（环境工程专业论文）玻璃铝基废弃物复合材料的制备及产品开发.pdf

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，重新评价过去研究、开发、生产和使用材料的活动，更新了以前那 种单纯追求高性能、高附加值的材料研究思想而发展既有良好功能，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。金属基复合材料由于其高比强 度、高比模量、高耐磨性、高导热导电性、低热膨胀性以及可设计性等优异性能， 越来越引起人们的关注。目前我国在工业生产、生活中产生了大量的废铝( 如废弃 铝质易拉罐) 和废玻璃，以回收废弃铝质易拉罐和废玻璃为原料，生产玻璃i 铝基 废弃物复合材料坯料，经再升温挤拔生产皮带运输机的托辊，既做到了废弃物的再 生利用，又为材料的发展应用提供了新的空间，具有良好的社会效益和经济效益。 玻璃铝基废弃物复合材料能使原来的这两种废弃物扬长避短，既保留了基体( 铝) 韧性好、增强相( 玻璃) 硬度高的优点，又克服了基体( 铝) 硬度低、增强相脆性 大的缺点，从而使这两类废弃资源的价值倍增。同时用搅拌铸造法制备玻璃铝基 废弃物复合材料更具有成本低、工艺简单的优点。本论文结合复合材料的复合机制， 对搅拌铸造法制备玻璃铝基废弃物复合材料的工艺进行了一系列的理论分析，并 以此为指导，在实验的基础上选择了合适的工艺路线，成功的制备出了一定含量和 粒度的玻璃i 铝基复合材料：并对复合材料的部分机械性能和耐磨性能进行了测 试，并结合复合材料的微观结构、断口形貌等对其耐磨性能和力学性能进行了定性 的分析。 关键词：废弃物：金属基复合材料；半固态搅拌 a b s t r a c t p e o p l e i 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 eai o to fr e s o u r c e sa 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 s ，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 lm a n u f a c t u r ei so n eo ft h em a j o ra c t i v i f i e s ，t h a th a v eh a de f f e c to i l c i r c u m s t a n c ei nr e c e n ty e a r s ，p e o p l eh a v eb e g a 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 ha n d u t i l i z a t i o na g a i ni nt h ev i e wo f l a s t i n gd e v e l o p m e n t w i t l lt h ea d v a n t a g e so fh i g hs p e c i f i cs t r e n g t h ，h i g l l s p e c i f i cm o d u l u s ，h i g hw e a r r e s i s t e n c e ，h i g ht h e r m a la n de l e c t r i cc o n d u c t i v i t ya n dl o wc o e f f i c i e n c eo ft h e r m a l e x p a n s i o na sw e l la sd e s i g n e ds t r u c t u r e s ，m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i f lt h i sf i e l d a t t e m p t sh a v eb e e nm a d et of a b r i c a t et h em a t e r i a l s ，w h i c hh a v eg o o df r a c t u r ea n d d ol i t t l eh a r mt ot h ee 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 ea l u m i n u ma l l o yi n 0 1 1 1 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 mc a n s , i ft h e s ew a s t em a t e r i a l sc a nb e r e u s e dt op r o d u c eg 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 de c o n o m i cb e n e f i t i nt l u sr e s e a r c h ，an e wt 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 