（材料学专业论文）废弃玻璃铝基复合材料的基础研究.pdf

圭童奎望奎兰堡主堡壅 一一! ! 曼 摘要 在人类的生产和生活活动中，每天都消耗着大量的资源和能源，并排放出废 气、废水和各种固体废弃物，严重污染了人类的生存环境。而材料及其制品工业 是造成能源短缺、资源过度消耗、环境污染的主要活动之一。近年来人们开始从 可持续发展的角度出发，从新评价过去研究、开发、生产和使用材料的活动，更 新单纯追求高性能、高附加值的材料研究思路；探索发展既有良好或功能，又对 资源和能源消耗较低，并且与环境协调较好的材料及其制品。目前我国在工业、 生活中产生了大量的废弃玻璃和废铝( 如废弃易拉罐) ，这些废弃物难以回收。 如将之加以回收利用，制成新型的绿色材料，将具有良好的社会效益和经济效益。 、在本研究工作中选用废弃玻璃和石英砂作为增强相，分别与铝合金复合，获 得了新型绿色循环材料一玻璃铝基废弃物复合材料和( a 1 。0 。+ s i o 。) a 复合 材料。这种新型材料能使原来的这两种废弃物扬长避短，既保留了铝韧性好的优 点，又克服了铝硬度低的缺点；既保留了增强相硬度高的优点，又克服了增强相 ( 如玻璃) 脆性的缺点。由于这两类废弃物优点的叠加，又由于两种再生工艺的 简化合一，使这两类再生资源的价值倍增。 本文着重研究了复合材料的制各工艺和微观组织、机械性能及断裂机理： 一、采用搅拌铸造的方法，优化工艺后将废弃的玻璃颗粒成功地与z l l 0 5 进行 了复合，再挤压成型得到了废弃玻璃铝基复合材料。 。得到的材料具有较好的结合界面，颗粒在基体中分布均匀，增强粒子对材料 硬度的提高有一定的贡献。 材料的断裂方式为脆性断裂，其裂纹主要来源于玻璃自身的加工裂纹或拉伸 过程中颗粒与基体界面的开裂。其裂纹扩展方向一般有两种，一是引发已有裂纹 的玻璃颗粒断裂，并穿过其颗粒；二是穿过基体与粒子的界面。 复合材料由于亚表层的脆化而与脆性材料接近，磨损速率由裂纹形成率与裂 纹扩展共同控制。其耐磨性在载荷较低时比基体有一定的提高，但由于玻璃颗粒 较脆，并且对缺口效应敏感，因而未能完全发挥其硬度高的作用，载荷较高时， 材料的耐磨性比基体有所下降。 在增强粒子材料对裂纹敏感的体系中，具有预加裂纹的大颗粒的低应力破 i 上海交通大学硕士论文 坏，将对材料的断裂性能造成损害。 复合材料在1 7 5 。c 完全时效所需的时间比基体材料完全时效所需的时间要 短，其硬化峰值出现在7 - - 9 小时之间，峰值硬度为h b l 2 0 左右，而基体材料在 同样条件下，达到时效峰值的时间为1 6 一1 8 小时，其峰值硬度为h b l 0 0 左右。 形变后的复合材料在同等条件下，完全时效所需的时间更短，为3 5 小时。复 合材料的峰值硬度为h b l 3 0 左右，比未经形变的材料略高。 改进制备工艺，应从细化玻璃粒子的大小，减少其加工裂纹，改善其形状入 手。 二、选用合适的参数，制得了s i o ：预制件，再采用真空压力浸渍法制备了 ( a 1 2 0 3 + s i 0 2 ) a i 复合材料。 研究了铝和氧化硅在1 0 0 0 k 至1 5 0 0 k 温度区间反应的热力学机制，结果表 明，在此区间随温度上升，反应g i b b s 自由能的绝对值下降，因而在保证能充份 浸渍的条件下，应降低浸渍温度。实验中采用7 3 0 。c 作为浸渍温度，通过真空压 力浸渍法制备了a 1 2 0 3 a i + s i 0 2 复合材料。 通过对复合材料的组织研究表明，s i 0 2 宋完全反应，其外壳包裹着一层 a 1 2 0 3 ，在基体和增强粒子之间是a 1 2 0 3 与s i 的析出带。颗粒在基体上分布均匀， t 其表面较粗糙fx r d 实验的结果进步证实了上述判断。 随着增强粒子。s i 0 2 和a 1 2 0 3 的增加，复合材料的硬度迅速上升。在整个过 程中，材料的高硬度对其耐磨性能起的是正面作用。材料的摩擦系数和磨损量与 ，j 基体纯铝相比，有明显的下降，与含硅量相近的a 1 s i 合金z l l 0 5 相比，其耐磨 壮也有较大的提高。复合材料的磨损机制以磨料磨损为主，同时伴随着粘着磨损 和少量的热磨损与疲劳磨损。在磨损过程中，摩擦副向复合材料的表面有较多的 元素转移，在材料的表面形成了保护层，有助于材料耐磨性能的提高。 与材料硬度类似的，其拉伸强度也随增强粒子体积分数的增加而增加，抗压 强度与基体相比也有较大的提高，但同时由于片状硅的析出和大量的刚性粒子的 存在，使材料的塑性受到了损害，其加工性能下降。 关键词：颗粒增强复合材料，废弃玻璃颗粒，石英砂，铝合金，搅拌铸造 真空反压浸渍，机械性能 r ：! 堂銮望盔兰堡主笙苎 ! ! 