电流对铝熔体与石墨及界面反应的影响.doc

沈阳航空航天大学毕业设计(开题报告）院 系：材料科学与工程学院专 业：材料成型及控制工程指导教师：徐前刚学生姓名：刘贤峰 2015 年 3 月 11 日电流对铝熔体与石墨及界面反应的影响1、 概述 液/固金属间的润湿和界面反应是材料制备和加工中的一种常见和重要的物理化学现象,会对材料的性能产生重要影响。由于石墨颗粒密度较小、与铝熔体润湿性差,目前制备方法主要集中在粉末冶金法和挤压铸造法,存在制件小、成本较高的缺点,液态搅拌铸造法与之相比工艺简单、成本较低廉,越来越受到重视。本文研究了利用搅拌铸造法制备纳米级氧化膜包覆石墨颗粒铝基复合材料技术和其性能。 本文首先对石墨颗粒表面包覆氧化物进行了研究,以解决石墨与铝基体之间的润湿性问题,在对不同无机盐水解过程和氧化物对石墨包覆过程机理分析的基础上,研究了硅酸钠、硝酸亚铈、氧氯化锆等无机盐作为前驱体制备氧化硅、氧化铈、氧化锆和氧化铈锆包覆石墨的试验条件,通过测量石墨表面的氧化物含量和高温氧化失重率分析了各种制备条件对包覆效果的影响。 本论文选择施加电流对液/固金属润湿和界面反应的影响作为研究对象,主要开展了以下工作:1.研究了不同温度条件下电流对SnBi共晶熔体/Cu/SnBi共晶熔体反应偶的界面反应的影响。实验结果表明:未施加电流时SnBi共晶熔体/Cu反应偶界面反应产物为扇贝状的Cu6Sn5层和薄的Cu3Sn层。施加电流会促进SnBi共晶熔体/Cu反应偶界面反应层的生长。电流作用下SnBi共晶熔体/Cu/SnBi共晶熔体反应偶的阳极界面反应层厚度明显厚于阴极界面反应层厚度。2.研究了电流对SnZn共晶熔体/Cu/SnZn共晶熔体反应偶界面反应的影响,结果表明:该反应偶在施加电流时,SnZn共晶熔体/Cu/SnZn共晶熔体反应偶的阳极界面反应层厚度要厚于阴极界面。反应产物为-Cu5Zn8,施加电流和没施加电流生成物没有区别。3.研究了220下直流电流对SnBi共晶熔体在Cu基底上润湿行为的影响。结果表明在施加一定电流时,能促进SnBi共晶熔体和Cu之间的反应速率和金属间化合物的生长,而且随着电流的增大,接触角也明显减小。4.采用座滴法研究了370下直流电流对熔融Bi在Cu基底上润湿行为的影响。未施加电流时熔融Bi在Cu基底上不润湿,达到稳态接触角(约102o)的铺展时间约为30 min。随着施加电流的增大,熔融Bi在Cu上的铺展显著加速,而且平衡接触角大幅减小。施加电流明显提高了Cu在Bi熔体中的溶解,这将改变润湿三相线的组态。这种电流诱导的润湿性改善也与电磁压力梯度力提供的附加润湿驱动力有关。本论文的研究结果对调控液/固金属润湿及界面反应提供了新的思路。2、 主要研究内容： 润湿是自然界中一种常见的界面物理化学现象，对发生在界面的润湿过程的深入理解和调控对于许多理论问题和技术问题的解决具有重要意义。本毕设课题主要采用座滴法研究直流电流作用下铝熔体与石墨的润湿行为及界面反应。适度的界面反应有利于促进基体与石墨颗粒间的浸润、复合，形成最佳界面结合，利于调节材料内部应力分布，缓解裂纹端部应力集中和进一步扩展。反之，过度界面反应会在铝基体和石墨表面间形成脆性相和脆性层，当承受载荷时成为裂纹源萌发地，最终破坏复合材料力学性能。因此，如何行之有效地控制界面反应已成为制备石墨颗粒增强铝基复合材料的一个重大技术问题。铝熔体与石墨的化学反应为4Al （l）+3C=Al4C3 （ s）。