（材料加工工程专业论文）altio2x及alfe2o3系原位反应合成复合材料的研究.pdf

东南夫学博士学位论文 摘要 本文系统分析了a 1 啊o ，一x 系的热力学、动力学，结合m e r z l l a n b v 热力学判据和x d 原位反应法的特 点选择合适的增强相体积分数，成功制各了体积分数分别为3 0 和4 0 的a 1 啊o z x 系铝基复合材料，系 统分析了反应产物的微观结构及其与基体的界面结构。建立了a 1 0 ：基本反应系的动力学模型，并系统 分析和研究了该系复合材料的常温和高温力学性能，常温和高温磨损性能及其增强机理和磨损机理。同时 还运用a 1 f e ，o ，反应系成功制备了铸铁管陶瓷内衬，并初步探讨了该系的反应机理和陶瓷内衬铸铁管的隔 热性能。 系统计算了舢巧o ：一x 系反应热力学，计算表明该系中各反应均能自发进行，理论燃烧温度t 。d 均超 过m e r z l l a n o v 反应自我维持的1 8 0 0 k 判据值。在增强相体分数为3 0 、4 0 时，理论燃烧温度在1 8 0 0 k 左右，结合原位反应法的特点，理论上可制备增强相体积分数为3 0 和4 0 的铝基复合材料。 系统摸索了面o ：x 系合成铝基复合材料的制各工艺，得出一套较为合理的工艺参数。并在此 基础上成功地制备出了体积分数分别为3 0 和4 0 的铝基复合材料。特别是通过工艺探索发现1 ) 在理论 燃烧温度低于m e r z h a n o v 判据值时可通过提高升温速率来保证反应正常进行。2 ) 在理论燃烧温度高于 m e r z h a n o v 判据值时，升温速率太低仍不能使反应正常进行。3 ) 一般在增强相体积分数低于1 0 时，即 使提高升温速率也难以保证反应正常进行。 运用t e m 、s e m 、e d s 、x r a ”金相等手段系统分析和鉴定了a 1 面0 2 x 系各反应系的反应产物： 舢，0 3 、m 、m b 2 、币c ，及其微观结构和界面结构。首次发现： 1 ) 2 0 3 晶粒在两个晶面( 1 1 1 ) 和( 1 1 2 ) 上发生孪晶，孪生方向分别为【1 1 2 】和 2 2 l 】。a 1 2 0 3 与基 体不润湿不存在位向关系，不能成为铝基体结晶时的核心。一般偏聚在基体颗粒的界面，为稳定的a 型 结构。 2 ) 啊b z 与铝基体存有以下位向关系： 【j 3 t 】a f ，【0 0 1 】m 2 ，( 2 0 孔f 6 4 0 k 2 它可以成为铝基体结晶时的核心，细化基体晶粒，同时又可使舢：0 3 的分布均匀性提高。 3 ) 在a 1 n o ：一x 系中棒状物a 1 小的量随n 0 2 摩尔比的提高而逐渐减少，在摩尔比为一定值时， a l m 基本消失。 4 ) 有的，n 贯穿于多个基体颗粒，并在基体中的均匀分布。在a 1 啊o ：系中，a l m 的形貌随增强相 体积分数的提高由细长形向粗短形演变。 5 m c 在基体中的分布均匀，与基体的共格性好，有的被基体润湿，能成为基体结晶时的外来核心， 基体晶粒明显细化。 通过动力学分析与计算获得耶o ：x 系各反应的反应活化能，以及各反应系的燃烧稳定化系数。建 立了a l 一o ：x 反应系中最基本的a l 一面0 ：反应动力学模型，并分析和研究了其主要影响因素。结果发现 液态a i 首先与分散在基体中的玎o ：颗粒接触在1 0 0 0 k 左右时发生液固化学反应，生成热力学稳定的a l ：o ， 和活性的t i 原子，由于舢2 0 ，与液态a l 的不润湿性，偏聚于反应界面，而活性钛原子则在高温和浓度梯 度的作用下穿过反应界面进入基体a l 液中，随着反应的进行，反应界面逐渐减少，同时界面处的a 1 2 0 3 颗粒增加，n 原子的扩散阻力增加。该系的其它反应均是在其基础上进行的。 力学性能研究发现： 1 ) 常温下该系复合材料的力学性能与基体相比提高3 5 倍，同一反应系中其力学性能随) 师0 2 摩尔 比的提高而提高，般在1 8 3 0 ，与此同时延伸率均随之增加，增幅在3 0 1 5 0 。当啊0 2 一x 系列中有棒状物时，断口表现为棒状物的解理断裂以及等轴细小韧窝：无棒状物时，断口则为均匀而细小 的等轴韧窝，断裂为韧性断裂。 2 ) 高温下7 2 3 k 时，该系中材料的最低的抗拉强度仍达8 0 m p a ，延伸率提高近一倍。当材料中有棒状 物时，断口表现为棒状物从与基体中结合相对弱的一侧拔出形成的洞坑以及等轴韧窝；当材料中无棒状物 时，断口表现为均匀细小韧窝，并随试验温度的提高韧窝变浅、变大。 3 ) a 】啊0 2 一x 系中未加组元x 时，复合材料的强化机制为位错塞积强化+ 弥散强化，而加入组元x i 东南大学博士学位论文 后，强化机制为位错强化、奥罗万强化、细晶强化三种机制的组合。 磨损试验表明： 1 ) 常温下在相同条件时，a 1 面0 2 系耐磨性最差，磨面易出现垂直于滑行方向的微裂纹。伽m 0 2 一c 系、a l 一0 2 b ：o ，c 系、a i 面o ，b 2 0 3 系耐磨性依次提高。增强相中朋，1 i 在亚表层区受弯曲应力，易产生 微裂纹，在接近磨面表层时碎裂成磨粒，对基体产生犁削作用，对耐磨性的提高不利；而啊c 、r n b 2 尺寸 细小，分布均匀，可细化基体，改善组织分布，对提高耐磨性有利。 