o a s sa n dw a s t ea l u m i n u ma l l o y 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 st h eb o t h a d v a n t a g e so f a l u m i n u ma n dr e i n f o r c e m e n tp a r t i c l e s ( g l a s s ) i th a sg o o dh a r d n e s sa sw e l l a sp o s s e s s i n gd u c t i l i t y , i no t h e rh a n d ，t h ef a b r i c a t i n gt e c h n o l o g yo ft h i sm a t e r i a l si sv e r y s i m p l e s ot h ev a l u e o f t h ew a s t er e s o u r c eh a sb e e ni n c r e a s e d f a b r i c a t i n ga l u m i n u m - g l a s sc o m p o s i t eb ys t i r r i n gc a s ti ss i m p l ea n dl o w - c o s t i nt h i s p a p e r , p r o p e rf a b r i c a t i n gp r o c e s si sc h o s e nb a s e do nt h ee x p e r i m e n ta n dt h et h e o r y a n a l y s e s o f f a b r i c a t i n ga l u m i n u m - g l a s sc o m p o s i t eb ys t i r r i n gt e c h n i q u e ，t h e n a l u m i n u m - g l a s sc o m p o s i t ei so b t a i n e d p a r t i a im e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dw e a r a b i l l t yo ft h ec o m p o s i t ea r et e s t e d a s s o c i a t i n g w i t ht h em i c r o s t r u c t u r ea n df r a c t u r es t r u c t u r e ，t h ef a c t o r st oa f f e c tt h ep r o p e r t i e si s a n a l y z e d k e yw o r d s ：、w a s t e s ；m e t a lm a l r i xc o m p o s i t e s ；s e m i s o l i ds t i r r i n g 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不合 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 1 意。本声明的法律结果由本入承担。 学位论文作者签名： 日 期：抽年u 月吵日 关于论文使用授权的说明 本人完金了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复锁手段保存论文。 导师签名： 论文作者签名： 日期：丝型生丝月垡旦 昆明理工大学硕学位论文 第一章绪论 1 1 课题的引入 第一章绪论 1 1 1 材料与资源、环境的关系 1 1 1 1 人类面临的资源环境问题 随着地球上人类生态环境的恶化，保护地球，提倡绿色技术及绿色 产品的呼声日益高涨。从事材料科学及环境科学的学者都发现在材料的 加工、制备、使用及废弃过程中往往对生态环境造成很大的污染，加重 了地球的负担。对材料科学工作者来说，有效地利用有限的资源，减少 材料对环境的负担，在材料的生产、使用和废弃过程中保持资源平衡、 能量平衡和环境平衡，实现对材料科学及技术的可持续发展，是一项义 不容辞的责任。2 l 世纪是可持续发展的世纪。社会、经济的可持续发展 要求以自然资源为基础，与环境承载能力相协调。开发环境友好型材料， 研制环境治理材料，研究环境修复材料和环境替代材料，恢复被破坏的 生态环境，减少废气、废水、固体废弃物对环境的污染。控制全球气候 变暖，减少土地沙漠化，用材料科学与技术为改善生态环境条件努力， 是历史发展的必然，也是材料科学的进步i lj 。 材料是国民经济和社会发展的基础和先导，与能源、信息并列为现 代高科技的三大支柱。在历史上材料曾被作为社会文明进化的标志，材 料既是一个独立的领域，又与几乎所有其他新兴产业密切相关，1 6 世纪 以来，人类经历了两次世界范围的产业革命，每次产业革命的成功都离 不开新材料的开发和利用。