由于Al/Gr在热力学上是不相容的，生成的Al4C3为脆性化合物，对于基体与增强物之间生成化合物的这类界面，由于热力学不相容性，为使制备的复合材料有实用性，须改善基体和增强物的动力学相容性，即在它们之间设置发生化学反应的障碍，从而控制反应速度和反应产物生长速度。设置动力学障碍或扩散阻挡层的方法有对石墨颗粒表面进行涂层处理，如前面提到的镀覆Cu、Ni、Ag等金属层或采用化学气相沉积（CVD）、溶胶-凝胶等方法在石墨颗粒表面涂覆MgO、Al2O3、TiO2、ZrO2、CaO等陶瓷涂层25；以及在基体金属中添加合金元素，或采用强化工艺方法来减少铝基体与石墨颗粒在高温下的接触时间，从而控制化合物的厚度。1 利用半固态铸造技术制备了组织均匀的铝-石墨复合材料。借助于自行开发的电磁-机械复合搅拌装置制备了铝-石墨半固态浆料并对其进行了研究，得出了浆料固相率与搅拌温度之间的线性关系；明确了铝-石墨半固态铸锭的浆料固相率与石墨颗粒聚集区尺寸之间的关系；获得了消除铝-石墨复合材料石墨颗粒宏观偏析的条件：当半固态浆料的固相率大于30%时，能基本消除铝-石墨复合材料中石墨的不均匀分布。2 采用销盘摩擦磨损试验机，在干摩擦条件下，对半固态铸造的铝-石墨复合材料与45钢组成的摩擦副进行了摩擦性能研究，探索了摩擦系数与试样承受载荷N的关系，确定了它们之间的关系式为：=0.256+(1.15710-4N+(8.74910-7)N2同时，明确了摩擦系数与摩擦时间之间的关系，揭示了在不同摩擦时间下摩擦表面的特征，确定了摩擦机理。结果表明，摩擦时间在0-40min阶段，摩擦系数随时间的延长，急剧下降；在40-120min阶段，随着时间的增加，摩擦系数的下降趋于缓慢，只有小量的降低；而在120min之后，摩擦系数不随时间变化，稳定在02763左右。 3 分析了在摩擦过程中石墨自润滑膜的形成机理，得出了摩擦系数的变化受摩擦表面石墨成膜过程的影响规律。3、 实验方案：1. 实验材料采用20 mm 30 mm 纯铝块和20 mm 10 mm 分析纯镉块。2. 保证实验中铝和镉的量满足体积比3 1。3. 在实验之前对铝块和镉块表面进行处理防止表面产生的氧化膜对实验形成干扰。4. 将处理好的铝块和镉块放入石墨坩埚中，然后把坩埚放入加热炉中进行加热。加热温度到700 进行保温。5. 达到保温时间后把试样从加热炉中平缓取出进行空冷。4、 进度计划 12周 查阅相关文献，熟悉本课题相关研究内容，完成3000-5000字的开题报告 34周：翻译一篇5000字以上的相关英文文献； 56周:研究不同直流电流作用下铝熔体与石墨的润湿行为； 78周：研究不同直流电流作用下铝熔体与石墨的界面反应； 910周：结合相关专业知识，对模拟结果进行合理分析； 1112周.按时完成毕设论文及相关文档，毕设论文应结构合理、规范、行文流畅、结论正确，为论文答辩做好准备。5、 研究目标： 本毕设课题主要采用座滴法研究直流电流作用下铝熔体与石墨的润湿行为及界面反应。 研究不同直流电流作用下铝熔体与石墨的润湿行为。 研究不同直流电流作用下铝熔体与石墨的界面反应。6、 参考文献：1、李伟,陈美玲,陈玉喜.铸造金属基颗粒增强复合材料的研究现状与展望 J .铸造, 2002, 51(4):2052、刘如铁,李溪滨,程时合.某些金属基固体自润滑材料的研究概况 J .粉末冶金材料科学与工程, 2000, 5(1):343、 陈康华,王一平,刘红卫.铝-石墨复合材料的制备与