（材料加工工程专业论文）fe3al金属间化合物网络结构增强al基复合材料研究.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 随着汽车、航空航天工业的高速发展，对铝基复合材料提出了越来越高的要求。 目前，铝基复合材料的增强方式主要有颗粒、晶须、长纤维增强等几种。本文针对 现有体系中的某些缺陷，查阅、分析了大量国内外相关文献，考虑到f e 3 a i 金属间 化合物制备成本低、硬度高、具有良好的导电导热性能，特别是受f e 3 a l 金属间化 合物特有的多键态结构带来的耐高温、抗氧化及耐腐蚀等性能的启发，首次选用 f e 3 a 1 制备三维网络结构件用以增强铝基复合材料，并获得初步成功。 本文主要做出以下研究： 一、采用机械合金化及退火工艺制备了f e 3 a i 金属间化合物粉体，对f e 3 a l 的 形成过程和机理进行了研究，利用x r d 、s e m 等测试手段对制备过程中f e 3 a l 的 形成能力及粉体的形貌进行了表征。通过机械合金化工艺，能够在球磨过程中使 舢元素逐渐溶于f e 中形成无序q f e ( a i ) 过饱和固溶体，通过随后的退火工艺， 无序q 相通过舢原子的重排和筹界移动，逐步由有序度较低的b 2 结构向有序度较 高的d 0 3 结构转变。 二、利用有机物烧蚀法制备了f e 3 灿网络结构件，探索了不同烧结工艺对材料性 能的影响，研究了这种多孔网络结构的拓扑结构及力学性能特点。利用阿基米德法测 试网络结构相对密度，利用气泡法测试网络结构孔径。利用s e m 观察与分析了金相组 织和孔状形貌特征，利用i n s t r o n 5 5 6 9 型电子万能材料试验机测定了抗压强度。 实验结果表明，室温至8 0 0 的烧结过程在流动的高纯氩气氛围中进行有助于有 机物在该阶段的充分挥发。升温速度为材料烧结过程中保持尺寸稳定的主要因素，升 温速度为1 m i n 时材料保持良好的尺寸稳定性。8 0 0 以上为真空烧结过程，升温速 度为4 。c r a i n ，1 3 8 0 保温9 0 m i n 后随炉冷却后得到了组织及力学性能最优试样。网络 结构件的抗压强度随着孔隙率的下降逐渐增加，孔隙率为8 0 的f e 3 a l 网络结构件的 抗压强度可达1 6 3 m p a ，而孔隙率为9 4 3 时，抗压强度仅为0 1 m p a 。 三、采用真空负压浸渗技术制备了f e 3 a l 网络结构增强铝基复合材料。考察了不 同的负压条件、预制件预热温度及浸渗温度对浸渗质量的影响。通过试验证明，提高 熔炼温度和预制体的预热温度有利于铝熔液与f e 3 a l 的润湿，铝熔液熔炼温度为1 0 0 0 ，预制体预热温度为1 0 0 0 ( 2 的条件下，负压浸渗获得了最佳的浸渗效果，铝基体与 v f e ，a l 会属问化合物网络结构增强a l 幕复合材料研究 预制体界面结合良好。 对f e 3 a i a i 复合材料试样进行了组织及力学性能分析。研究了材料界面区的微观 结构及拓扑形貌，界面相组成，界面区合金元素的分布。网络结构增强体的体积分数 明显影响弯曲强度和断裂韧性，当增强相体积分数为9 时，复合材料的最大高的弯 曲强度达至u 2 5 8m p a ，断裂韧性为1 2 6m p a m 忱。当增强体体积分数大于9 时，随着 增强体体积分数的增加，复合材料的弯曲强度和断裂韧性急剧下降。 另外，研究了复合材料摩擦磨损行为，建立了网络结构增强复合材料的摩擦磨损 模型。指出该模型不同于k h r u s c h o v 模型和z u m g a h r 模型，其关系不遵循线性规则。 该模型与复合材料的磨损试验数据相拟合，能够较好地反映网络结构增强复合材料的 磨损性能。 关键词：f e 3 a l 金属间化合物；网络结构；有机泡沫浸渍烧结工艺；负压浸渗工艺； 摩擦磨损 v i 济南大学硕士学位论文 a bs t r a c t w 油t h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ea n dn a v i g a t i o ni n d u s t r y ，t h e r ei sa n i n c r e a s i n g l yh i 曲s t a n d a r df o ra l u m i n i u r nm a t r i xc o m p o s i t e s t h ew a yt or e i n f o r c e a l u m i n i u m m a t r i x c o m p o s i t e s i s m a i n l yp a r t i c a lr e i n f o r c e m e n t ，w h i s k e r r e i n f o r c e m e n t , l o n gf i b e rr e i n f o r c e m e n t ，e t c i no r d e rt oo v e r c o m et h ed e f e c t so ft h e t r a d i t i o n a lm a t e r i a l s ，w ec