现在，人类进入了信息时代随着世界经济 的快速发展和人类生活水平的提高，对材料及其产品的需求臼益增长， 对新材料的开发和应用提出了更高、更迫切的要求，如新型轻质、高比 强度、高比模量的结构材料，超高温和超低温的材料，先进的复合材料， 以及各种具有特异功能的材料i2 1 。对于我国这样一个人口大国，材料产 业历来都被列为国民经济的基础性、关键性的支柱产业之一，并且受到 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 政府的重视并得到了大力的支持，钢铁、有色金属、化工、建材等主要 行业建国以来都得到了迅速的发展。 扶工业产鑫的传统生产流程来看，任何一个有形的杨品，其生产过 程都是一个原料的投入和产品的产出过程，在生产的过程中不可避免要 排放出副产品和废弃物，给环境带来影响，如全球温室效应，臭氧层破 坏，光、电磁、噪声和放射性污染等。从能源、资源消耗和造成环境污 染的根源分析，材拳斗及其制品的生产是造成能源短缺、资源过度消耗乃 至枯竭的主要原因之一。图l 1 是入类面临的资源环境问题示意图【3 1 局部污染6 废弃物问题 全球温度变唾海平面 上升2 0 c m l 矿瓷源枯竭 1 0 0 亿a 垒球显著变暖海平 面上升6 0 e r a 3 图1 - 1 是人类面临的瓷源环境问题示意圈 1 1 1 2 我国的资源环境情况 鼙静，我国资源的主要矛盾袭现在资源供给不能满足经济发展的需 要。一方面，我国的经济规模已居世界前列，发展速度令人瞩目，对资 源的需求已达到前所未有的程度；另一方面现有资源的利用率不高 资源浪费严重，我国的矿产资源及能源结构分布不合理，每万元国民收 入的能耗为2 0 5 吨标准煤，为发达国家的1 0 倍，年耗煤1 0 亿吨以上， 造成能源利用效率低下，环境污染严重，农村7 0 以上居民缺少商品能 源，年耗薪柴2 亿吨以上，使森林资源遭到严重破坏并导致水土流失和 沙漠化等问题。表1 1 我国几种主要原材料2 0 0 4 年产量及世界排序，表 1 2 我国几种原材料的单位国民生产总值资源消耗率与世界平均水平的 2 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 比较 表1 - 1 我国几种主要原材料2 0 0 4 年产量及世界排序 表1 - 2 我国几种原材料的资源消耗率与世界平均水平比较 业 单位g n p 的资源消耗率 世界平均水平 。盟。，魏一曼一旦一曼 3 63 72 42 72 2 l l ll 1 注：资源消耗率是指单位国民生产总值条件下，生产莱种材料的瓷源消耗量与世界平均水平 的比较 除对资源和能源的消耗外，在材料的生产和使用过程中，不可避免 地要向环境摊放大量的各种污染物，主要包括废气、废水和周体污染物， 资料表明。仅2 0 0 4 年我国就有约5 0 0 万吨的废钢铁、2 0 万吨的废有色 金属及1 4 0 0 万吨的废纸废塑料等被废弃排放1 4 。它们对环境产生了很大 的影响。表1 3 是我国工业固体废弃物产量发展趋势。 表1 - 3 我国工业固体废弃物产量发展趋势 年份1 9 8 l 1 9 8 51 9 8 7 工业固体废物，万吨 3 76 6 0 4 61 5 0 5 29 2 0 t1 一t 、- 一_ _ - 二_ ! 塑! 墨磐? 、。2 0 0 ，4 、 6 1 1 2 0 6 93 5 0 1 0 37 7 0 1 1 2 环境材料理论的研究及l c a 评价：方法的引入 关于材料与环境的研究内容，主要包括材料的环境负担性评价技术 及环境性能数据库、资源保护及再循环利用技术、与生态系统协调的材 料和加工技术等【5 】。就我国目前材料生产和环境状况看，环境材料的研 究内容应包括材料的环境性能评价和环境性能数据库；降低材料环境负 担性的工艺和技术，如资源的有效利用和废物的再循环等；开发环境相 昆明理3 ：大学硕士学位论文 第一章绪论 容性新材料和绿色产品；发展环境降解新材料及治理环境污染的高效环 境工程材料等方面。 关于环境负担性的评价技术，除对废气、废液及固体废弃物等单一 影响用单因子评价方法外。用生命周期评估技术( l c a ，l i f ec y c l e a s s c s $ 1 t l e n t ) 评价材料的环境负担性已基本上为科学工作者所接受。l c a 是指用数学物理方法结合实验分析对某一过程、产品或事件的资源、能 源消耗、废物排放、环境吸收和消化能力等环境影响进行评价，定量确 定该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。目前，关于 l c a 的应用主要集中在针对具体的工艺过程、产品或事件进行应用评估 技术研究，以及如何确定被评估对象的边界范围。 1 1 3 开发和生产废弃物复合材料符合当代环境政策 1 1 3 1 废弃物资源化国内外发展动态 资源化是指从固体废物中回收有用的物质和能源，加速物质循环， 刨造经济价值的广泛的技术方法。废弃物资源化主要包括三个方面：处 理废物并从中回收指定的二次物质( 物质回收) ；利用废物制取新形态的 物质( 物质转换) ；从废物中回收能源( 能量转换) 。