2 ) 一o ：x 系) ) 合成的铝基复合材料的磨损量与滑动速度的变化规律相似，室温时磨损量的峰值 发生在o 9 州s 左右，试验温度提高时，该峰值将向速度减小的方向移动。 3 ) a i 一面0 2 一x 系铝基复合材料的显微组织总体上可分为三种类型：1 ) 偏聚颗粒a 1 2 0 3 + 棒状物娟； 2 ) 均匀颗粒+ 棒状物a l 扭；3 ) 均匀颗粒。磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损和粘着磨损的组合。第一种 类型：磨损以磨粒磨损为主，粘着磨损、氧化磨损为辅。第二种类型：磨粒磨损减弱，粘着增强。第三种 类型：磨损以粘着磨损为主，磨粒、氧化磨损为辅。 成功地运用原位反应技术在铸铁管中生成陶瓷内衬。摸索发现较佳的添加剂为s i 0 ：，并得出陶瓷层的 厚度和反应时熔池的移动速度与添加剂加入量的变化规律。 通过陶瓷内村铸铁管的隔热性能研究得出： 1 ) 陶瓷层的阻热效果明显，在s i 0 2 添加量分别为5 、l o 、1 5 时，管表面温度与纯铸铁管相比 分别下降了2 3 6 、3 2 7 和4 1 4 。 、 2 ) 陶瓷内衬铸铁管的隔热效果随管中心温度的提高而下降，随添加剂s i o ：的增加而增强。 关键j 同：原位反应，热力学、动力学、摩擦磨损、界面结构、陶瓷内衬 东南大学博士学位谁文 a b s t i a c t 1 1 1 em e n o d y 曲血c sa n db n e t i c so f t h ea i - 币0 2 一xr e a c t i o ns e d e sw e r ea n a l y z e ds y s t e m 撕c a l l y 柚dt h e 舢- b a s e dc o l 口o s i t e s 、v i t hs l l i t a b l ev o l u m ef r a c t i o n so f3 0 a n d4 0 r e i b r c e m e n tw e r e f a b r i c a t e ( is u c c e s s 如i l v b a s e du d o nt h ec h a j a c t e r i s t i c so f x dm e t h o d t h em i c r o s t r u c t l l r e sa di n t e r f h c e sb e t w e e nt h er e i n f b r c e m e n t sa n d t h em a t r i xw e r ea l s os t i l d i e db yt e mr e s p e c t i v e l y ak i n e t i cr e a c t i o m o d e lo fa l - n 0 2f e a c l i o ns e d e sh a sb e e n p r o p o s e d t h em e c l l a n i c a lp r 叩e 而e s a | 1 dw e a rr e s i s i a n c ep m p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sw e r et e s t e da 1 1 da l l a l y z 酣a t a m b i c n ia n de l e v a t e dt e m p e r a i u r e s ，r e s p e c l i v e l y ta n dt l l ec o n c e r n e dm e c h a i l i s m sw e r ea i s os t u d i e d a p a r tf r o m 也e s er e s e a r c hw o r k s ，l h ec e r a m i cl i e di r o nc a s tt i l b e sw e r ef a b r j c a t e db ys h s w e i g h ts 8 p a r a t e dm e t h o d ，a n dt h e f e a c t i o nm e c h a n i s ma n dt h ec o n d u c t i v i t yo ft h et u b ew e r e p 五蚴r i l yc o n d u c t e da n ds h o w na tc h e 丘n a lp a r to ft h i s 。 