o n s u l t e da n da n a l y z e db o t l ld o m e s t i ca n do v e r s e a sc o r r e l a t i v e l i t e r a t u r e d u et of e 3 a is t r u c t u r e ，i th a sm a n ya d v a n t a g e ，s u c ha s h i g ht e m p e r a t u r e r e s i t a n c e ，a n t i - o x i d a t i o na n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e m o r e o v e r , f e 3 a ii sp r o d u c e da tl o w e r c o s ta n dh a v em u c hl o w e rd e n s i t ya n db e t t e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t y t h e r e f o r e ，w ec h o o s e f e 3 a in e t w o r kt or e i n f o r c ea l u m i n i u mm a t r i xc o m p o s i t e sf i r s t l ya n dt h ec o m p o s i t eh a s b e e nm a d es u c c e s s f u l l y t h i sp a p e rf o c u so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： a tf i r s t ，f e 3 a 1w e r ep r e p a r e db yc o m b i n e dp r o c e s sb ym e c h a n i c a la l l o y i n ga n d a n n e a l i n g i t sf o r m a t i o np r o c e s sa n dm e c h a n i s mw e r es t u d i e d t h es t r u c t u r a le v o l u t i o no f f e 3 a if o r m a t i o np r o c e s s ，a n dt h es h a p eo ff e 3 a 1p a r t i c l eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e da n d t e s t e d b ym e a n so fx r d ，s e m ，e t c d e p e n d i n go nm i l l i n gm e c h a n i c a la l l o y i n g t e c h n o l o g y , w i t ht h ei n c r e a s ei nm i l l i n gt i m e ，a ia t o mc o u l db ed i s s o l v e di n t oc r y s t a l l a t t i c eo ff e ，a n df o r md i s o r d e r e d a - f e ( a 1 ) s o l i ds o l u t i o n d u r i n ga n n e a l i n g p r o c e s s ，t h r o u g ha 1a t o mo r d e rr e a r r a n g e m e n ta n dr e m o v i n go fd o m a i n s ，d i s o r d e r e d q - f e ( a 1 ) s o l i ds o l u t i o nh a sb e e nc h a n g e df r o mt h el o w e rb 2o r d e r e dt oh i g h e rd 0 3o r d e r s t r u c t u r e n e x t ，f e 3 a 1i n t e r m e t a l l i c sn e t w o r kw a sf a b r i c a t e db yp r e c u r s o ra b l a t i o nt e c h n o l o g y r e l e v a n ts t u d i e sw e r ec o n d u c e do nt h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n d t h ee f f e c to fd i f f e r e n ts i n t e r i n gs y s t e m u n d e rt h et h e o r yo ft h ec r a c kb r i d g em e