废弃物资源化是解 决资源日益枯竭，保持资源永续的理想途径，因此，再生资源被视为“第 ：矿业”。工业化高度发达的今天，人们在从事生产生活的过程中，总免 不了会将所用的一部分天然资源作为废弃物丢弃，而生产出来的各种产 品使用超过一定期限就会成为废弃物而被抛弃，所以在当前的生产、生 活中，固体废弃物的产生和废弃有其必然性。 在二十世纪七十年代以前，世界上对于废弃物的对策，还只是停留 存开发处理技术和防止二次公寄的水平上自七十年代以来t 由于能源 危机和资源短缺，以及人们对环境效益、经济效益和社会效益的辨证统 一关系的认识目益深入，世界上对废弃物的对策已由消极的焚烧、填埋 等处理转向了以回收资源和能源为主要目标的资源化方向发展，各工业 发达国家已经形成了新兴的产业一资源再生产业。当今美国把废弃物 资源化作为废物处理的替代方案。日本由于资源贫乏，已将废弃物资源 化列为国家的重点政策之一，并作为当前的紧迫课题加以研究。欧洲国 4 昆明理工大学硕士学位论文 蓥一章绪论 容性新材料和绿色产品 发展环境降解新材科及治理环境污染的高效环 境工程材料等方面。 关于环境负担性的评价技术除对废气、废液及固体废弃物等单 影响用单因子评价方法外用生命周期评估技术fl c a 。l i f ec y c l e a s s e s s q l l e n t ) 评价材料的环境负担性已基本上为科学直作者所接受。l c a 是指用数学物理方法结合实验分析对某一过程、产品或事件的资源、能 源消耗、废物排放、环境吸收和消化能力等环境影响进行评价，定量确 定该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。目前关于 l c a 的应用主要集中在针对具体的工艺过程、产品或事件进行应用评估 技术研究，以及如何确定被评估对象的边界范围。 i i 3 开发和生产废弃物复合材料符合当代环境政策 1 13 1 废弃物资源化国内外发展动态 资源化是指从周体废物中回收有用的物质和能源。加速物质循环， 创造经济价值的广泛的技术方法。废弃物资源化主要包括三个方面：处 理废物并从中回收指定的二次物质( 物质回收) ；利用废物制取新彤态的 物质( 物质转换) ：从废物中回收能源 l p m ) 时，颗粒会促发形核。再结晶复合材料的晶粒尺寸d - b 增 强颗粒粒度d 之间关系为“” 昆明理工大学硕士学位论文第二章复合材料的基本理论和研究动态 d = d ( i v ，) v ， “3 由公式可见v ，增高和d 减小均使d 变小。 ( 4 ) 时效析出相 金属基复合材料的时效析出过程对材料的力学行为影响很大，因而 得到广泛的研究“”。增强相的存在会使时效动力学增强，其原因是热错 配在颗粒与基体界面处产生大量的位错，而时效析出相在这些位错上易 于形核。时效析出行为取决于许多因素，包括基体、加工方法及时效温 度。 2 3 颗粒增强金属基复合材料的强化机制和复合准则 颗粒增强金属基复合材料的增强通常是指弹性模量、屈服强度、断 裂强度和加工硬化率等的提高。其强化机制可归纳为微观力学强化机制 和微观结构强化机制两个方面，下面分别给予介绍。 2 3 1 颗粒增强复合材料的微观力学强化机制 2 3 1 1 颗粒增强复合材料的弹性特性 由于颗粒随机分散在基体中，因此宏观上将颗粒增强复合材料看成 各向同性材料，以最小势能原理和最小功原理可以求得弹性模量的上、 下限值。 2 3 1 2 籁粒增强复合材料的强度 颞粒增强复合材料的强化极理至今仍沿用弥散强化型合金理论，并 且多从位错运动的角度来分析，在剪切应力t 的作用下，位错的曲率半 径r 为 r = g 。b 21 式中g 是基体的剪切弹性模量，b 是位错的柏格矢量。若颗粒之间 的间距为d 。，当剪切应力t 大到使位错曲率半径r = d 。2 时，金属中的位错 发生运动，卸为使金属发生塑性变形，剪切应力必须达到 、 t = g b d 。 颗粒直径d ，体积分数v 。与颗粒问距之间有以下关系； 昆明理工大学硕士学位论文 第二章复台材料的基本理论和研究动态 2 3 2 微观结构强化机制 ( 1 ) 位错强化机制：金属基复合材料在从制备或热处理温度冷却下 来时，因增强相与基体金属间较大的热膨胀系数差异会产生热错配应变。 增强相的加入会引起基体金属的微观结构发生重大变化，如位错密度明 显增加，亚晶尺寸大为减小，由此引起的位错强化是颗粒增强金属基复 合材料的重要强化机制。 ( 2 ) o r o w a n 强化：位错以o r o w a n 机制绕过粒子运动，来增加材料的 强度，只有当颗粒尺寸小于1um 时，这种机制才会起作用“。 ( 3 ) 晶粒细化强化：在热机械加工过程中，颗粒增强金属基复合材 料会发生再结晶，当粒子直径大于lt im 时。粒子会促发形核，形成的晶 粒尺寸为1 1 0 t im ，明显小于增强合金的晶粒。 ( 4 ) 亚晶强化：研究发现“，当颗粒的体积分数与直径之比v ，d 大 于某一i 临界值后，在进行固溶处理时，材料将保持细小的加工结构。 ( 5 ) 加工硬化强化；当复合材料变形时，颗粒不变形，只有基体变 形，界面又不裂开，基体的二次滑移必然集中在颗粒周围，因此增强颗 粒与基体金属界面附近会产生许多位错即二次位错，且随应交增加，位 错密度迅速增大。 