d i s s e n a o n t h em e 皿o d y n a i i l i 匹o fa l 一币0 2 一xs e r i e sw e r ec a l c i i l a t e ds y s t e 衄石c a l l 弘t h er e s u l t sd i s p h y e dt h a ta i l t h e r e a c 石o n so ft h o s es e r i e sc a nb er e a c c e ds p o n t a n e o u s l y w h e nt 1 1 er e i f o r c e m e n tv o l u m e 抽c 廿o n sa r em o r et h a n 4 0 ，t h et h e o r e 虹c a lc o m b u s o nt e m p e r a t u r e so fe a c hr e a c t i o ns y s t 咖w e r eh i g h e rt h a t h e v a l u eo fm e r z l l a n o v m l ew h i c hi sa b o u t1 8 0 0 kt h e r e f o r e ，t l l ea l u m i n u mm a t d xc o p o s i t e s 喇t hm o r et h a n4 0 v o l u m e 盘a c t i o n so f r e i 时o r c e m e n t s 啪b ef a b r i c a t e db ym5 ms y l h e s i z e dm e t h o d i ft h ef r a c d o ni ss m l l e rt h a n4 0 ，t 1 1 et h e o r e t i c a l c o m b u s t i o nt e m p e r a t l l r e 谢1 lb el e s st h a l l1 8 0 0 k ，a n dt h ec o m p o s i t e sw i t h3 0 a n d4 0 v o l u m e 如c t i o 璐c o u l d a l s ob et l l e o r e i i c a l l y 妇b i i c a t e db yx dm e t h o d w i l ht h eh e l po f p f o m d t o dh e a t i n g a t e i nt h i st l i e s 遣8p r o p e rt e c h n i c a lp i 。c e s sw a 5p r o b e df o rm 8p r e p a r a t i o o f a l 删n 岫m a 砸xc o m p o s i t e s 谢t h 3 0 o r4 0 r e i n f o i c e m e n t ss u c c e s s f u l l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t l ) w h e nt h et l l e o f e t i c a lc o m b i l s t i o nt e m p e t a t l l r e w a sl e s st h a 1 8 ( i o k 也et c t i o n 。0 u l db ep r o v o k e db yi m p r o v i “gt h eh e a t i n gn t e 2 ) w h e n 恤eh e a t i n gi a t ew a 5 l e s st h a nac r i t e r i o 珥t h er e a c t i o nc a nn o tb ep r o d u c e d ，3 ) w h e nt h er e i n f o r c e m e n t sv o l l l i i i ef r a c t i o n 、v a sl e s st h a n 1 0 ，t h ee o p l o s i o nr e a 嘶o n w a sn o ta b l et ob ea c t i v a i e db yp r o m o t i gt 1 1 eh e a t i n gr a t e t h em i c r o s t r u c t i l r e so fr e a c t e di e s u l t sa n di h ei n t 曲c es t m c m r e sb e t w e e nt l l er e j n f o r c e m e n t sa n dt h e 瑚t r i x w e r es t u d i e db ym e a n so fo p 廿c a lm i c m s c o p 蕾，s 龃衄i n ge l e c t o nn c m s c o p 器( s e m 工t 瑚i l s i l l i s s i o e l e c t r o n m i c m s c o p e s ( t e m ) ，x r a yd i m a c t o m e t e r ( x r d ) ，e e r g yd i s p e r s i v 。