【摘要】：隨著新型工業(yè)化進程的不斷加快,現(xiàn)代科技水平的進一步提高,開發(fā)新型輕質(zhì)高強的復(fù)合材料成為該領(lǐng)域的目標和追求。Al基復(fù)合材料具有密度低、彈性模量高、強度高、抗疲勞和耐磨性好、耐蝕性優(yōu)異和成本低等優(yōu)勢,成為金屬基復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的明星,并作為先進的工程材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防和汽車領(lǐng)域。本課題利用機械合金化(MA)和放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)成功制備了非晶合金和高熵合金顆粒增強的新型Al基復(fù)合材料,研究了塊體復(fù)合材料的物相組成、增強體分布狀態(tài)、增強體和基體的界面結(jié)合,分析了Al基復(fù)合材料的相對密度、硬度、室溫壓縮力學(xué)性能和海水耐蝕性,并探討了相應(yīng)的強化機理。本課題得到的結(jié)論如下:1.利用MA制備了Al_(85)Fe_(15)非晶合金粉末,其初始晶化溫度高達1209 K,通過SPS制備了性能較好的Al_(85)Fe_(15)非晶合金增強的6061Al基復(fù)合材料。Al_(85)Fe_(15)非晶增強相以片狀均勻分布在基體上。塊體復(fù)合材料的相對密度均高于98%,其顯微硬度值均大于200 HV,優(yōu)于6061Al基體(61 HV)。含有30 vol.%Al_(85)Fe_(15)增強體的復(fù)合材料具有高的屈服強度(478 MPa),相比基體提升了273%。復(fù)合材料硬度、強度的提升主要是由于增強體保持非晶特性和在基體中均勻的分布狀態(tài)。此外,該材料具有較優(yōu)的海水耐蝕性。2.通過SPS制備了Al_(85)Fe_(15)非晶合金/0.3wt.%石墨烯增強的Al基復(fù)合材料。燒結(jié)塊體中,Al_(85)Fe_(15)增強體仍保持非晶特性。添加量為10 vol.%和30 vol.%時,增強體分別以粒狀均勻分布和以連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀分布。30 vol.%Al_(85)Fe_(15)非晶合金/0.3wt.%石墨烯增強的Al基復(fù)合材料具有較高的顯微硬度(83 HV)和屈服強度(262MPa)。根據(jù)動電位極化曲線,在海水溶液中僅0.3 wt.%石墨烯增強復(fù)合材料具有寬的鈍化區(qū)(0.44 V),表明該復(fù)合材料具有相對較好的耐點蝕性。3.利用MA和SPS技術(shù)制備了性能較優(yōu)的CuZrAl增強Al基復(fù)合材料。該系列復(fù)合材料不但具有高的顯微硬度和壓縮斷裂強度,同時還保留一定的塑性。在燒結(jié)過程中,CuZrAl非晶相發(fā)生晶化,燒結(jié)產(chǎn)物除了含有fcc-Al相,還生成了Al_3Zr和CuAl_2相。Al原子和Cu原子都具有在基體和增強體界面的擴散行為,對良好界面的形成具有促進作用。含有20 vol.%增強體的復(fù)合材料顯微硬度為290 HV、屈服強度為408 MPa、斷裂強度為459 MPa,不僅優(yōu)于純Al塊體,還高于同系列其他復(fù)合材料。第二相顆粒強化、連續(xù)分布的增強體、較高的相對密度、良好的界面結(jié)合和細晶強化都有助于該復(fù)合材料強度和硬度的提升。此外,復(fù)合材料在海水溶液中具有較寬的鈍化區(qū),耐點蝕性能有所提升,這和Zr元素易于形成ZrO_2或Zr(OH)_4鈍化膜有關(guān)。4.利用MA制備了具有體心立方(bcc)結(jié)構(gòu)的CuZrAlTiNiW高熵合金增強體,利用SPS制備了該高熵合金增強的Al基復(fù)合材料。燒結(jié)產(chǎn)物中除了fcc-Al和少量bcc相,還生成了大量的WAl_(12)相以及少量的Al_5Ti_3和Al_5Zr_3相。含有30 vol.%增強體的復(fù)合材料具有高的硬度值,高達661 HV,大約是純Al(32 HV)硬度值的20倍。含有20 vol.%增強體的復(fù)合材料具有高的斷裂強度(544 MPa)。增強體在基體上以核殼結(jié)構(gòu)的形式存在,推測在燒結(jié)過程中bcc固溶體作為核,在核外圍析出的金屬間化合物作為殼(過渡層),導(dǎo)致和基體界面結(jié)合較好,有助于復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的提升。此外,該復(fù)合材料在海水溶液中具有較寬的鈍化區(qū),耐點蝕性能好。5.嘗試通過熔體旋淬工藝制備了含有bcc固溶體和少量未知相的CuZrAlTiNiW_(0.2)高熵合金條帶,通過球磨制備平均粒徑約為4μm的粉料作為增強體,利用SPS制備了相對密度高于97%的Al基復(fù)合材料(10 vol.%增強體)。塊體復(fù)合材料中含有fcc-Al相、Ni_4Ti_3相、AlCu_4相,bcc相消失。增強體以核殼結(jié)構(gòu)形式存在,殼層區(qū)域富含Al。通過熔體旋淬工藝制備增強體的復(fù)合材料具有較高的斷裂強度(501 MPa)、較寬的鈍化區(qū)(0.55 V),耐點蝕性有所改善。6.根據(jù)本課題研究內(nèi)容,各增強體添加的Al基復(fù)合材料都具有較高的相對密度,較優(yōu)異的顯微硬度、壓縮斷裂強度和耐點蝕性。在力學(xué)性能方面,30 vol.%CuZrAlTiNiW增強Al基復(fù)合材料具有最高的硬度值(661 HV),而20 vol.%CuZrAlTiNiW增強Al基復(fù)合材料具有最大的斷裂強度(544 MPa),但是CuZrAlTiNiW增強的Al基復(fù)合材料沒有明顯的塑性;20 vol.%CuZrAl增強的Al基復(fù)合材料斷裂強度為459 MPa,硬度為290 HV,延伸率為18%。綜合來看,CuZrAl非晶合金增強的Al基復(fù)合材料在強度顯著提升的同時還保留一定的塑性,具有較優(yōu)的綜合力學(xué)性能。在海水耐蝕性方面,20 vol.%Al_(85)Fe_(15)非晶合金增強的6061Al基復(fù)合材料具有最寬的鈍化平臺(1.24 V),耐點蝕性好。
【圖文】：