应当指出，上面讨论的几种基体微观结构发生变化而产生的强化机 制彼此相互作用，一般不能简单地线性相加“”。另外，在对金属基复合 材料的强度进行预测时，还应考虑热残余应力的作用，因为在基体中， 热残余应力为拉应力，因此会导致复合材料的拉伸强度常小于压缩强度。 有许多人采用上述微观结构机制预测复合材料的屈服强度，预测结果与 实验符合的较好“。 2 4 金属基复合材料的界面理论 界面问题一直是复合材料领域极为重要的研究课题。金属基复合材 料的优异性能除主要取决于各组分的结构和性能外。在很大程度上还受 到界面状态特征的影响。尽管对复合材料界面己进行了大量的研究，但 昆明理工大学硕士学位论文 第二章 复合材料的基本理论和研究动态 由于复合材料界面区结构非常复杂，尺寸非常细小，仅为纳米级，同时 又由于受基体、增强相的成分及表面性质、复合材料的制备方法及对复 合材料所进行的热处理等诸多因素影响，目前对界面的认识还很有限， 难以满足控制界面状况、提高材料力学性能的要求。以下从界面的定义、 结合类型、界面效应、物化性质等方面做些理论介绍。 2 4 1 界面的定义 界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合 的、能起载葡传递作用的微小区域。界面虽然很小，但它是有尺寸的， 约几个纳米到几个微米，是一个区域、一个带或一层，厚度不均匀，它 包含了基体及增强物的部分原始接触面、基体与增强物相互作用生成的 反应产物、基体和增强物的相互扩散层、增强物上的表面涂层、基体和 增强物上的氧化物以及它们的反应产物等”“。 2 4 2 界面的结合类型 颗粒增强复合材料界殛结合机制可分为如下五种： ( 1 ) 机械结合：基体与增强相表面之间的机械咬台，它由租糙的增 强物表面和基体的收缩产生的摩擦力完成。事实上由于材料中总有范德 华力存在，纯粹的机械结合很难实现，应该指出，机械结合存在于所有 复合材料中。 ( 2 ) 溶解和润湿结合：基体与增强相表丽之间发生润湿( 接触角 9 0 。) ，并伴随一定程度的相互溶解而产生的一种结合方式。这种结合靠 原子范围内电子的相互作用产生的，因此要求复合材料各组元的原子彼 此接近到几个原子直径的范围内才能实现“。 ( 3 ) 反应结合：基体与增强相发生化学反应，生成新裰。 ( 4 ) 交换反应结合：基体与增强物之问，除发生化学反应，在界面 上形成化合物以外，还通过扩散发生元素交换的一种结合形式。 ( 5 ) 混合结合；这是一种最重要最普遍的结合，因为在实际情况中， 经常会发现界面是由几种方式联合起作用。本课题中玻璃颗粒与铝液的 结合形式也属于混合结合形式。 垦塑矍三查堂堡主堂堡堡塞 苎三童 墨垒塑整盟量查堡堡塑婴塑垫查 2 4 3 界面效应 ( 1 ) 传递效应：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体 和增强物的桥梁作用。 ( 2 ) 阻断效应：结合适当的界面有阻止裂纹发展、中断材料破坏、 减缓应力集中的作用。 ( 3 ) 不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出 现的现象，如耐磨性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。 ( 4 ) 散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面上 产生散射和吸收，如透光性、隔热性、耐机械冲击和耐热冲击等。 ( 5 ) 诱导效应：一种物质( 通常是增强物) 的表瓤结构使另一种( 通 常是聚合物基体) 与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生变 化，由此产生一些现象，如强的弹性模量、低膨胀性、耐冲击性和 耐热性等。 2 4 4 界面物化性质 2 4 4 1 润湿现象： 为了使液态蒸体能很好润湿固态增强物，必须尽可能增大固体的表 面张力和减小固一液界面张力，对于金属基复合材料可以采取下列措施来 改善金属基体对增强物的润湿“；本实验的浸润性与液态金属铝的表面 张力有关，二者之间的接触角表示液态金属与增强物之间的浸润角，浸 润角大于9 0 。，液体不润湿固体，浸润角小于9 0 。，液体与固体润湿。 为减少金属铝与玻璃增强物之间的接触角，采用铝液中加入适量结晶硅， 生成铝硅合金的方法，可在保持铝原有强度和韧性的同时，可降低铝液 表面张力。有效改善金属铝液体与玻璃粉颗粒的浸润性。生成铝硅合金 液，有利于液固两相温度的确定。一般有以下措施来提高润湿性“： ( 1 ) 改变增强物表面状态和结构：即对增强物进行表面处理，包 括机械、物理和化学清洗，电化学抛光和涂覆等。 ( 2 ) 改变金属基体的化学成分：最有效的办法是向基体中添加合 金元素。 ( 3 ) 改变温度：通常升高温度能减少液态基体与固态增强物的接 昆明理工大学硕士学位论文第二章复合材料的基本理论和研究动态 触角，改变润湿性，但温度刁i 能过高，否则将促进基体与增强物 之间的反应，影响复合材料的性能。 ( 4 ) 改变环境气氛：固体或液体表蘑吸附不同的气体也畿改善其 润湿性。 ( 5 ) 提高液相压力：提高液相压力也能改善其对固体的润湿性。 ( 6 ) 采用超声波：可以改善液体金属对固态增强物的润湿性。 2 4 4 2 基体与增强物的化学相容性 金属基复合材料大都在较高的温度下制造，温度范围通常稍低于或 稍高于基体的熔点，或者在基体合金的固相线和液相线之间，因此基体 和增强物之间的相互作用往往不可避免，生成严重影响复台材料性能的 化合物”“，这就是基体与增强物的化学相容性问题。它包括热力学相容 性和动力学相容性两个方面。 热力学相容性：决定热力学相容性的关键是温度，热力学相容性温 度比较直观，可由相图得到。但遗憾的是，比较有前途的复合材料体系 的相图很少，而且很多基体本身就是很复杂的台金，所以很具体的复合 材料体系中相容性问题只能通过实验得到解决。 动力学相容性：由于绝大多数而黾很有应用前景的复合材料体系热 力学上不相容，人们致力子减慢基体与增强物之间的相互作用速度的研 究，达到动力学相容性，得到了有实际应用价值的金属基复合材料。复 合材料各组分之间发生相互作用可能有两种情况“”：生成固溶体和生成 化合物。 2 4 4 3 基体与增强物的力学相容性 增强物在弹性性能上( 泊松比和弹性模量) 上与基体相比有很大的 差别，因此在弹性范围内在纵向载荷作用界面除了轴向应力外还产生径 向应力和环向应力妇“。另外由于增强物和基体的热膨胀系数不匹配，在 界面上还会产生残余应力，这就是基体与增强物的力学不相容性，这种 不相容性会影响复合材料的性能。 2 4 4 4 金属基复台材料的界面设计 为了得到性能优异且满足各种需要的金属基复合材料，需要有个 昆明理工大学硕士学位论文 第二章复合材料的基本理论和研究动态 合适的界面，使增强物与基体之间良好的化学和力学相容性。大多数金 属基复合材料中基体对增强物的润湿性不好，必须设法改善，一个理想 的界面应是“：从成分上和性能上由增强物到基体逐步过渡的区域， 它能提供增强物与基体之闻适当的结合，以便有效传递载荷：它能阻 碍基体和增强物之间过分的化学反应，避免生成过景有害的脆性化合物： 通过控制工艺参数达到合适的界面结合强度，满足各种性能的要求； 过渡层与基体接触的外层应能被液态基体很好润湿。在理论上可以对 各种金属基复合材料体系设计各自的有效的多功能梯度涂层，其中有些 已在或正在实验室中实旅，其实质是连续改变基体和增强物的组成和结 构，使其内部界面消失，从而得到功能相应于组成和结构的变化而缓变 的非均质材料，以减少和克服结合部位的性能不匹配因数。 2 4 4 5 界面对金属基复合材料性能的影响 界面结构对复合材料的性能影响极大：对反应结合界面，通常不希 望增强相有过多的反应发生，因为化学反应会使增强相的强度降低。同 时也不希望在基体中形成脆性反应层，因为这会为微裂纹提供萌生和扩 展源，导致基体被破坏。若在界面形成薄而光滑的界面反应层，则适 于保持增强相的强度，已有不少研究工作提出各种对增强相表面作涂层 处理的工艺“”，使涂层既改善了界面润湿性又起到反应阻挡层作用，达 到一定效果，其中复合梯度涂层能起到良好的综合作用，但这种方法工 艺复杂，难以大量应用。界面结合强度也对复合材料产生很大的影响， 因为界面具有双层作用。一方面起到传递应力的作用，使增强体承担主 要载荷 另一方面又以界面脱粘和增强体的拔出方式来使裂纹偏转和吸 收能量。复合材辩也存在着界面残余应力，它对性能有影响，鉴于对 界面结合强度和残余应力的认识上存在困难，使得在界面状况对力学性 能的影响问题上，只能停留在定性或半定量的水平，因而目前也就无法 进行真正意义上的界面设计。 垦里堡三查兰堡圭塑丝塞 整三童塑塾塑墨塑堇墨鱼塾整塑! ! 鱼查鲨尘塑 第三章颗粒增强铝基复合材料的制备方法介绍 3 。1 铝基复合材料的发展 铝基复合材料具有密度低、重量轻、比强度高、热膨胀系数低、热 稳定性高、有良好的导熟性和导电性、基体合金选择范围广、可热处理 性好、制备工艺灵活的等许多优点，成为金属基复合材料发展和研究的 主流。当前铝基复合材料的研究集中在两个方面：( 1 ) 采用连续纤维增 强的具有优异性的复合材料，其应用范围集中在很特殊的领域，如航空 航天领域。( 2 ) 采用非连续增强体增强的具有优良性能的复合材料，其 应用范围相当广泛，非连续增强体增强的铝基复台材料具有制备工艺简 单、增强体成本低廉优点，实现工业化大批量生产的潜力巨大，因此成 为铝基复合材料的发展研究的重点。 3 2 颗粒增强铝基复合材料的制备方法介绍 颗粒增强铝基复合材料的制各方法主要有固态法、液态金属法和自 生成法。固态法是将金属铝粉末与增强物按设计要求以一定的含量、 分布、方向混合排布在一起，再经加热、加压，将铝基体与增强物复合 粘接在一起，形成复合材料，有粉末冶金法、热压法等。液态金属法 是金属铝基体处于熔融状态下与周体增强物复台在一起的办法，液态法 又可分为液态搅拌法、液态挤压法及半固态搅拌法等。自生成法是通 过加入反应元素，或通入反应气体在液态金属内部反应，产生微小的固 态增强相，生成复合材料，但是到目前为止，还难于找到一种工业化生 产的制备方法。为制得优质的玻璃铝基废弃物复合材料。寻求最佳的材 料制各技术，以利于辊筒产品的工程化，以下将对上述的几种方法进行 介绍和比较。 