s p e c t m s c o p y ( e d s ) a ds oo n f 6 rt h ef i r s t t i m e i ts h o w e dt h a t 1 ) t h e r e w e r e 呻o t w i nc r y s t a l p l a n 岛i 旦t h ea 1 2 0 3 蚵c h w e r e ( 1 1 1 ) a n d ( 1 1 2 ) a n d m e 储i nd i r e c t i o s w e r e 【1 12 】a n d 【2 2 1 】，r 8 s p e c v e l y n e i l h e rc r y s t a l l o g r a p h i cr e i a t i o n s 蚯芦n o ra n yw e t t a b i l i t ye x i s t e db e m e e na 1 2 0 3 a n da l u m i n u mm a t r i x a i l dt h ea 1 2 仉g r a i n so fs 诅b l es t n l c t i l r e ( a ) c o u l dn o tb en u c l e l l s e so ft h em a t r i xd u d n g t h es o l i d i f i c a 廿o na d n o 舢l l ys e g r e g a t e d o r d i s t 五b u t e d a tt l l ei n t e 由c eo f t h e m t r i x g r a i n & 2 ) t h ec r y s t a l l 。g m p h i cr d a t i 。s l l i 芦b e m e e nt h e 啊b 2a n dm a 啊xw e r e 臣3 i 1 4 z d 0 1 k 2a n d ( 2 0 五) ，旺4 0 k ： a st h er e 刚t ，l h e 啊b zp h a s ec a nb e c o m et h en u c l e u sa n dr e f i 面“gt h 。g r a i ns i z eo ft h e 瞄t r i x ，a ts a m e 百m e ，w h i c hm a ym a k et h es 。g r 。g a t e da b 0 3g r a i n sd i s l r i b u t 。du i i i f o r m i yi nt h em a t 血 3 ) t h ev o l u m ea m o 岫to fm d - i i k ea 1 3 r ni ni h ec o m b u s t i o nr e s u l t sd e c r e a s e dw i t l lt h ei n c r 曲s i “go f n 0 2 m o i er a t e sa n dd i s a p p e a r e d w h e t h e n 0 2m o l er a l ew a sas p e c i f i cv a l u b 4 ) 1 1 l er o d l i k ea 1 3 r n d i s t r f b u t e di l n i f o r i i l l yi nt 1 1 e m a t r 沁s ( ) m eo fl h e mr u nf h o m u g l ls e v e m ln m t r i x g r a i n s t h es h a p eo fa 1 3 砸p h a s ed l a g e df r o ml o n g e rm d l i k et os h o r t e rr o d - l i k ew i t hi n c r e a s i n go ft h ev o l u m e f j a c t i o o f r e i n f o t c e i n e m s ， 5 ) t h e n cg r a i t l sh a v eb o t hg o o dc r y s t a u o g r a p h i cr d a 石o n s h i pa n dw e t t i n gq u a l i l yw i t ht h em a t r i x ，w h i c h a r eg o o dr e 如e ro ft h e 加a t r i x t h ea c 石v ee n 。r g ya n ds t a b i l i z a 石o ne 蜘c i e n lo f e a c hr e a c i i o ns y s t e mo ft h e 啊0 2 一xs e r i e sw e r eg a i n e db y t h em e t h o do fk i n e 廿cc a l c u l a d o na n dm a n ye x p e r i m e t st h el 【i n e t i cm o d e lo f n 0 2r e a c t i o ns y s t e mw a s m 东南大学博士学位论文 c s t a b l i s h e df i r s t l va 1 】dt h em a i na f f e c l i n gf a c t o r so ni tw e r ea l s os t l l d i e d i tw a sf o u n dt h