塞 a b s t r a c t p e o p l e si n d u s t r ya n dl i v i n ga c t i v i t i e sc o n s u m e al o to fr e s o u r c ea n de n e r g ya n db r i n g m u c hw a s t eg a s ，w a s t ew a t e ra n dw a s t es o l i d ，w h i c hh a v ed o n em u c hh a r mt ot h e e n v i r o n m e n t m a t e r i a l sm a n u f a c t u r ei so n eo f t h em a j o ra c t i v i t i e st h a th a v eb a d e f f e c t o nc i r c u m s t a n c e kr e c e n ty e a t sp e o p l eh a v eb e g u nt oe v a l u a t et h em a t e r i a l sr e s e a r c h a n du t i l i z a t i o na g a i ni nt h ev i e wo fl a s t i n gd e v e l o p m e n t a t t e m p t sh a v eb e e nm a d e t o f a b r i c a t et h e m a t e r i a l s ，w h i c h h a v e g o o d f u n c t i o na n dd ol i t t l eh a r mt ot h e e n v i r o n m e n t t h e r ea r em a n yw a s t eg l a s s ，w a s t es i l i c aa n dw a s t ea l u m i n u ma l l o y si n o u r c o u n t ! r y , f o re x a m p l e t h ew a s t ea l u m i n u m c a n s ，w h i c h a r eh a r dt or e c l a i m i f t h e s e w a s t em a t e r i a l sc a nb er e u s e dt op r o d u c e g r e e nm a t e r i a l s ，i tw i l lh a v eg o o ds o c i a la n d e c o n o m i cb e n e f i t i nt h i sr e s e a r c h ，an e w t y p eo fg r e e nm a t e r i a l sh a sb e e nf a b r i c a t e db yu s i n gw a s t e g l a s so rs i l i c at or e i n f o r c ea l u m i n u m t h i sn e wt y p eo fg r e e nr e c y c l i n gm a t e r i a l sh a s t h eb o t ha d v a n t a g eo f a l u m i n u ma n dr e i n f o r c e m e m p a r t i c l e s ( g l a s s ，s i l i c a ) i th a sg o o d h a r d n e s sa sw e l la sp o s s e s s i n g d u c t i l i t y i nt h eo t h e rh a n d ，t h ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y o ft h i sm a t e r i a lw a sv e r y s i m p l e s o t h ev a l u eo ft h ew a s t er e s o u r c eh a sb e e n i n c r e a s e d t h e f a b r i c a t i n gm e t h o d ，m i c r o s t r u c t u r e s ，m e c h a n i cp r o p e r t i e sa n df r a c t u r em e c h a n i s m h a v eb e e n i n v e s t i g a t e d i tc a r lb e c o n c l u d e da sf o l l o w i n g ： 1 w a s t eg l a s sp a r t i c l e sh a v eb e e n s u c c e s s f u l l yi n t r o d u c e di n t oa l u m i n u m - b a s ea l l o y ( z l l 0 5 ) m e l t sa sr e i n f o r c e m e n tt op r o d u c eg l a s sp a r t i c l e sr e i n f o r c e da ic o m p o s i t e s t h r o u g h t h ev o r t e xm e t h o d t h e b i n d i n g a ti n t e r f a