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高体积分数TiC_x/TiB_2/TiC_x-TiB_2增强铝基复合材料的制备与性能

轩倩倩  
【摘要】:随着我国航空航天、国防、工业等领域的高速、可持续发展,对材料综合性能的要求越来越高,金属基复合材料特别是铝基复合材料由于具有独特的优异的综合性能而得到广泛的关注。金属基复合材料综合了金属的高韧性、高延展性以及陶瓷的高强度、高弹性模数的特点,具有引人注意的热稳定性,高的比模数,比强度等热物理性能和力学性能,作为结构材料和工程材料广泛应用于航天航空以及汽车工业等领域。相对于晶须及纤维增强铝基复合材料,陶瓷颗粒增强铝基复合材料由于容易制备,成本低廉而研究较多。由于随着陶瓷体积分数的增加,容易出现裂缝和孔洞,影响材料的性能,所以对复合材料的研究主要集中在低的陶瓷含量上(0-30%),对高体积分数陶瓷颗粒增强的复合材料的研究较少。普遍认为,复合材料的性能主要是由增强体的尺寸、体积分数、分布以及陶瓷与基体的界面结合等决定的。由高体积分数,细小,热稳定性好,且在基体中分布均匀的陶瓷颗粒组成的致密的复合材料具有好的力学性能。此外,高体积分数陶瓷增强铝基复合材料一般具有较低的热膨胀系数,能够更好的满足陶瓷增强铝基复合材料在电子封装方面的要求。所以研究高体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料的力学性能和热物理性能具有重要意义。 提高材料性能的途径主要有选择优化制备工艺、基体合金化和热处理工艺等。原位制备的复合材料具有原位生成的陶瓷尺寸小,性能稳定,在基体中分布均匀,界面干净无污染等优点。本论文以Al-Ti-C、Al-Ti-B、Al-Ti-B_4C三种体系为反应体系,用燃烧合成加热压的原位方法制备TiC_x/Al、TiB_2/Al、TiC_x-TiB_2/Al复合材料。分析了陶瓷种类、形貌、含量对原位制备的复合材料组织和压缩性能的影响。研究了合金元素Mg和Zn的添加对此三种复合材料组织和压缩性能的影响规律以及Mo、V、Cu的添加对TiB_2/Al复合材料组织和压缩性能的影响规律。揭示了不同合金元素的添加对三种复合材料的压缩性能的影响机理。对比分析了TiC_x/Al和TiB_2/Al两种复合材料的应变速率敏感性。此外,发现了陶瓷种类对高体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料磨损性能、导热性能和热膨胀性能的影响规律。本文主要研究结果如下: (1)揭示出Mg的添加使三种复合材料中的陶瓷颗粒都发生了细化,陶瓷颗粒尺寸减小主要是由于Mg的蒸汽压较高,在反应过程中易挥发带走热量,使体系的燃烧温度降低,从而使陶瓷颗粒尺寸减小;Zn的添加细化了TiC_x/Al复合材料中的陶瓷颗粒,对TiB_2/Al和TiC_x-TiB_2/Al复合材料中陶瓷颗粒尺寸影响不大,TiC_x陶瓷颗粒尺寸的细化是因为Zn的蒸汽压也很高,在反应过程中挥发带走热量,使Al-Ti-C体系的燃烧温度降低,从而使陶瓷颗粒尺寸减小;合金元素Mo和V的添加都细化了TiB_2颗粒,Cu的添加对TiB_2颗粒尺寸影响不大。 (2)揭示出随着陶瓷含量的增加,TiB_2/Al复合材料的压缩强度先提高后降低,应变量逐渐降低,TiC_x-TiB_2/Al复合材料的压缩强度逐渐提高,应变量先提高后降低。合金元素Mg的添加主要提高了TiC_x/Al和TiC_x-TiB_2/Al复合材料的压缩强度,提高了TiB_2/Al复合材料的压缩应变量;Mg和Zn的复合添加同时提高了TiC_x/Al复合材料的压缩强度和断裂应变量;Cu、Zn、V和Mo的添加提高了TiB_2/Al复合材料的压缩强度。 (3)揭示出Mg的添加对三种复合材料压缩性能的影响机制主要是Mg的固溶强化和陶瓷颗粒的细化;V、Mo和Zn的添加提高TiB_2/Al复合材料压缩强度主要是由于V、Mo和Zn在α-Al基体中的固溶强化;Cu对TiB_2/Al复合材料压缩性能的影响机制是热处理后α-Al基体中的细小的θ′第二相析出强化。 (4)发现了TiC_x/Al和TiB_2/Al两种复合材料的屈服强度都随着应变速率的增加而提高,加工硬化能力都随着应变速率的增加而降低,应变量随着应变速率的变化基本不变;TiC_x/Al复合材料的压缩强度随着应变速率的增加显著提高,TiB_2/Al复合材料的压缩强度随着应变速率的增加变化不明显。TiC_x/Al复合材料比TiB_2/Al复合材料具有更强的应变速率敏感性。 (5)揭示出TiC_x/Al、TiB_2/Al和TiC_x-TiB_2/Al复合材料的体积磨损率都随着载荷的增加而增大。由于TiB_2陶瓷颗粒的硬度值高于TiC_x,TiB_2/Al复合材料具有最好的耐磨性,TiC_x/Al复合材料的耐磨性最差。TiC_x/Al、TiB_2/Al和TiC_x-TiB_2/Al复合材料的导热系数都随着温度的增加有少量的减小,热膨胀系数都随着温度的增加而增大。在三种复合材料中50vol.%TiC_x-TiB_2/Al复合材料具有最高的导热系数,导热系数在140W·m~(-1)·K~(-1)左右。在100oC时其热膨胀系数为9.5×10~(-6)/oC,高于50vol.%TiB_2/Al,低于50vol.%TiC_x/Al复合材料。 本论文所取得的成果为铝基复合材料提供了新的制备技术和科学的研究方法和途径,也为优化复合材料的性能提供一定的理论基础,从而进一步满足复合材料在结构和工程上的广泛应用。


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