a tl i q l l i da l u m i n u mr e a c t e d w i l h 啊o zg 瑚i sf i r s t l ya tt h et e m p e r a t u r eo fa b o u i1 0 0 0 ka n dr e s u l 妊dj na c t i v e na t o m sa ds t a b i l i z e da 1 2 0 3 g r a i n s d u et 0t h en o n - w e t t a b i l i l yo fa 1 2 0 3w i l hl i q u i da l ，t h ea 1 2 0 3p h a s ew e r es e g r e g a t e da tg r a i ni n t e r f a c eo f t h em a t r i x t h ea c l i v e na t o m sc o u l dd i 丘h s e 如mt h er e a c t i o ni n i e l l h c ei ot h e “口u i dm a t r i xa n dt h e r e a c tw i t l la l a t o mt of o r ma 1 3 ，w i c h 也eh e l po fe l e v a t e dt e m p e r a t l l r ea n d1 l i g h e rg r a d i e n lo fc o n c e n t r a t i o n w i t hl h e p i d c e s s i n go ft h e 呦c t i o ，t l l ei n t e r f a c ed e c r e a s e da n dt h ea m o u n to fa t 0 3i n c r e a s e d a sar e s u l t ，l h ed i 廿岫i o n 砖s i s 协n c eo ft h e 啊a t o m sm c r e a s e da sw e l l q h e rr e a c i i o n so f a l 0 2 xs e r i e sw e r ec o n d u c t e d o ni t a sf o rt h em e c h a n i c a lp m p e n i e s o ft b ec o m p o s i t e s ，t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t 1 ) t h et e l l s i l es t r e n g l h so ft h ec o m p o s i l e sw e r e3 5 t i m e sh i g h e rt h a dt h a to ft h e 瑚t r i xu n d e ra m b i e n t t e m p e r a t u r e t h e 雠c h a n i c a lp 叩e f t i e sw e i ei m p m v e d a t 曲o u t1 8 一3 0 w i t ht 1 1 ei n c r e a s i “gm o l er a t e s a d d c o e m c i e n te l o n g a t i o no ft h ec o m p o s i t e si n c r e a s e d3 0 1 5 0 w h e l h e r ew e r es o m ea b 啊f o d si nt h e c o m p o s i t e s ，t h ec r o s ss e c t i o n 印r | _ c e w e r e m d eu po f 血et e n s i l ep i t sa n dc l e a v 8 9 ec r a c ki nt h ea l h o w e ve r ， w i m o u la b ni nt h ec o l n p o s i t e s ，i tw 越a t h ef i n et e n s j i ep 池i nt h ec m s ss e c 廿o ns 曲c e 2 ) a te l e v a t e dt e m p e r a t l l r eo fa b o u t7 2 3 | = t h em i i 五m mt e n s i l es t r e n g t ho ft h ea l l l 0 2 一xs y s t e mc o m p o s j t e s w a ss t i l la b o u t8 0 m p aa n dt h ee l o n g a d o nr a t ea l m o s td o u b l e d w h e nt h e r ew e r em d l i k e 3 币i nt h ec o m p o s i t e s ， s o m eo f 血em d sw i l lb ep l l l l e do u t 丘o mt h er e l a t i v e l