近十年的研究表明，該思路取得了合材料增強體的選擇范圍。德國學(xué)者 D. MaSi2.8為增強體，2024 鋁合金為基體的 Al 基復(fù)l 基復(fù)合材料其拉伸屈服強度能夠達到 229 M有 4.7%的應(yīng)變。強體概述是由葉鈞蔚等學(xué)者提出來的[44]，合金中含有稱為高熵合金。高熵合金具有四大效應(yīng)：高熵、雞尾酒效應(yīng)。傾向于形成面心立方結(jié)構(gòu)(fc構(gòu)(hcp)的固溶體[45-47]，其固溶體相晶格的示

以 2024 鋁合金為基體的 Al 基復(fù)合材料[52]。試驗結(jié)果表明：該復(fù)合材料的硬度高于傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料；增強體的加入提升了材料的屈服強度、拉伸強度和楊氏模量。隨著高熵合金的發(fā)展，以高熵合金為增強體的新型金屬基復(fù)合材料也將得到進一步發(fā)展，，復(fù)合材料的綜合性能也將進一步提升。1.3.4 石墨烯增強體概述石墨烯以其獨特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的性能成為近年來材料界研究的熱點。石墨烯是一種柔性輕質(zhì)的材料，具有超高的強度、優(yōu)異的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率、良好的透光率[53, 54]。其優(yōu)異的性能主要是因為每個碳原子和其他 3 個碳原子通過 π 鍵連接，形成 SP2雜化軌道以及二維薄層結(jié)構(gòu)[55, 56]，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1.2 所示。目前，關(guān)于石墨烯的研究和應(yīng)用主要偏向于功能材料領(lǐng)域。比如，韓國三星公司根據(jù)石墨烯的電子能帶結(jié)構(gòu)(示意圖如圖 1.3)，制造出了透明的可以彎曲的顯示屏。
【學(xué)位授予單位】：濟南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33

【參考文獻】

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1 肖榮林;鄭化安;付東升;李克倫;蘇艷敏;呂曉麗;;鋁基復(fù)合材料的制備及應(yīng)用進展[J];鑄造技術(shù);2015年05期

2 華波;朱和國;;顆粒增強鋁基復(fù)合材料強化機制的研究現(xiàn)狀評述[J];材料科學(xué)與工程學(xué)報;2015年01期

3 楊東;高紅霞;王華麗;韓華麗;王秀紅;;雙尺度SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料的研究[J];粉末冶金工業(yè);2014年04期

4 譚俊;鄭開宏;鄧運來;王娟;;陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的工業(yè)制備與應(yīng)用[J];材料導(dǎo)報;2012年S1期

5 汪衛(wèi)華;;金屬玻璃研究簡史[J];物理;2011年11期

6 王宇鑫;張瑜;嚴鵬飛;嚴彪;;鋁基復(fù)合材料的研究[J];上海有色金屬;2010年04期

7 呂俊;陳曉閩;黃東亞;陳曉虎;王翠萍;劉興軍;;機械合金化與非晶合金材料的研究進展[J];材料導(dǎo)報;2006年09期

8 王向榮;田彥文;李建偉;;顆粒增強鋁基復(fù)合材料制備方法及其表面處理技術(shù)[J];輕合金加工技術(shù);2006年02期

9 王雙喜;劉雪敬;孫家森;;鋁基復(fù)合材料的制備工藝[J];熱加工工藝(鑄鍛版);2006年01期

10 賀春林,劉常升,孫旭東,才慶魁;納米SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料的拉伸性能[J];東北大學(xué)學(xué)報;2005年06期

本文編號：2638928