c h a n i s m a n db l u n tc r a c kg r o w t hm e c h a n i s m t h er e l a t i v ed e n s i t ya sa ni m p o r t a n tp r o p e r t yo fn s w a sm e a s u r e du s i n gt h ea r c h i m e d e s m e t h o d t h ep o r es i z ea n dt h ew i d t ho fs t r u ta n d t h el e n g t ho fs t r u tw e r em e a s u r e db yb u b b l em e t h o d s t h ec r o s s s e c t i o na n ds u r f a c e m i c r o s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i z a t i o no ft h es a m p l e sw e r ea n a l y s e db yas c a n n i n ge l e c t r o n v l i f e ，a l 金属间化合物网络结构增强a 1 基复合材料研究 m i c r o s c o p ys e m c o m p r e s s i o ns t r e n g t ha n df r a c t u r et o u g h n e s sp r o p e r t yw a s t e s t e db y i n s t r o n 5 5 6 9u n i v e r s a lm a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n e t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h es i n t e r i n gp r o c e s sf r o mr o o m - t e m p e r a t u r et o8 0 0 。c w a si na r g o na t m o s p h e r ew h i c hh e l p e rp o l y m e r i cs p o n g e sv o l a t i l i z ec o m p l e t e l y o n eo ft h e m a j o rf a c t o r sw h i c hc a l lh o l dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t yo ft h em a t e r i a ld u r i n gs i n t e r i n gp r o c e s s i sh e a t i n g u ps p e e da n dt h em a t e r i a lh e l dg o o dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t yw h e nt h eh e a t i n g - u p s p e e dw a s1 * c r a i n w h e nt h et e m p e r a t u r ew a su p w a r d8 0 0 c ，i tw a sv a c u u ms i n t e r i n g p r o c e s sa n dh e a t i n g - u ps p e e dw a s4 * c m i n i n s u l a t i n gf o r9 0 m i n o n14 6 0 ( 2 ，t h e nc o o l i n gi n t h es i n t e r i n gf u r n a c et or o o mt e m p e r a t u r e ，t h es a m p l ew h i c hh a dt h eb e s ts t r u c t u r a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t yw a so b t a i n e d t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fo b t a i n e dn e t w o r ks t r u c t u r e i n c r e a s e sw i t ht h er e d u c i n gp o r o s i t y t h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t ho ft h en e t w o r ks t r u c t u r e w h o s ep o r o s i t yi s8 3 5 c a na c h i e v e0 91m p a b u tw h e nt h ep o r o s i t