yw e a ks i d ea n d ，a st h er e s u l t s ，t h ec m s ss e c t i o s u r f h c ew a s 瑚d eu po ff i n et e n s i l ep i t sa n ds e v e r a lh 0 i e s ，t h et e n s i l ep i t sm a yb el a r g e ra n ds h a l l o w e rw i t ht h ei n c r e a 咖go f t e s i i n gt e m p e r a t i l r e 3 ) w i t h o u tc o m p o n e 址) ( ，t h es t r e n g 龇n i gm e c h a i s mo ft h ec o m p o s i t e sc a u s e db y 也ec r a 岫e dd i s l o c a t i o l l s a n dd i s p e r s i o no fr e i n f 0 i c e m e n t s h o w e v e t h e r ee x i s i e dt h es y n t h e s i so ft h r e es e “g i h e nm e c h a 面s m ss u c ha s d i s l o c a 廿o s t r 跖g t h e n ，0 r o w a ns t r e o g t h e na n df i n 8 9 i a i n e ds t i e n g t l l e nw i t ht h ee n t r yo fc o m p o n e n tx w e a rt e s t ss h o w e d 也a t 1 ) a ta m b i e n ti e m p e r a t i l r e ，t h ew e a rr e s i s t a n c eo f 山ec o m p o s i t e sf a b r i c a t e db y 一砸0 2s y s i e mw a st h eb e s t 嘲o n gt h e 址面0 2 xs y s t e ma n dt h e r ew e r es o m ef r a c t u t e sv e n i c a lt 0s l j d i “gd i r e c d o n0 nt h ew e a rs u 血c e n e a 1 1 t ir o d sw e r ee n d u r e db e n ts t r e s sa n dt l l ec r a c kn u d e u s e sw e r ed r o d u c e di nt h e m w h e nt h er o d sw e r en e a rt o w e a rs u r f a c e ，t h e yw o l | l dc r a c ka n db e c o m et l l ea b r a s i v og m i n st oe l l ：h a n c ew e a la 舶o n gt h ec o m b u s t i o r e s u l t s ， t h ef i n en ca n dn b 2g i a i n sw e r ed i s t r i b u t e d 皿i f o m d yi nm a t r i xa i l db a dg o o du s et oi m p r o v i 4 9t l l ew e a r r e s i s t a n c eo ft l l ec o 1 p o s n e s 2 ) t h ed i s c i p l i 脑r i a n so fw e a r 瑚s s 研t hs l i d i gv e l o c i t yw e r er e s e m b l ef o rt h ea l 一砸0 2 一xs y s t e ma dt h e p e a kv a l u e so fm e mc o r r e s p o n d i n gt ot h es l i d i n gv e l o c i i yw o l l l dm o v et ot h el e s s 口s d i n gv e l o c i t yw i t hr i s i “go f w e a rt e s ti e 】p e m t i l r e ， 3 ) t h e r ew e r et h r e em i c r o s t m c t i l r es t y l e ss u c ha s1 u n i f o r 蚰yg r a i l l 5a n dr o d l i k ea 1 3 ，2 s e g r e g a t e da 1 2 0 3 g m i n sa n da 1 3 t i1 0 d s ，3 u i l i f o n n l yg r a i n si na l 坷0 2 - xs y s t e m w h e nc h