c eb e t w e e na l u m i n u ma n d g l a s si sq u i t e9 0 0 d 1 kw a s t eg l a s s p a r t i c l e sa r ed i s t r i b u t e dv e r yu n i f o r m l yi nm a t r i xa l l o ya n dc o n t r i b u t et ot h ei n c r e a s e o fm a t e r i a l sh a r d n e s s t h em a t e r i a lf r a c t u r em o d ei sb r i t t l e n e s sb r o k e n t h ec m c ks o u r c e sa r et h ed e f e c ti n g l a s sp a r t i c l e sa n dt h ed e p a r t u r eo ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ep a r t i c l e sa n dm a t r i x d u r i n g t h et e n s i l ep r o c e s s t h em a i nc r a c kw i l lp r o p a g a t ei nt w od i r e c t i o n so n e w i l l i n d u c et h ep a r t i c l e sb r o k e nt h a th a v ed e f e c t sa n dt h ec r a c kw i l lp r o p a g a t ea l o n gt h e d e f e c t s t h eo t h e ri s a l o n gt h ed e p a r t m e n ti n t e r f a c eb e t w e e nt h ep a r t i c l e sa n dt h e m a t r j x u i 兰塑奎婆茎兰雯主堡塞 塑壅 t h ew e a rm o d eo f t h eg l a s s a l u m i n u m sc o m p o s i t ei sl i k et h eb r i t t l em a t e r i a l sb e c a u s e t h es u b s u r f a c eo ft h ec o m p o s i t e si sf r a g i l e t h ew e a rr a t e o ft h ec o m p o s i t e si s c o n t r o l l e db yb o t ht h ef o r m a t i o nr a t ea n dt h ep r o p a g a t i o nr a t eo ft h ec r a c k w e a r r e s i s t a n c eh a si n c r e a s e di nt h el o wl o a d i n g h o w e v e r , w h i l eb e i n gl o a dh e a v yt h e w e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t ei sl o w e rt h a nt h em a t r i xb e c a u s et h eg l a s sp a r t i c l e s a r eb r i t t l ea n d s e n s i t i v i t y t ot h ef r a c t u r ee f f e c t i nt h es y s t e mw h i c ht h er e i n f o r c e m e n tp a r t i c l e si ss e n s i t i v i t yt ot h ed e f e c t s ，t h el a r g e p a r t i c l e sw h i c hh a v e d e f e c t sa r eb r o k e nu n d e rl o ws t r a i nw i l ld oh a r mf o rt h et e n s i l e a b i l i t yo f m a t e r i a l s i tt a k e ss h o r t e rt i m et h a nt h em a t r i xw h e nt h eg l a s s a l u m i n u m sc o m p o s i t e sh a v eb e e n c o m p l e t e l ya g e i n ga t 1 7 54 c t h et i m et oa c h i e v et h ea g e i n gp e a ko f c o m p o s i t e si s a r o u