yi s9 4 3 ，t h e c o m p r e s s i o ns t r e n g t hj u s tc a nr e a c h0 1m p a t h i r d ，f e 3 a in e t w o r kr e i n f o r c i n ga l u m i n i u mm a t r i xc o m p o s i t e sw a sf a b r i c a t e db y v a c u u mp r e s s u r ei n f i l t r a t i o nt e c h n o l o g y i nt h i sr e s e a r c h ，i n c r e a s i n gt h em e l t i n g t e m p e r a t u r ea n dp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ec o u l dc o u l db eb e n e f i tt ot h ei n f i l t r a t i o n t h eb e s t e f f e c t i v e n e s so fi n f i l t r a t i o nw a sa c h i e v e da tt h ec o n d i t i o no f10 0 0 o ft h em o l t e nm e t a l y a n d10 0 0 ( 2o ft h ei n f i l t r a t i n gd i e t h ei n t e r f a c eb e t w e e na ia n df e 3 a 1h a dag o o d b o n d i n g m i c r o s t r u c t u r ea n dt o p o l o g yc h a r a c t e r i s t i co fi n t e r f a c ef i e l d ，i n t e r f a c ec o m p o s i t i o n , e l e m e n td i s t r i b u t i o no ft w os i d eo fi n t e r f a c ea l er e s e a r c h e d t h ev o l u m ef r a c t i o no f r e i n f o r c e m e n ta f f e c tt h eu t sa n dt h ek i c w h e nt h ev o l u m ef r a c t i o no fr e i n f o r c e m e n ti s 9 t h eu t si s2 31m p aa n dt h ek i ci s21 5m p a m 沈w i t ht h ei n c r e a s e so fv o l u m e f i a c t i o no fr e i n f o r c e m e n t ，t h eu t sa n dt h ek i cs t r e n g t hd e c r e a s er a p i d l y i tw a si n v e s t i g a t e dt h a tw e a rb e h a v i o ro ff e 3 a ln e t w o r kr e i n f o r c i n ga l u m i n i u mm a t r i x c o m p o s i t e s am o d e lf o ra b r a s i v ew e a ro ft h ec o m p o s i t e sw a sp r o p o s e d t h i sn o n l i n e a r m o d e l i sd i f f e r e n tf r o mk h r u s c h o vm o d e la n dz u m g a h rm o d e l t h ew e a rp e r f o r m a n c eo f c o m p o s i t e sc a nb ee x p r e s s e db yt h i sm o d e l s ot h i sm o d e lh a v eu n i v e r s a l i s mi nac e r t a i n e x t e n t v i i i 济南大学硕十学位论文 k e yw o r d s ：f e 3 a ii n t e r m e t a l l i c s ；n e t w o r k ；p o l y m e r i cf o a mr e p l i c a t i o np r o c e s s ；n e g a t i v e p r e s s u r et r a i l i n gp r o c e s s ；f r i c t i o na n dw e a l p r o p e r t i e s i x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：互痞：垫望 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：互壑堕堡导师签名：蜀, - q 边日期： 济南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景、目的和意义 金属基复合材料以其优良的耐高温、耐磨损、导电导热性好、不吸湿、不放气、 尺寸稳定、不老化等特点，在航空航天、汽车制造等诸多领域具有重要地位。