昆明理工大学硕士学位论文 第三章颗粒增强铝基复台材料的制备方法介绍 3 2 1 固相工艺( 粉末冶金法) 粉末冶金法是将增强体颖粒与铝基体粉末混合均匀，然后对粉末混 合物真空去除空气，去除易挥发的物质，最后在适当的条件下烧结成粉 末冶金制品的复合方法。粉末冶金法的最大优点是：增强体含量可随意 控制，且分布较均匀。同时通过工艺参数调整，使界面反应控制得当。 用粉末冶金法制成的玻璃铝基废弃物复合材料的性能可按应用要求进 行设计，通过改变玻璃约形状、大小、数量和其他工艺参数，在很大范 围内进行调接。 工艺流程为：将铝粉、玻璃粉及成型剂的粉末混合均匀，装入模壁 涂有脱模剂的模具内，对混合体进行施压。在一定压制压力下，粉末混 合体就密实成具有一定强度和尺寸的坯块。随后脱模、烧结，即得产品。 用粉末冶金法生产玻璃铝基废弃物复合材料，复合材料的玻璃含 量高且分布均匀，具有良好的耐磨性能和一定的机械性能，可以作为产 品开发的个可供选择的方向。 3 2 2 液相工艺 液态法是指铝基体以液态形式与增强颗粒复合。这类方法的共同特 点是金属处于熔融状态，流动性好，液态铝容易填充到增强物的周围， 增强物也容易分散到液态金属中，并且还可采用传统的冶金工艺，能实 现批量生产。 ( 1 ) 真空压力浸渍法：是采用高压惰性气体，在浸渍炉内，将液态金 属铝压入由玻璃颗粒增强物制成的预制件中，制备出玻璃铝基废弃物复 合材料。其工艺路线包括预制件成型工艺、复合材料成型工艺、挤压工 艺。用这种办法可以制备高玻璃含量的玻璃铝基复合材料，但其拉伸强 度较差，综合性能不好，工艺复杂，不利于大规模工程化开发。 ( 2 ) 挤压铸造法：是先将玻璃颗粒制成具有一定孑l 隙及形状的预制 件，然后通过压力机将液态金属铝强行压入预制件中，在压力下凝固成 复合材料在挤压铸造法中预制件的制造是其中的关键，预制件需要一 定的机械强度，蛆避免在液态金属铝压渗过程中变形，造成增强物分布 不均匀而影响复合材料的性能。制备工艺路线为：见图3 一l 挤压铸造 法中预制件的制备工艺 昆明理工大学硕士学位论文 第三章颗粒增强铝基复合材料的制备方法介绍 图3 一l 挤压铸造法中预制件的制备工艺 挤压渗铝时，模具预热温度高，可提高铝液的流动性，有利于铝液 的渗入，但预热温度过商，将导致预制件产生较大的收缩变形，同时对 摸具的要求较高，温度过低，铝液渗入阻力增大，流动性降低，铝液在 渗入过程中甚至会凝固，导致复合材料产生缺陷，因而选择合适的模具 预热温度是蕈要的。挤压渗铝时，尽可能采用慢的加压速度，加压速度 快，会对预制件造成冲击，可能导致预制件产生裂纹甚至破坏，预制件 内的气体也不能及时排出，这对复合材料的性能是极为不和的；保压的 目的是使铝液能充分渗入预制件中，同时使铝液在压力下凝固，提高材 料的致密度，消除材料中的缩孔、气 l 等缺陷，因此必须确定合适的保 压时间，如时间过短，剥达不到上述效果。研究结果表明：就材料的制 备工艺技术而言，采用液态挤压法制备玻璃铝基复合材料是完全可行 的，它可以制各玻璃含量很高的复合材料，且材料强度高，致密性好。 但对于工业化生产来说，主要困难是预制件制作周期长，因此此方法也 未选用。 3 。2 3 双相工艺 3 2 3 1 半固态金属加工的概念 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院d b s p e n c e r 等研究人员在自 制的高温粘度计中测量s n 一1 5 p b 合金高温粘度时，发现了金属在凝固过 程中特殊力学行为，如金属在凝固过程中进行强烈搅拌，即使在较高固相 体积分数时，半固态金属仍只有相当低的剪切应力，这种特殊性能是由 昆明理工大学碗士学位论文 第三章颗粒增强铝基复台材料的制备方法介绍 于基体中存在奇特的球形微粒结构。美国麻省理工学院的研究人员很快 意识到金属凝固的这一特征将具有许多潜在的利用价值，髓即对此进行 广泛深入的研究，并发展成为半固态金属加工技术( s e m i - s o l i dm e t a l f o r m i n g ) 。金属在凝固过程中进行剧烈搅拌，或者通过控制固一液温度区 间，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一种固相组分的周液混合浆料 ( 固相组分甚至可高达6 0 ) ，这种半固态金属浆料具有流变特性( 具有 很好的流动性) 。易于通过普通加工方法制成产品，采用这种既非完全液 态，又非完全固态的金属浆料加工成型的方法，就称为半固态金属加工 技术。 3 2 3 2 半固态金属加工的工艺过程 ( 1 】介绍几种搅拌法 半固态金属浆料坯体是通过流变铸造的方法制备的，为了使金属浆 料具有流变性，搅拌技术是关键。通常有机械搅拌法、电磁搅拌法、应 变诱发熔化激活技术、喷射成型法、紊流效应法，以下分别介绍。 机械搅拌法：是最早采用的方法，其设备构造简单，它可以控制 搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝状晶体破碎而成 颗粒结构。机械搅拌装置一般分为连续式和间歇式两种。采用机械搅拌法 可以获得很高的剪切速率，有利于形成细小的球形微观结构“。其缺点是 坩埚倾转前需将搅拌桨从合金液中取出，金属液的粘度会因为停止搅拌而 上升：搅拌腔体内部往往存在搅拌不到的死区，影响了浆料的均匀性；搅 拌桨片的腐蚀问题以及它对半固态金属浆料的污染。 