提高，铝合金材料的性能已经无法满足对于高性能、高强度、高刚性等要求。
此外，铝合金材料在高温、高压、高速等条件下容易发生氧化和腐蚀等问题。
因此，研究开发新材料以满足现代工程需求显得越来越迫切。
Fe3Al-Al2O3复合材料作为一种新型合金，具有优异的性能，特别是在防腐、高温和高强度方面表现出色。
该复合材料具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、高温强度和较好的导热性和导电性能等特点，在机械工程、建筑工程、汽车工程、电力工程等领域有着广泛的应用前景。
二、研究目的本研究旨在制备Fe3Al-Al2O3复合材料，并研究其摩擦学性能，为该复合材料在工程领域的应用提供参考。
三、研究内容（1）制备Fe3Al-Al2O3复合材料：选取合适的Fe3Al和Al2O3粉末，通过机械球磨、高温烧结等工艺制备出Fe3Al-Al2O3复合材料。
（2）表征复合材料的微观结构和物理性能：利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）等技术研究复合材料的微观结构和物理性能。
（3）测量复合材料的摩擦学性能：采用摩擦试验机对制备出的Fe3Al-Al2O3复合材料进行摩擦学性能测试，研究其摩擦系数、磨损率等指标。
四、研究意义本研究旨在为新材料开发提供理论和实践支持，同时为该复合材料在工程领域的应用提供参考。
本研究有望从微观结构、物理性质、摩擦学性能等方面揭示Fe3Al-Al2O3复合材料的特点和优势，为其广泛应用于冶金、航空航天、能源、环保等领域提供有力支持。
爆炸压实非晶颗粒增强铝基复合材料及其力学性能研究的开题报告
爆炸压实非晶颗粒增强铝基复合材料及其力学性能研究的开题报告题目：爆炸压实非晶颗粒增强铝基复合材料及其力学性能研究一、研究背景随着工业化、信息化的不断发展，高性能材料的需求呈现出不断增长的趋势。
铝基复合材料以其高强度、高刚度、较好的热稳定性和抗疲劳性等优异的性能，受到了广泛的关注和研究。
传统的铝基复合材料制备方法一般采用粉末冶金、熔融浇铸等方法，但这些方法存在着工艺复杂、成本较高、制备周期长等问题，因此需要寻找一种新的铝基复合材料制备方法。
爆炸压实技术是一种快速简便、制备周期短、制备成本低的高效制备材料的方法。
当前，已有很多学者在研究爆炸压实铝基复合材料的制备，在已有的基础上，我们希望通过引入非晶颗粒（非晶合金等）作为增强相，研究由非晶颗粒与铝基合金组成的复合材料的制备和力学性能，为材料的制备和应用打下基础。
二、研究内容和意义本文的主要研究内容是爆炸压实非晶颗粒增强铝基复合材料的制备工艺和力学性能研究。
在铝基复合材料中加入非晶颗粒后，非晶颗粒与铝基合金之间互相作用，加强了材料的内部结构，提高了材料的力学性能，具有很高的应用价值。
本文的主要研究工作包括：1.设计合适的铝基合金和非晶颗粒的配比，制备非晶颗粒增强铝基复合材料的试样，优化制备工艺。
2.研究不同非晶颗粒含量下材料的显微组织结构和相态。
3.测定材料的力学性能，包括抗拉强度、屈服强度、伸长率等机械性能，并进行比较分析。
4.对材料的断裂面进行电子显微镜分析，探讨材料的破裂机制。
通过本研究的完成，将为铝基复合材料的制备和应用提供一种新的思路，同时也有助于深入研究铝基复合材料的力学性能和应用领域，并为相关领域的研究提供重要的理论基础和实验数据支撑。
铝合金材料研磨特性的试验研究的开题报告
铝合金材料研磨特性的试验研究的开题报告
一、研究背景及意义
铝合金作为一种重要的结构材料，广泛应用于航空、汽车、轨道交通等领域。
因其具有良好的力学性能、耐腐蚀性能和可加工性能，被广泛的应用于各种机械设备的制造中。
由于加工和使用过程中铝合金表面易出现各种缺陷，例如裂纹、毛刺和氧化层等，这些问题对工件加工和使用都会产生较大的影响。
因此，对铝合金表面进行研磨加工是提高工件质量和生产效率的重要手段，也是保证工件表面质量的关键技术。
然而，铝合金材料研磨时存在着一系列复杂的问题，例如研磨刀具磨损、热影响区等，这些问题影响了铝合金材料的加工精度和工件表面质量。
因此，对铝合金材料研磨特性的研究具有重要的现实意义和工程应用价值。
二、研究内容和方法
本次研究旨在探究不同粒度和细度的磨粒对铝合金材料研磨特性的影响。
研究内容主要包括以下三个方面：
1. 不同粒度的磨粒对研磨件表面粗糙度的影响；
2. 不同细度的磨粒对研磨力、热影响区和表面质量的影响；
3. 建立研磨模型，模拟不同粒度和细度的磨粒研磨过程，分析其研磨稳定性和效率。
本研究将采用试验和数值模拟相结合的方法，通过设计不同实验方案和模型参数，探究铝合金材料研磨特性的规律和机理，为优化研磨工艺和提高工件表面质量提供理论和技术支撑。
三、研究的意义和价值
本次研究旨在深入探讨铝合金材料的研磨特性，对提高铝合金材料表面质量、降低成本、提高生产效率具有重要的现实意义和工程应用价
值。
本研究能够为相关领域提供科学、可行的技术方案，促进铝合金材料的进一步发展和应用。
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开题报告
题目：氧化铝颗粒增强铝基复合材料摩擦性
能研究
参考文献
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