目前已 发展的有铝基、镁基、钛基、高温合金基、铜基等多种材料，其中以铝基发展最快并 成为当前金属基复合材料发展的主流。这是因为铝基复合材料具有密度低、基体合金 选择范围广、热处理性好、制备工艺灵活多样等许多优点【l2 1 。铝基复合材料具有很 大的应用潜力，并且已有部分铝基复合材料成功地进入了商业化生产阶段。 铝基复合材料具有比强度、比模量高的优点，在保证强度指标的同时可以减轻零 部件重量，这在航空航天及汽车制造领域是很有吸引力的。纤维增强铝基复合材料己 被用于制造航天飞机的机身框架、哈勃望远镜的长方形天线支架、发动机活塞【3 】等。 非连续增强铝基复合材料在汽车、电子器件、精密仪器、体育用品等方而都有成功的 应用【4 - 5 1 。 按增强体的种类不同，铝基复合材料可分为颗粒、晶须、短纤维、连续纤维增强 的金属基复合材料。网络结构增强方式不同于传统材料，这种增强方式可以形成增强 体与金属基体相互缠结和盘绕，互相贯穿和渗透的新型金属基复合材料，与传统的增 强方式相比较，存在以下显著优点： ( 1 ) 成分均匀。颗粒及晶须增强体复合材料在制备过程中容易出现团簇缺陷，纤 维增强体容易出现成绺现象，这些现象易造成材料成分不均匀。网络结构增强金属 基复合材料的增强相为三维网络预制件，可有效避免增强相成分不均匀的缺点。 ( 2 ) 增强效果各项同性。对于增强效果优异的长纤维增强来说，存在增强效果的 各向异性，即法向与轴向增强效果差异较大。网络结构增强金属基复合材料不存在 此类缺点。 ( 3 ) 应力分布均匀。网络结构增强体对于载荷的应力分布表现为整体传导，可有 效避免增强体与金属基体之间的托拔现象。 目前，这种三维网络骨架增强的金属基复合材料的研究现在还处于起步阶段， 且骨架材料主要是陶瓷材料。因陶瓷材料具有较高的弹性模量和相对较低的密度， 很高的硬度和良好的耐腐蚀性及耐高温性能，与基体复合，能够明显提高砧基 f e ，a l 金属问化合物网络结构增强a 1 基复合材料研究 体的某些特殊性能。e p a n a s m e d ec i g o 和m i p e c h c a n u l t 6 】等利用无压浸渗工艺制 备a 1 s i c p 复合材料，探讨了复合材料的微观结构和性能。赵龙志、曹小吲7 】等以 空心多孔s i c 泡沫陶瓷为增强体制备了新型复式连通双连续相s i c 3 9 0 a i ，具有独 特的互穿式界面结构，材料界面结合优异，材料力学性能显著增强。但是，陶瓷脆 性大，热膨胀系数差别大，与a l 基体的润湿性差，使二者界面结合不好，降低合 金性能等难以克服的缺点。因此寻找一种较理想的增强骨架材料对于金属基体的电 性能、高温性能、力学性能、耐磨性的改善具有重要意义。正是出于对现存问题的 解决，本课题选用金属间化合物网络结构作为金属基体的增强相，以有效解决上述 问题。 金属间化合物以其低密度、高强度以及良好的耐热性能，成为近年来结构材料研 究中十分活跃的领域。f e a l 金属间化合物以其密度低、强度高、高温力学性能和抗 氧化性好等特点，成为近年来人们研究开发的热点，是理想的高温结构材料。本课题 选用f e 3 a l 金属间化合物作网络结构增强体材料主要考虑以下几点： 第一，与目前研究较多的陶瓷基网络增强手段相比较，与铝基体润湿性好。8 0 0 时，与铝合金的润湿角几乎为零，与a l 基体亲和力大、化学相容性好。 第二，与陶瓷网络结构相比，金属间化合物相具有导电、导热性能好，在制备耐 磨电刷等领域具有不可替代的优势。 第三，具有较高的熔点，能够明显提高复合材料高温抗蠕变能力和抗氧化能力， 可望制备出热强性和抗氧化性好的高温a l 基复合材料。 第四，强度较高。可望制备出具有潜在优势的低密度、高强度的耐磨结构材料。 第五，价格低廉。以铁粉、铝粉为主要原料，较n i a l 系、t i a l 相比更具有成 本优势。 本课题旨在探索f e 3 灿金属间化合物网络结构增强铝基复合材料新工艺，制备 出性能优良的新型耐磨铝基复合材料，赋予材料高比模量、高比强度、耐磨损、耐 疲劳等优点，成为航天航空、汽车、电子、光学等工业领域潜在的优良结构材料， 并促进其实际应用和发展。但是，传统的的致密体的塑性理论、断裂机制并不适用 于网络结构增强的复合材料材料，本课题将探索和完善网络结构骨架增强金属基复 合材料的相关理论。因此，开展本课题具有重要的理论和使用价值。 1 2f e _ a l 金属间化合物研究现状 f e a 1 金属间化合物的研究始于2 0 世纪3 0 年代，几经热起，几经沉寂，在7 0 年代 2 济南大学硕士学位论文 量曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼- - , i i i i i 鲁 末取得突破。