电磁搅拌法：按金属液的流动方式来分，一种是水平式，即感应 线圈平行于铸型的轴线方向；另一种是垂直式，即感应线圈与铸型的轴线 方向垂直，一般影响电磁搅拌效果的因素有搅拌功率、冷却速率、金属液 温度、浇注速度等，通常认为，直径大于15 0 n 的铸坯不宜采用电磁搅拌 法生产1 。 应变诱发熔化激活技术：先将合金原材料进行足够冷变形，然后 加热到半固态，在加热过程中，先发生再结晶，然后部分熔化，使初生 相转变成颗粒状，形成半固态金属材料，该法已成功应用于不锈钢、铜 合金等较高熔点合金，但由于增加了预变形工艺使生产成本提高，与电 磁搅拌法相比，它仅仅用于生产小直径坯料。 昆明理工大学硕士学位论文 第三章颗粒增强铝基复台材料的制备方法介绍 喷射成型法：也称为o s p r e y 喷射成型法。金属熔化后，雾化为 熔滴颗粒，在喷射气体作用下部分凝固的颗粒直接沉积在收集板上，当 每个熔清的冲击能够产生足够的剪切力打碎熔滴内部形成的枝晶时，凝 固后便成为颗粒状组织，经加热到局部熔化时，也可得到具有球形颗粒 固相的半固态金属浆料。 紊流效应法：金属液通过特制的多流装置时，使金属液的流动产 生紊流效应，打碎形成的枝晶，因此获得具有流变特性金属浆料的方法。 ( 2 ) 半固态搅拌法( 流变铸造r h e o c a s t i n g ) 半固态搅拌法是在半固态金属熔体中进行，通过可以调速的搅拌桨 在金属铝熔体中做高速旋转，形成以搅拌旋转轴为对称中心的旋转涡流， 将增强颗粒加到旋涡中，依靠旋涡的负压抽吸作用，增强颗粒逐渐混合 进入金属熔体中，并与其复合在一起。 3 4 小结 通过比较选择，本实验采用半固态搅拌这一工艺适合本实验复合材 料的制备。 工艺路线为：通过控制温度把金属铝熔体中的固相金属粒子控制在 一定范匿内，再通过机械搅拌获得很高的剪切速率，形成细小的球形微 观结构，形成半固态组织。这时加入的玻璃增强颗粒在半固态的铝液中 与固相铝离子相互碰撞、摩擦、促进与液态铝的浸润复合，在强烈的搅 拌作用下，逐渐均匀地分散在半固态的熔体中，形成均匀的玻璃，铝基废 弃物复合材料。 昆明理工大学硕士学位论文 第四章玻璃储萋废弃物复合材料的制备 第四童玻璃，铝基废弃物复合材料的制备 4 1 实验材料 4 1 1 实验材料选择的理论基础 4 1 1 1 基体的选择 材料的使用要求是基体金属的首要条件，金属基复合材料的组成特 点也是在选择基体金属时需要考虑的重要因素，在连续纤维增强的金属 基复合材料中连续纤维是主要承载相，基体金属的作用是固定纤维， 传递载荷，此时基体金属的塑性以及它与增强纤维的相容性是选材的重 要依据，基体金属的强度的次要的；而对于非连续增强金属基复合材料， 基体是主要承载相，基体的强度成为选择基体金属的重要依据。在铝基 复合材料中纯铝和铝合金都可以用做基体，其中以铝合金居多，经过多 年的研究狂发展，铝舍金已经成为较为成熟的合金体系，如当要求材料 具有良好的耐磨性、导热性及低的热膨胀系数时，基体为a 1 s i ：为了进 一步减轻零部件重量，可考虑a 1 l i 合金作为基体；为了提高材料的高 温性能，可以选用a 1 f e 系台金“。 4 1 1 2 增强体的选择 金属基复合材料正是由于增强体的加入并与增强体良好复合才具有 比普通金属更高的性能，因此增强体的选择非常重要。按增强体的形态， 可分为纤维、颗粒、晶须三种类型，三种类型的增强体在铝基复合材料 中都有应用。连续纤维增强的铝基复合材料的研究开展最早，且材料的 性能优异，但由于连续纤维的成本高，材料的制备工艺复杂、可加工性 差等原因，限制了它的发展和应用；非连续增强金属萋复合材料的增强 体包括颗粒和晶须，该种复合材料具有制备成本低、可采用常规冶金加 工方法制造、材料具有各- 向同性、二次加工性能好等优点，宣实现工业 垦堕些三盔塑主堂垡堡塞第四章玻璃偈基废弃物复台材料的制鲁 g p a g c m 3 k 。1 j k g 一1 k s i c4 2 0 4 5 03 2 l4 3 x 1 0 6 ：8 4 0 a 】2 0 ， 3 8 0 - 4 5 039 6 7 ，0 x 1 0 。61 0 5 0 b c4 4 82 5 235 1 0 。6 s i 0 2 7 42 3 21 02 1 0 。5 奠氏 0 1 7 92 0 2 5 9 0 2 l ( 1 ) 选取原则：作为结构材料时，增强体应具有高强度、高弹性模 量、低密度等性能；作为耐磨材料时，硬度、耐磨性是主要选取依据， 月对增强体应具有良好豹化学稳定性，与金属基体有良好的浸润性，以 保证增强体与基体金属良好复合和分布均匀，目前常用的增强材料是 s i c 和a 1 2 0 3 。 ( 2 ) 玻璃颗粒作为增强相：玻璃是一种陶瓷材料，具有非晶态结构： 其所具备的高硬度、优良的抗腐蚀性和高化学稳定性是本实验选择它的 理由之一。玻璃的主要化学成分是s i 0 2 ，其球磨后粉末为硬度高、比重 小、热膨胀系数低的硬质点颗粒，它可以作为复合材料的增强体。 ( 3 ) 每年产生的大量无法处置而占用土地废弃玻璃，是促使再生利用 其的最大动力。 综合以上原因，本实验选取废玻璃作为铝基复合材料的增强体