n d8h o u r sa n dt h ev a l u eo ft h ep e a l 【h a r d n e s si sh b l 2 0 h o w e v e r , t h et i m eo f a c h i e v et h ep e a ko f t h em a t r i xi sm u c h l o n g e r , w h i c h i sa r o u n d1 7h o u r s ，a n dt h ep c a l 【 h a r d n e s si sh b l 0 0 i nt h es a m ec o n d i t i o n st h ea g e i n go f t h ed e f o r m e dc o m p o s i t e si s f a s t e rt h a nt h eu n d e f o r m e dm a t e r i a l s t h ec o m p l e t ea g e i n gt i m ei sa r o u n d4h o u r sa n d t h ed e a kh a r d n e s si sh b l 3 0t l l a ti sh i g h e rt h a nt h eu n d e f o r m e dm a t e r i a l 2s i l i c ap e r f o r m sh a v eb e e nm a d eb yu s ep r o p e rf a c t o ra n db e e nr e d u c e db ym o l t e n p u r e a l u m i n u mt o m a d e ( a 1 2 0 3 + s i o e ) a ic o m p o s i t et h r o u g h v a c u u m p r e s s u r e i n f l i e t i o nm e t h o d t h er e a c t i o nt h e r m o d y n a m i cm e c h a n i s mo fa ia n ds i l i c ab e t w e e nt h et e m p e r a t u r e r a n g e sf r o m 10 0 0 kt o15 0 0 kh a sb e e nc a l c u l a t e d i ti sf o u n dt h a tt h eg i b b sf r e e e n e r g y w i l li n c r e a s e 、v i t l it h er e a c t i o n t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g s o t l l er e a c t i o n t e m p e r a t u r es h o u l db el o w e rw h i l et h ei n f l i c a t i o nc a nb ec a r r i e ds u c c e s s f u l l y i nt h i s r e s e a r c ht h e ( a 1 2 0 3 + s i 0 2 ) a 1c o m p o s i t eh a sb e e nm a d ea tt h e t e m p e r a t u r eo f 7 3 0 t h es t r u c t u r eo ft h e ( a 1 2 0 3 + s i 0 2 ) a ic o m p o s i t eh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s h o w st h er e a c t i o nb e t w e e ns i l i c aa n da id o e s n tc a r r yt h r o u g ht oe n d t h ep a r t i a l l y r e a c t e ds i 0 2h a v ea no u t e rs h e l lo fa 1 2 0 3a n ds i ，a n dt h ei n n e rc o r ei su n r e a c t e ds i 0 2 t h e r ea r ea 1 2 0 3a n ds ib e t w e e n s i 0 2 p a r t i c l e sa n dp u r ea im a t r i x t h es i 0 2p a r t i c l e s a r ed i s t r i b u t e du n i f o r m l yi nm a t r i xa l l o y 1 1 1 es u r f a c eo ft h ep a r t i c l e si sc o a r s et h e r e s u l to f ) d t d a n a l y s i sa p p r o v e s t l l a tt h er