到8 0 年代，f e a l 合金作为一类结构材料得到了广泛的关注和研究，至 今为止人们对f e 舢合金的反常屈服行为引、对其室温脆性9 1 、合金成分的理论设计【1 0 l 、 微合金化对合金性能的影响【1 1 , 1 2 1 以及f e - a 1 合金的制备工剖1 3 , 1 4 等方面已经进行了较 全面的研究。由美国橡树岭国家实验室研究人员开发出的f e 3 a l 合金不仅具有良好的 耐热、耐磨和耐腐蚀性能，其室温延伸率可达1 2 8 【”】，采用快速凝固工艺制粉、热 挤压固结的f e 3 a l 合金的室温延伸率可达1 5 2 0 ，抗拉强度可达9 6 0 m p a 1 6 1 。材料学家 认为，该材料将在航空、化工、核反应堆元件、熔炉高温装置、电磁元件等众多领域 获得广泛应用1 7 1 。 在我国，从2 0 世纪8 0 年代末至1 1 9 0 年代中期，也对f e a 1 金属间化合物的研究投入 了大量的人力和物力。国家科委和相关部门先后把f e a l 金属间化合物的研究列入了 “8 6 3 计划和一系列科研基金计划，使得f e 一舢金属间化合物的研究有了长足进展。 但是，目前对其应用的研究远落后与对其基础理论的研究，使其应用受到了一定程度 的限制。从2 0 世纪9 0 年代中后期，很多研究学者开始关注其使用化研究，并获得了一 些重要的成果。 1 2 1f e 3 a i 金属间化合物的结构及性能特点 表i 1f e a l 的物理力学性能1 1 8 1 t a b l e1 1p h y s i c sa n dm e c h a n i c a lp r o p e a i e so ff e 3 a ! 性能参数 密度儋c m 弓 熔点 临界温度 热膨胀系数( xl o - 6 k ) 导热率( w c m k ) 硬度h r a 断裂韧性，m p a m 1 尼 弯曲强度1 、 p a f e a l 系金属间化合物中受到广泛关注的主要是f e 3 a l 和f e a i ，f e 3 a l 一般是指触 含量在2 5 3 5 a t 的f e a l 合金。 墨一 州 胁 一 = 一 f e 3 a 1 会属问化合物网络结构增强a 1 基复合材料研究 表1 1 【1 8 1 给出- f f e 3 a i 金属间化合物的基本性能。室温下稳定的f e 3 a l 具有d 0 3 有序 结构，空间群为f m 3 m ，随着温度和铝含量的变化该结构会以二级相变的方式向部分 有序的b 2 结构以及无序的q 结构转变。含量为2 5 2 8 a t 的f e 3 a 1 高温时为无序的q 结 构，在7 5 0 9 5 0 c 向b 2 结构发生有序转变，在5 5 0 再次发生有序转变为d 0 3 结构。b 2 超点阵结构是由体心立方的a 2 结构派生而来，g a 2 型和b 2 型单胞沿 1 0 0 、 0 1 0 、 0 0 1 】 方向两两堆放在一起，就构成有序度更高的d 0 3 结构。 1 2 2f e 3 al 金属间化合物的制备 1 2 2 1 铸锭冶金技术 f e 3 a l 合金可采用常规钛合金熔炼工艺生产，如真空白耗电弧炉、非自耗钨电极 氩弧熔炼，高频感应炉及真空凝壳炉熔炼等。日前，双电极氩弧熔炼法、电子束熔炼 法和等离子弧熔炼法己应用于f e 3 a l 合金生产。在采用真空自耗熔炼工艺熔铸大直径 f e 3 a l 合金铸锭时，由于熔炼炉温度分布不均，导致热应力增加，使得合金产生裂纹、 缩孔。日前采用高能输入熔化电极将热量全部引入金属中，可使热裂倾向减小到最小 程度【1 9 1 。 1 2 2 2 粉末冶金技术 粉末冶金技术的采用首先要制备纯度、粒度及性能符合要求的f e 3 a l 粉体，然后 再通过模压、挤压、烧结等手段成型。日前制备f e 3 a l 粉体的办法很多，其主要制备 工艺分述如下。 ( 1 ) 高温自蔓延( s h s ) 合成f e 3 a i 粉体。自蔓延合成技术制成f e a a i 合金后破碎成 粉工艺，简便易行。f e 3 砧合金的s h s 反应分为两个阶段：第一阶段是固相的铁与铝 之间的反应，属固固反应；第二阶段是液相铝和固相铁之间的反应，反应的预加热 温度和燃烧温度均高于第一阶段，属液固反应。 ( 2 ) 机械合金化法。铁粉和铝粉为原料，通过机械合金化制得过饱和固溶体粉末， 通过后续的退火工艺制得f e 3 舢粉体。该法工艺简单成木低廉，对产品的粒度具有可 控性。 ( 3 ) 快速凝固技术制备f e 3 a i 合金粉体。快速凝固制粉方法包括等离子旋转电极法、 凝壳感应熔炼雾化法、电弧熔炼雾化法、高频振动电极法和离心雾化法等。固化成形 方法己有热等静压、轧制、注射成型、爆炸成型等。此方法可以得到细微的合金组织， 可以较大范围地调整合金成分和组织结构，解决近净形成型难的问题。 4 济南大学硕十学位论文 1 3 网络结构增强体的制备工艺及研究进展 连续网状结构增强的金属基复合材料是在2 0 世纪8 0 年代末由日本学者首先提出 并发展起来【2 0 】，系用铸造方法在预制的多孔增强骨架中浇入熔融金属而成，其基本特 征是基体与增强相在整个材料中形成各自的三维空间连续网络结构并且互相缠绕在 起。