em i c r o s t r u c t u r es t y l eo ft 1 1 ec o m p o s i t e s w a st h ef i r s t ，t h ea b m s i v eg r a i sw e a r d l l l dt a k et h er o l ei nt h ew e a ra n dt 1 1 eo l h e r ss u c ha so x i d a l i o na n d a d h e s i o nw e r es u b o r d i 衄i et 0i t i nt h es e c o n d ，m ea b m s i v eg r a i n sw e a rw o u l db e c o m e1 e s s e ra n da d h e s i o nw e a r b e c o m es t r e “g t h e n e li nt h et h i r 4t 1 1 ea d h e s i o w e a rw o u l db em a i nw e a rm e c h a n i s m o ft h ec o m p o s i t e s i tw a s6 r s tn m et l l a tt h ec e m m i cl i n e di r 0 “g r a yc a s tt i l b ew a sm a d eb ym e t h o do fs h s w e i g h ts 8 p a r a t i n ga n d f o u n dt 1 1 a tt h o9 0 0 da d d i t i v ew a ss i 0 2a n dt h el a wa b o u tm et h i c k n e s sa n dm o v i n gv e l o c i t yo fi h em e l 廿n gp o n d w “ht h ea 1 0 l l to fs 鹏a d d i t i v ew e r es t u d i e di t h ep a p e l t h eh e a ti n s u 】a t e dt e s ti n d i c a t e dt h a lw h e nm ea m o u n l so fa d d i i i v e 、艟r ea b o u t5 ，1 0 a n d1 5 t h e s u 衄et e m p e r a t u r eo fl h ec e r a 诚cl i n e d “l b e sd e c r e a s e da b o u t2 3 6 、3 2 7 a n d4 1 4 r e s p e c d v e l ya s c o m p a r et ot h e n oc e 枷cl i n e d t h eh e a 仁i n s u l a t e dp r o p e r t i e sw o u l db ew o r s e nw i i ht e s lt e m p e r a t u r ea l l d i i n p m v e dw i t ht h ea m o u n t so fs i qa d d i 石v e 1 h yw o r d s ：i n s i t i lr e a c l i o n ，t h e r 珈l o d y n a m i c s1 【i e l i c ，f r i c l i o na n dw e a li n t e r f a c es t n l c l l l r e ，c e r a i i l i e l i n e d 东南大学博士学位论文 h 始 s 熵，反应面积，滑动路程 c 。一等压热容 c ，一等容比热 q 反应热 一粒子总数 r 绝对温度，位错的线性张力 载荷 y 滑动速度 丁耐一理论燃烧温度 g 吉布斯自由能 h 。一显微硬度 r 气体常数，颗粒半径 矿。一临界移动速度 月。一临界颗粒尺寸 ，。一颗粒体积分数 厂( 厅) 一动力学函数 6 一柏氏矢量 叩一动力粘度，转化率 口一润湿角 w 外界功 一转化速率 g 一重力加速度 a 一热导率 日一热损失系数 v 一反应速率 o k 一抗拉强度 仃。一屈服强度 a ，一燃烧稳定化系数 f 一切变应力 s 一应变 盯应力，表面张力 p 密度 m 球磨机转速 主要符号表 v i 东南大学学位论文 独创性声明及使用受权的说明 一、论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及所取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得东南大学和其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已作了明确的说明并表示了谢意。 虢企坌! 虱日期 二、关于学位论文使用授权的说明 ，口p 3 8 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人递交学位论文的复印件和电子文档， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保留论文。