e a c t i o nd o e s n tc a r r yt h r o u g ht oe n d t h eh a r d n e s so f c o m p o s i t e s i si m p r o v e d s h a r p l yw i t h t h ev o l u m eo f t h er e i n f o r c e m e n t p a r t i c l e si n c r e a s i n g t h eh i g h h a r d n e s sw i l l i m p r o v e t h ew e a rr e s i s t a n c eo f c o m p o s i t e sd u r i n gw e a rp r o c e s s t h ew e a rc o e 舒c i e n ta n dw e a rv o l u m eo ft h e c o m p o s i t e a r ed e c r e a s e d d i s t i n c t l yc o m p a r i n gt o t h ep u r ea l u m i n u mm a t r i xa n d 兰查奎堕查堂堡圭篓苎 一j 坚 z l l 0 5w h i c h b a v ed o s ew e i g h to f s i t ot h e c o m p o s i t e ，t h em a j o r w e a rm e 。h a n i 8 m o t 1 1 e ( a 1 2 0 3 + s i 0 2 ) jc o m p o s i t ei sa b r a s i v ew e a r , b e s i d e st h i st h e r e a r ea d h 。mw 哪 a n dal i t t l eh o tw e a ra n df a t i g u ew e a r d u r i n gw e a rp r o c e s s ，s o m ew e a r p a l rm a 蜘a l o fc uh a s 拄a n s f e r e dt ot h ec o m p o s i t ea n dp a c k e d o ht h es u r f a c e i tc a l lp r o t e c tt h e w e a rs u l a c eo f c o m p o s i t ea n d c o n t r i b u t et ot h ei n c r e a s i n go f w e a r r e s i s t a n c e t h et e n s i l ea b i l i t ya n dc o m p r e s st o u g h n e s sh a v ei m p r o v e dw i t ht h ev o l u m e o ft h e r e i n f b r c e m e n t p a r t i c l e s i n c r e a s i n g h o w e v e r , t h e d u c t i l i t yo f ( a 1 2 0 3 + s i 0 2 ) a 1 c o m p o s i t eh a s b e e nd e c r e a s e d k e yw o r d s p a r t i c l e sr e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e ，w a s t eg l a s sp a r t i c l e s ， a l u m i n u m a l l o y , v o l - t e x ，s i l i c a , v a c u u i f lp r e s s u r e i n f l i c t i o n ，m e c h a n i ca b i u t y v 圭塑奎望查兰堡主笙苎一一墅兰量丝 1 1 前言 第一章绪论 1 1 1 绿色材料的概念、评估模式、特点 在人类的生产和生活活动中，每天都消耗着大量的资源和能源，并排放出废 气、废水和各种固体废弃物，严重污染了人类的生存环境。而材料及其制品工业 足造成能源短缺、资源过度消耗、环境污染的主要活动之一。近年来人们开始从 可持续发展的角度出发，从新评价过去研究、开发、生产和使用材料的活动，更 新单纯追求高性能、高附加值的材料研究思路；探索发展既有良好或功能，又对 资源和能源消耗较低，并且与环境协调较好的材料及其制品，并在此基础上提出 了环境材料和环境材料学的概念。 所谓环境材料是指那些具有良好使用性能或功能，并对资源和能源消耗少， 对生态与环境污染小，可再生利用率高或可降解循环使用，在制备、使用、废弃 到再生循环使用的整个过程中，都与环境协调共存的一大类材料。环境材料不仅 包括直接具有净化环境、修复等功能的高新技术材料的开发，也包括对现用量大 面广的传统材料及其产品的改造，使其“环境化”。事实上现存的任何一种材料， 一旦引入环境意识，就应列于“环境材料”。