实际上自然界中大量存在着这种材料，比如骨骼、树木等。在这种复合材料中， 每一种组成相的特性能够被保留，从而为获得具有多功能的复合材料提供了可能。比 如说，增强骨架具有低密度、高弹性模量和高强度的特点，可用来提高耐磨性能或断 裂强度，而金属基体就用来提高导电性或塑性。目前国外主要集中在陶瓷基与聚合物 基复合材料方面，其中对于用金属相来增韧的陶瓷基复合材料，在制备工艺和增韧机 理模型的研究方面人们已经做了比较多的工作1 2 1 。2 4 1 ，它们有时被称作c 4 材料 ( c o - c o n t i n u o u sc e r a m i cc o m p o s i t e s ) t 2 5 1 。 连续网络结构增强金属基复合材料的研究现在还处于起步阶段，国内外的相关报 道比较少，而且相关研究主要以陶瓷作为增强骨架，与传统的复合材料相比，它们具 有更高的机械强度、韧性和耐磨性能【2 6 1 ，显示出网络交叉结构潜在优势。根据这种复 合材料自身的特点，可用于制作结构较为简单、应用环境复杂、性能要求高的部件。 根据使用目的和对材料性能的要求不同，近年来逐步开发出了多种网络结构件的 制备工艺。目前主要有以下方法： 1 3 1 添加造孔剂工艺 该工艺是通过在陶瓷坯料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间， 经过烧结后，造孔剂离开基体而形成气孔来制备多孔陶瓷。采用这种方法可制备出形 状复杂的制品，但是制成品孔洞分布的均匀性较差，难以得到高通孔率的制品，因此 不适合于金属浸渗用陶瓷增强体的制备。其孔径大小一般为o 0 l 1 m m ，孔隙度在0 5 0 之间。 1 3 2 有机前驱体浸渍烧蚀工艺 有机前驱体浸渍烧蚀工艺是s c h w a r t z w a l d e r 在1 9 6 3 年发明的【2 7 1 ，其独特之处在于 它凭借有机泡沫体所具有的开孔三维网状骨架的特殊结构，将制备好的料浆均匀的涂 覆在有机泡沫网状体上，干燥后烧掉有机泡沫体而获得一种网眼多孔陶瓷，多孔陶瓷 体的尺寸主要取决于有机泡沫体的尺寸，该工艺是制备高气孔率( 6 0 9 5 ) 和高通 孔率多孔陶瓷的一种有效工艺，工艺简单，成本低，缺点是制品形状受限制，难以制 s f e 3 a 1 金属间化合物网络结构增强a l 基复合材料研究 备形状复杂的陶瓷件。 1 3 3 发泡工艺 发泡工艺是在陶瓷组分中添加有机或无机化学物质，在处理期间形成挥发性气 体，产生泡沫，经干燥和烧结制成多孔陶瓷，包括网眼型和泡沫型两种多孔陶瓷。与 泡沫浸渍工艺相比，该法更易控制制品的形状、成分和密度，并可制备出各种孔径和 不同形状的多孔陶瓷，特别适合于闭孔陶瓷制品的生产。孔径尺寸一般为o 0 1 - 一2 m m ， 孔隙度为4 0 - 一9 0 。 1 3 4s oi - g ei 工艺 s 0 1 g e l 法已成为制备多孑l 陶瓷的一种非常通用的方法，该法步骤简单，使用范围 广，工艺较成熟，尤其适合微孔薄膜陶瓷的制备。这种方法一般采用无机盐或醇盐作 先驱体，先驱体水解得到溶胶，再在多孔载体上凝结成由m o m 键构成的无机聚合 物凝胶膜，用这种方法制备的多孔材料，孔径可调，经不同后续处理可得到多种性能 不同的多孔材料，但是其生产率低，工艺条件不易控制，制成品孔径尺寸一般为2 1 0 0 m m ，孔隙度为0 9 5 。 1 3 5g e | - c a s tin g t 艺 这种成形技术采用非孔模具，利用料浆内部或少量添加剂的化学反应作用从而使 陶瓷料浆原位凝固形成坯体，获得具有良好微观均匀性和较高密度的素坯，从而显著 提高材料的可靠性。作为制备多孔陶瓷的一种新型方法，悬浮体泡沫化是最经济的， 原位聚合固化形成的素坯具有内部网状结构且强度较高，但是其生产率低，工艺条件 不易控制，制成品孔径可调，孔隙度为0 - 、一9 0 。 1 3 6 等离子活化烧结工艺 这是一种使电流通过试样制备金属、陶瓷和有机物的新方法。通过控制压力、温 度和直流电脉冲能够制备出多孔材料。 1 3 7 反应烧结工艺 反应烧结是粉末混合物发生化学反应的一种烧结工艺，在一些反应烧结工艺中， 坯体的收缩很小有时甚至没有收缩，因此所得制品便是多孔体。利用这种工艺可以进 6 济南大学硕士学位论文 行没有尺寸变化和收缩的近似网状烧结。 1 3 8 热等静压方法 热等静压常用于制备烧结致密材料，它可以消除铸造金属和合金的缺陷。目前的 研究表明热等静压也可以用于制备具有优良性能的多孔材料【2 8 】。在高气压条件下，表 面扩散增强引起烧结致密速率降低，表面扩散使颗粒与颗粒之间的颈部增大，表面积 减少，但不引起坯体的明显致密化。热等静压不但可以提高烧结多孔材料的性能，还 可以消除多孔材料中的裂缝和闭孔。热等静压法是提高多孔材料力学性能的有效方 法。该方法制备的多孔材料相对于传统方法不仅孔径分布较窄而且比较对称均匀，流 通渗透性也较高。 1 3 9 自蔓延高温合成工艺( s h s ) 用燃烧合成技术制备多孔材料的主要过程是放热反应，化学反应释放出来的热量 维持反应的自我进行，合成新物质的同时获得了所期望的多孔材料，包括具有一定形 状的多孔材料，燃烧合成过程总是伴随着烧结现象，烧结体的孔隙度可以达到5 0 以 上，孔径尺寸较小，一般为o 1 o 5 m m 。