本人电子文档的内容与纸质论文的内容一致。除在保密期 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：签：旦新签名： 立、串砍石甲砍 日期 东南大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 信息、能源、材料等是当今世界科技发展的主题而复合材料和陶瓷又是材料科学领域中十分活跃的 学科，近年来在航空、航天、兵器等国防工业，以及民用工业等诸多领域均取得了迅速发展。 金属基复合材料( m e 诅lm a t r i xc o m p o s i l e s ，m m c s ) 是以金属或合金为基体，纤维、晶须、金属间化 合物、陶瓷颗粒或其组台为增强相复合而成，它已成为复合材料的重要组成部分，兼有基体材料的塑韧性 和增强相的强硬性。相比于基体材料它具有较高的强度、弹性模量、高温性能以及优异的耐磨性f “ 。金 属基复合材料根据基体材料的不同可分为铝基、钛基、镁基、铁基、铜基、镍基等多种，其中铝基复合材 料具有高的比刚度、比强度、优良的高温性能，在航空、航天、汽车、电子等领域具有广阔的应用前景， 尤其是颗粒增强的铝基复合材料( p a r t i c u l a t er e i n f o r c e da l u m i n u mm a t i i xe o m p o s i i e s ，p r m m c s ) 成本低 性能稳在上世纪八十年代中期受到广泛关注，并获得迅速发展。但外加增强相的复合材料存在以下不足： 1 ) 增强相的表面易被污染：2 易发生不利的界面反应，产生有害相；3 ) 增强相的尺寸、形貌受其制各条 件的限制：4 ) 增强相与基体的相容性差，在基体中的分布受其润湿性的限制：5 ) 能耗大，制各成本高。 这制约了铝基复合材料的应用和发展，虽然增强相的表面可进行一些处理如：表面抛光、浸镀和超声等 但工艺复杂，成本高，且效果也不能令人满意。然而起源于俄罗斯的原位反应技术于上世纪九十年获得推 广并得到迅速发展。它是前苏联科学家s 1 1 l 【i r o 、m e r z h a n o v 和b o m v i n s k a v a 等根据自蔓延燃烧现象而发明 的，并迅速用于研制和开发新材料，为金属基复合材料的制各工艺研究带来了勃勃生机为其应用和发展 注入了新的活力。此时增强相是含增强相的组分原料充分混合后在满足一定的热力学和动力学条件下发生 化学反应，直接在基体中生成的，其表面干净无污染与基体的相容性好，基本克服了传统制各工艺的不 足，从而使金属基复合材料再一次成为材料研究领域的热点之一。 同样，原位反应技术也为陶瓷的制备和应用开创了新局面。陶瓷具有低密度、低热胀系数：高的比刚 度、比强度；环境耐久性等特点，已获广泛应用，如电子器件，磨损件、以及热结构等方面。尤其是优良 的阻热性愈来愈受到材料界的重视，传统的陶瓷隔热层是在背底材料表面涂覆而成。制备成本高，且陶瓷 与背底间的结合强度低。原位反应法则可通过化学反应在背底材料的表面产生一层均匀的陶瓷层，界面为 冶金结合，显著提高了陶瓷层的使用寿命，为陶瓷材料的应用开辟了新天地【3 】。 经十年多的发展，虽然原位反应技术取得了长足发展，但目前仍集中在制各工艺的研究阶段，而对反 应过程的热力学、动力学以及反应机制仍缺乏系统深入的了解这是由于反应温度高，持续时间短，远离 平衡态，反应过程中升温和降温梯度极大这些均为反应过程的研究带来了极大的困难。此外，大部分的 推导仅限于某一种材料，很少有系统的研究。为达到控制反应的目的，对反应过程的热力学、动力学及其 反应机制进行深入研究显得非常重要，同时为了获得新材料进一步开发的潜在价值和工业应用前景，还需 对其性能进行研究，以便获得较佳的制备工艺参数，为工业应用打下良好基础。 1 2 原位反应技术的发展及研究现状 1 2 1 铝基复合材料的原位反应技术 原位反应技术于用于制备复合材料，常见的方法有：自蔓延燃烧反应法、放热弥散法、接触反应法、 气液反应合成法、直接熔体氧化法、机械合金化法、浸渗反应法、l s m 混合盐反应法等。 1 s h s 自蔓延燃烧反应法( s e l f _ p m p a g a t i n gh i g ht e m p e r a t i 肚s y n t h e s i s ) 基本原理如图1 1 所示，是将增强相的组分原料a 与金属粉末b 充分混合，挤压成形，在真空或惰性 气氛中预热或室温下点火引燃，使a 、b 之间发生放热化学反应，放出的热量引起未反应的邻近部分相继 反应生成a b 直至全部完成。反应生成的增强相弥散分布于基体中。 】 绪论 图1 1s h s 自蔓延燃烧示意图 f i g 1 1t h es c h e “】a l i ci i l u s t r a t i o no fs h sc o m b u s t i o n 自蔓延燃烧反应需要一定的条件f ，j ：( 1 ) 组分之间的化学反应的热效应应达1 6 7 i ( j m o l ：( 2 ) 反应过 程中的热损失( 对流、导热、辐射) 应小于反应系统的放热量，以保证反应不中断；( 3