另外从发展的观点来看，环境材料 是可持续发展的，应贯穿于开发、使用材料的整个历史进程，是个不断进步的过 程 1 。 在环境意识融入材料科学与工程学之后，要求人们在材料设计时，除考虑材 料的成分、性能、工艺外，还应当考虑材料的环境问题，即在设计材料时必须从 材料资源( 资源容量) 一材料成分一工艺一结构和性能一循环使用一生态平衡( 环境 容量) 等诸环节进行考虑。其中环境容量环节尤为重要。 那么怎样的材料才算是好的绿色材料，这就需要一个有效的评价方法。 首先环境性是一个泛环境指标，它包括材料在其从摇篮到坟墓的全过程中所 上海变通大学硕士论文 第一章绪论 消耗的资源量和能源以及排放的三废量，这些指标统称为材料一生中的环境负 荷。对材料寿命中的环境负荷进行评价的方法称为“寿命全程评价方法”，即l c a ( l i f e - c y c l ea s s e s s m e n t ) 。日本的三本良一 2 教授提出环境负荷的评价内容 分为：成本分析( l c c ) 、能源分析( l c e ) 、c 0 2 分析( l c c o ) 、灾害分析( l c r ) 、 材料的l c a 、产品l c a 、使用l c a 、社会的l c a 、企业的l c a 等。而八木晃一 3 再将原料、原材料制造、产品加工、流通消费和再循环五个环节细分为1 1 项。 评价内容包括大气污染、水污染、资源消耗、能源消耗和固体废弃物等6 项内容， 细分为1 6 个小项目。其评价的基本数据多于1 7 6 项。根据上诉的定义及评价方 法，环境材料的本质特征在于其寿命周期的整个过程中具有较低的环境负荷值。 绿色材料与传统材料相比具有如图所示的特点。当然在评价材料的优劣时， 不能把高性能、低成本与良好的环境协调性对立起来。实际上高的性能可以减少 用材量，这样常常可以带来可观的良性环境效应，即减少资源的消耗、能源消耗 和三废排放；而长的服役寿命更使性能要求与环境要求得到统一的协调。因而一 种好的绿色材料应是功能性、环境性、经济性三者协调的产物。 1 1 2 绿色材料的分类及发展现状 环境材料的分类根据其定义大致可以分为以下几类：天然材料、循环再生材 料、环境功能材料( 其包括净化材料、绿色能源材料、绿色建筑材料等) 。下面 就各种环境材料的开发利用现状作一简述。 1 纯天然材料的开发与利用 木材是应用范围最广泛、历史最悠久的一种天然材料，木材的加工能耗低， 可再生利用，易于处理。因此，对木材的开发和应用研究受到越来越多的重视。 日本从9 0 年代开始将木材或其他木质材料在热固型树脂中浸渍，使其在高温真 空下分解成碳化木纤维，而树脂转变成为玻璃状的碳，这样的一种新型多孔碳素 复合材料称为木质陶瓷。该陶瓷可用作汽车离合器的摩擦材料。近来，上海交通 大学与日本方面合作，将轻质合金( a 1 、c u 等) 加入木质陶瓷中，制成复合材 料，以期进一步提高其性能，并为之拓宽应用范围。这种让天然材料和人工材料 复合而制得新型复合材料的思路，也是环境材料的发展方向之一。此外，还有人 2 上海交通大学硕士论文 第一章绪论 将竹子与铝和( 玻璃纤维+ 环氧基树脂) 4 以8 5 ：l o ：5 的比例混合制成复合材 料，其抗弯强度和抗拉强度分别是纯铝的2 0 倍与1 6 倍，但由于复合材料的中 的竹子比例高达8 5 ，所以废弃后易于分解。类似的还有苎麻铝基复合材料。 美国在8 0 年代初就成功的从水稻壳中提取s i o 。t 5 ，用做橡胶和塑料制品的 添加剂，9 7 年左右，其产量以达1 8 0 万吨。9 0 年代以来，从天然植物中提取天 然色素用于食品与化妆，以替代人工色素材料，已是多数国家的共识。 2 循环再生材料 主要是利用废弃物再生制造的材料，例如再生纸、再生塑料、再生金属以及 再循环利用混凝土等。一般来说，可再生材料应具有下列特征：1 ) 可多次重复 再生利用；2 ) 废弃物可作为再生资源；3 ) 废弃物的处理消耗能量最少：4 ) 废 弃物的处理对环境不产生二次污染或影响最小。由于人类几千年的生产和生活制 造许多的固体废弃物。却没有完全的回收利用，因此，大力开发循环材料具有很 大的经济效益与社会效益，然而材料的循环再生的设计难度较大，涉及的因素较 多，因而其进展较慢。但它必然是一个方向。 实际中，钢铁材料和某些高分子材料已基本具备了循环再生利用的条件。杜 邦公司在8 0 年代推出了一种以1 0 0 高密度聚乙烯制成的化学品防护衣，用于接 触有毒有害物品的阻隔保护。该产品可完全回收再制。也可焚烧处理，并不产生 卤化物 6 。在日本，已有把纤维强化塑料( f r p ) 进行再循环粉碎处理，用于沥 青铺路材料的强化 7 。在废钢及炉渣的回收再生利用方面，美国一钢铁公司宣 称其生产中的炉渣、粉尘、铁鳞、粉煤灰等全部利用，得到金属、玻璃、陶瓷、 水泥等 8 。然而废钢由于其中的微量元素难于去除，对其的热加工性能有较大 的影响，因而限制了废钢的回收利用。 3 净化材料 能分离、分解或吸收废气、废液的材料称为净化材料。例如过滤器、吸附材 料、各种废气的循环利用，废水的净化回收等相关材料都是此类范畴。 