s h s 与常规方法相比具有反应快、耗能少和 设备投资小等优点，但是其试样的烧结尺寸难以控制。 虽然采用上述方法均可制备出多孔材料，但是作为复合材料增强体用多孔预制体 必须保证具有以下几个特点：第一，较高的通孔率；第二，满足复合材料基本组织及 力学性能要求；第三，与金属或合金熔体具有良好的润湿性。只有满足上述要求的预 制体才能用于金属基复合材料的制备。 1 4 网状结构增强金属基复合材料的制备工艺及研究进展 南昌航空工业学院的尧军平等采用多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂陶瓷浆体，制成坯体 后烧结，制作出孔隙率为近5 5 的通孔率较高的各向同性的三维网络结构。再将z l l 0 2 合金采用压力浸渗技术，在1 0 m p a 压力和6 6 0 - - 7 0 0 c 温度下，压渗成陶瓷网络与铝合 金基体组成的复合材料，并研究了其在干摩擦状态下的滑动摩擦磨损行为2 9 】。 上海交通大学周伟等利用自蔓延高温合成方法( s h s ) 匍j 备t a l 2 0 3 t i c 多孔连通 网络陶瓷骨架，再进行真空高压浸渗纯a l 熔液获得这种复合材料，对整个制各过程进 行了分析研究【3 0 】。 合肥工业大学的董盼等采用有机泡沫浸渗法制备s i c 多孔陶瓷骨架，然后将纯金 属a l 压渗到骨架中，为了改善压渗效果，还对助渗剂进行研究。结果表明，纯金属 7 f e 3 a 1 金属问化合物网络结构增强a l 基复合材料研究 a l 可以压渗进入陶瓷骨架中，使用助渗剂可得到更好的效果【3 1 1 。 上海交通大学的谢贤清等采用非晶碳组成的多孔木质陶瓷为骨架，用真空压力浸 渗工艺制备了w c m s 金属网络互穿结构复合材料，并研究了材料的性甜3 2 1 。 西安交通大学的赵敬忠【3 3 】、v a m d a nm k e v o r k i j a n t 3 4 1 、k k o n o p k a l 3 5 1 等采用半干 压后烧结的方法制备出多孔陶瓷预制体，再采用无压浸渗的方法得到陶瓷增强的a l 基复合材料。 n e c a t a l t i n k o k 等采用化学反应形成气孔的方法制备出多孔的a 1 2 0 3 s i c 陶瓷预制 体，再在氩气保护下将熔融的a l 熔液浸渗到陶瓷预制体中去【3 6 - 3 7 。 d i n g f w ul i i a 等利用添加易挥发物产生气孔法制备得到多孔的a 1 n 陶瓷预制体， 再将陶瓷体浸) k 至l j a l 熔液中，通过自发浸渗得到网络互连的a i n a i 复合材料【3 8 】。 m r o d n7 9 u e z r e y e s 和m i p e c h c a n u l t 3 9 1 等利用熔融浸渍技术将a 1 一s i - m g 合 金渗透到s i c p 多孔陶瓷预制件中，结果表明：熔渗温度和保温时间是影响复合材 料性能最重要的因素。 s f c o r b i na 、x z h a o - j i ea 和h h e n e i n l 4 川等利用熔融浸渍技术将舢_ m g 合 金在n 2 气氛下无压渗透到z r 0 2 多孔陶瓷预制件中，制备出性能优良的复合材料。 合金液和氧化物预形体的复合时间控制熔渗过程，氧化物的不稳定性主要是由m g 、 n 2 气氛、z r 0 2 多孔陶瓷预形体的微观结构决定的。 e p a r r a s m e d e7 e i g o 和m i p e c h c a n u l 3 9 1 等利用无压浸渗工艺制备a l s i c p 复合 材料，主要研究了熔渗温度、浸渗时间、s i c p 粒径大小、预形体的孔隙率和预形体的 层高对制备a 1 s i c p 复合材料的影响。 目前，制备多孔网络结构增强金属基复合材料的方法主要是采用熔体浸渗法，即 先把增强相预制成型，然后将基体熔体倾入，在熔体的毛细现象作用下或者一定的压 力下使其浸渗到预制体间隙而达到复合化的目的。主要有压力浸渗、无压浸渗和负压 浸渗三种方式。一般多采用压力浸渗和负压浸渗。 1 4 1 原位反应自发浸渗工艺 在这种方法里，复合材料组成相的一部分或全部在浸渗过程中由液态金属与增强 相发生原位反应或自身分解生成，其特点是反应生成相与复合材料其它相相容性好， 界面结合稳定。主要方法有氧化法和置换法。氧化法：这种方法的特点是熔融金属浸 渗预制件和金属的氧化同时进行，将预制件放在熔融金属的上面，用氧气或氮气使金 属氧化，氧化的结果是在预制件中生长出与陶瓷金属基体的连接相，制成致密的陶 r 济南大学硕十学位论文 瓷金属复合材料。置换法：预制件与熔融金属在浸渗过程中发生置换反应，从而生 成陶瓷金属基复合材料。 1 4 2 挤压铸造法 通过压铸机将液态金属强行压人预制件中，并在压力下凝固，最终制成复合材料， 由于采用高压浸渗，克服了增强体与基体不润湿的现象，保证了基体与增强体的连接。 挤压铸造法适合于批量高效率生产中，现已成功地用来制造复合材料活塞，它要求预 制体具有一定的机械强度，避免在液态金属压渗过程中变形甚至坍塌。