美国c o r i n g 8 公司开发了一种以蜂窝状堇青石为净化触媒载体的材料，用 于汽车尾气中的c o 、n o l 、q h ，等有害气体的吸收，现已广泛应用于工程、家庭除 上海交通大学硕士论文 第一章绪论 臭和热交换器等方面。近来，还研究出了莫来石、m g o 加s i o 。复合材料制作的多 孔过滤器，采用p t 、l a 、b a 等稀土元素氧化物催化剂、钙钛矿类催化剂等。 吸附材料方面，活性炭及沸石是传统的天然吸附材料，近来日本开发了另一 种天然吸附材料，以火山灰和方石英为主的天然矿石。据称其吸附能力比沸石或 活性炭高出1 0 一3 0 倍。 4 绿色能源材料与绿色建材 在太阳能利用转换材料方面，夏普开发的硅电池的转换率为1 6 ，多晶硅为 1 7 2 ，美国研究出的g a a s g a s b 半导体的转换率为3 0 。国外的太阳能发电总 量在9 0 年带中期已达3 3 3 5 万k w 3 。近年来，我国计划在西北地区开展太阳 能利用的推广，以替代家庭取热对木材的使用，达到保护植被的目的；然而太阳 能转换电池的高价格阻碍了这一计划的进行。在热电( 温差) 发电方面，薄膜材 料的发现将热电转换效率提高到了3 0 左右，从而为其的实际应用提供了较大的 可能。在绿色建材方面，无论是只满足对人体无害要求的基础型建材，还是使用 废弃物制成的建材，或各种功能型建材，近年来都取得了长足的进步。最明显的 例子是悉尼奥运会的场馆建设中，组委会方面大量使用绿色建材，许多设施均回 收利用。 5 绿色复合材料的开发与研究 复合材料具有高的比强度、比刚度，耐高温、及可设计性等优异性能，因此 使用复合材料有利于提高产品的性能，延长其使用寿命，从而节约成本，降低能 耗。这些都是复合材料有利于降低环境负荷的方面，然而另方面，复合材料制 备时与其他人工材料一样会排放出废气、废水、废渣，对环境造成较大的影响。 与次同时由于其组分复杂，组分之间结合得较紧密，给其回收利用增加了难度。 如果不能对复合材料的回收利用加以很好的解决，将会严重影响其发展前途。 近年来人们已开始加强对绿色复合材料的研究。研究主要包含两个方面的涵 义。一是，对固体废弃物加以回收利用制备绿色复合材料；二是，复合材料本身 的回收利用，循环再生。从这个观点来看，应尽力作到以下的要求：首先应用单 一组分代替多相组分；其次废弃后的材料应易于分解或降解；最后，这种材料应 4 圭塑奎曼奎兰堡主堡塞一堡三曼! ! 堕 可多次重复循环使用。目前对于复合材料的再生利用的研究开展得较多，然而对 利用废弃物制备复合材料的研究还很有限，尤其是利用废弃金属制备金属陶瓷复 合材料的研究开展得还很不够。 1 1 3 废铝和废玻璃、石英砂的利用现状 铝成为通用材料之后，还不到一百年，然而全世界对于铝的消耗已达到每年 几千万吨的水平。因而各国都很重视对铝的回收利用。虽然铝在生产过程中要消 耗大量的能量，但是，在无氧的环境下，金属铝的再生只要适当加热熔化( 只要 生产过程1 2 0 的能量) 即可实现，所以废铝的再生价值很高。尽管如此，我国 铝的回收现状却不容乐观。在铝回收时，我国多采用大气回收方式，由于铝在液 态下易氧化，大气中其回收效率小于9 0 ，甚至只有6 0 - 7 0 。此外由于我国废 品回收体系的无序状态，废铝的回收量只占废弃量的l 3 一l 2 。在未很好利用的 废弃铝资源中，近来比较关心的是易拉罐。由于易拉罐装饮料的消耗量的剧增， 作为制备易拉罐的高纯度形变铝合金的消耗也相应的增加了。在当前，再生利用 废弃易拉罐时，其回收过程中不可避免的会混入杂质，因而原先用于制成易拉罐 的高纯形变铝合金不能再被还原为形变铝合金，通常是将之熔铸成为铸造铝合金 使用。 据预测今后我国的废铝的产生量将迅速增加，这是因为随着我国居民8 0 年 代末以来使用铝门窗( 使用寿命约2 0 年) 、汽车铸件( 寿命5 一l o 年) 等易于解 体、分离回收的产品的用量的上升，铝的再生循环才刚刚开始。预计在今后的 1 0 年内废铝的产生量将倍增。铝制品需求，特剐是铸造、压铸制品的需求，今 后还有扩展的余地，但若继续现在的回收模式，那么废铝的增加自好仍然作为垃 圾处理或将它作为废弃品卖给国外了事。无论是哪一种方式都是我们不愿意看到 的。 与铝回收相似的，玻璃的回收存在同样的问题。实际上除了各种完好的玻璃 瓶( 如啤酒瓶、罐头瓶、汽水瓶等) 回收利用较好外，其它的废弃玻璃由于成份 不一，在回收工艺上存在较大的问题，即使回收在经济上也不合算。通常的处理 方法是将它们与各种固体废弃物混在一起掩埋或作为填充物使用。但由于玻璃难 圭塑銮望盔兰堡主堡塞 一曼二兰：j 堕堡 以降解，这样的处理方式给环境带来了很大的负担。 而石英砂( 非高纯石英矿) 其主要的用途是作为建筑工业的混凝土中的浆体 材料使用。 如何利用现有的废弃资源，为之找到一种切实简便易行的利用方法，是本文 主要关心和进行探索的研究课题。 由于玻璃的h v 硬度在5 5 0 左右，而石英砂的硬度在8 4 0 左右，如果将其作 为增强粒子加入铝合金中，制成颗粒增强的铝基复合材料这样的复合材料可以 作为耐磨材料使用，将为废弃玻璃的回收利用找到一条较好的出路。与此同时， 也为废铝、石英砂的利用拓宽了思路。 1 1 4 玻璃a i 复合材料和s i o j 铝基复合材料的研究现状 将玻璃与铝合金复合在一起，制备玻璃铝基复合材料，前人做过一些探索。 l i ，s b 9 等人利用石英玻璃纤维和铝复合制备了纤维增强铝基复合材料。 s h a r m a a ，s c 【t o 等人制备了玻璃短纤维增强铸造铝合金复合材料，并研究 了其时效行为。 与上述二者类似的，s e le u k ，e k r e m ( u s a ) 11 等人对玻璃纤维增强铝基复合 材料的断裂韧性、拉伸性能都作了深入的研究。在这些研究中，采用的增强材料 均为昂贵的石英玻璃纤维。 采用普通玻璃颗粒作为增强颗粒的研究开展得很少，目前国内还没有人研 究。国外，也只有s h a r m a ，s c ( u s a ) 1 2 ，e 卜b r a d i e ( e g y p t ) 1 3 等为数不多 的人进行过探索性的研究。象本文将要论述的这样，利用回收的废弃玻璃，将之 磨碎直接添加进铝合金中作为增强相的研究，还没有人进行过。 在s h a r m a ，s ，c ，e 1 一b r a d i e 等人的研究中，其采用的制备方法为搅拌铸造 法，增强相的体积分数低于1 0 ，初步探讨了复合材料的机械性能，但其研究还 很不系统，对影响玻璃增强铝复合材料性能的各种因素的较为深入的研究还未进 行。 由于氧化硅与铝存在置换反应，生成氧化铝和硅，利用这个反应，w l i u ( g e r m a n y ) 1 4 ，n o b o r uy o u s h i k a w a ( j a p a n ) 1 5 ，m h a n a b e ( u s a ) 1 6 等人将玻 6 上海交通大学硕士论文 第一章绪论 璃态s i 0 2 采用b r e s l i n 方法与铝复合在1 0 0 0 。c 左右制得了具有空间连续互穿相 的a 1 2 0 3 a i 复合材料，并对其形成机制，物理性能进行了研究。所谓b m s l i n 法， 就是将增强相制成体积较小的预制件，在大气中预热至一定温度，然后直接浸渍 到液态的铝熔液中，再将熔池加热到设计温度，使材料发生置换反应，以制备设 计的材料。 类似的工作，pk r o h a t g i ( i n d i a ) 1 7 在7 0 年代就进行过尝试性的研究。 他采用搅拌法，制备了体积分数为2 5 的s i 0 2 a i 复合材料。 以上研究，在制各材料的过程中，都向体系中添加了较多的m g 作为还原剂， 用以除去体系中的氧气。实际上，熔入体系中的m g 不仅起到了还原剂的作用， 还将和s i 反应生成m 9 2 s i 和其它一些较复杂的化合物，对体系基体起到了明显 的固溶强化作用。 以上研究大多局限于材料制备过程中组织的生成机理的探索性研究。对于影 响材料机械性能的因素，及其作用机理较为深入的研究还未涉及。 1 2 颗粒增强铝基复合材料的摩擦磨损机制 材料的耐磨性不是材料的固有性质，而是磨损系统的性质。到目前为止，只 有材料的硬度在一定程度上与材料的耐磨性有较好的相关性。材料的摩擦磨损机 制主要有四种形式：磨料磨损、氧化磨损、粘着磨损、疲劳磨损【1 8 ，1 9 ，2 0 】。每 种磨损机制的发生既是材料自身内部因素作用的结果，也是各种环境因素作用的 结果。 l - 2 l 磨料磨损 由于各种物料颗粒或硬的微突起与材料表面相互作用而造成材料流失所形 成的磨损称为磨料磨损。材料流失或失重是指材料在磨料作用下，因而失去的重 量。通常磨料磨损可分为以下类型： 当磨粒运动方向与固体表面接近平行时，磨粒与表面接触处的应力较低，因 此磨损在固体表面产生划伤或微小的犁沟痕迹。这种摩擦磨损形式称为低应力磨 7 垦塑銮望奎兰塑圭笙苎 一一一苎二里! ! 堡 料磨损。通常低应力磨损是二体磨损。 当磨粒在摩擦副两摩擦表面移动时，通常产生很高的接触应力，这种摩擦磨 损形式称为高应力磨料磨损。在高应力摩擦磨损形式下，所产生的应力往往超过 了磨粒的破碎强度。 而凿削式磨损是指硬表面的粗糙峰对软表面起的犁沟作用和微观切削作用。 在摩料磨损形式中，磨粒的相对硬度和载荷起着重要的作用，然而在摩擦磨 损过程中，由于摩擦产生的热量，使材料表面出现热软化效应，将使这种相对硬 度比值发生变化。从而对材料的耐磨能产生较大的影响。 通常当磨粒硬度低于材料硬度时，不产生磨料磨损或产生轻微磨损，而当磨 料硬度超过材料硬度后，磨损量随磨料硬度而增加。如果磨料硬度更高将产生严 重磨损，但磨损量不再随磨粒硬度变化。 1 2 2 粘着磨损 在摩擦过程中由于粘着作用，使摩擦表面材料由一个表面转移到另一个表面 所引起的磨损称为粘着磨损。它是指两个相对滑动的表面在摩擦力的作用下，表 层发生塑性变形，表面的污染膜、氧化膜被破坏，丽裸露出新鲜金属，由于固相 的焊合作用使两个表面结合起来，如果外力克服不了焊合点及其附近的结合力， 便发生咬卡现象。当外力大于这种结合力时，外力使结合处发生剪切断裂。这种 摩擦副中强度高的一方表面上将粘附较软的金属的现象称为“物质转移”，这种 现象是粘着磨损的重要特征。按磨损程度常把粘着磨损分为如下四种： l 涂抹( s m e a r i n g ) 材料从摩擦表面磨损下来又以涂抹的形式附着于摩擦表面上，称为涂抹。磨 损产物可能附着在摩擦副的一方或两方上。 2 擦伤( s c r a t c h i n g