【摘要】：陶瓷/金屬基復(fù)合材料集成了硬度、模量、強(qiáng)度、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐高溫及耐磨性能等各方面的優(yōu)勢(shì),從而在汽車(chē)、高速列車(chē)、軌道交通、航空航天、子彈防護(hù)材料、核電工程及電子封裝等領(lǐng)域表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值。在自然界生物材料精細(xì)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下,研究開(kāi)發(fā)出新型的具有天然生物結(jié)構(gòu)陶瓷/金屬基復(fù)合材料,通過(guò)增強(qiáng)金屬相與陶瓷相之間的協(xié)同作用、耦合效應(yīng)及多功能響應(yīng)機(jī)制,提高金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度,并降低其塑韌性和損傷容限,解決傳統(tǒng)金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)效率低等問(wèn)題成為新的研究熱點(diǎn),尤其是將構(gòu)型設(shè)計(jì)與具有天然纖維結(jié)構(gòu)的陶瓷結(jié)合作為增強(qiáng)體更具優(yōu)勢(shì)。為此從人為重構(gòu)模板結(jié)構(gòu),開(kāi)發(fā)構(gòu)型增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料為目標(biāo),基于苧麻纖維“遺態(tài)結(jié)構(gòu)可調(diào)‖和 網(wǎng)狀織構(gòu)可控‖思想,采用紡織技術(shù)制備苧麻織物骨架,分別通過(guò)模板原位轉(zhuǎn)化法和模板替代法制備苧麻織物遺態(tài)SiC及苧麻織物遺態(tài)Al_2O_3陶瓷。并以制備的遺態(tài)陶瓷為增強(qiáng)體,通過(guò)控制浸滲氣氛、金屬體積分?jǐn)?shù)、浸滲溫度、浸滲時(shí)間及冷卻方式等工藝參數(shù),無(wú)壓浸滲Cu制備遺態(tài)陶瓷/金屬基復(fù)合材料。采用SEM、XRD、TEM、EDS、TG、比表面儀等測(cè)試分析方法,對(duì)苧麻織物遺態(tài)陶瓷進(jìn)行相成分、顯微結(jié)構(gòu)、比表面積、孔徑分布等進(jìn)行研究,探討遺態(tài)轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理;同時(shí)對(duì)無(wú)壓浸滲制備的苧麻織物遺態(tài)陶瓷/Cu基復(fù)合材料進(jìn)行物相組成及微觀組織研究,揭示Cu在氧元素輔助下的無(wú)壓浸滲機(jī)理,以期為制備高性能的陶瓷/金屬基復(fù)合材料奠定基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容及成果如下:通過(guò)紡織技術(shù)和模板原位轉(zhuǎn)化法制備苧麻織物遺態(tài)SiC陶瓷,研究遺態(tài)轉(zhuǎn)化工藝參數(shù)對(duì)其顯微結(jié)構(gòu)及物理性能的影響規(guī)律,并探討薄壁模板的遺態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)理。結(jié)果表明制備的遺態(tài)陶瓷保持了織物的宏觀結(jié)構(gòu)并復(fù)制了苧麻的微觀管狀結(jié)構(gòu),織物空隙、苧麻管狀及顆�？紫兜姆旨�(jí)孔隙結(jié)構(gòu)賦予遺態(tài)陶瓷高孔隙率和低密度屬性;其遺態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)理是碳在硅熔體溶解反應(yīng)生成SiC的固-液-固(SLS)機(jī)制,最終顆粒尺寸及形核長(zhǎng)大與液硅含量及模板的壁厚相關(guān)。對(duì)遺態(tài)轉(zhuǎn)化工藝參數(shù)研究說(shuō)明通過(guò)控制燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間及C/Si質(zhì)量比等遺態(tài)轉(zhuǎn)化工藝參數(shù)可降低復(fù)合前驅(qū)體的體積收縮率,最大程度減少模板的重排過(guò)程,從而抑制熱解過(guò)程中復(fù)合前驅(qū)體的開(kāi)裂和翹曲,并能調(diào)控苧麻織物遺態(tài)SiC陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)、遺態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)理、電阻率及彎曲強(qiáng)度。結(jié)合紡織技術(shù)和模板替代法制備苧麻織物遺態(tài)Al_2O_3陶瓷,研究組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律,提出無(wú)機(jī)聚合物浸漬轉(zhuǎn)化機(jī)理。制備的苧麻織物遺態(tài)Al_2O_3陶瓷具有高孔隙率(76.5-78.8%)、低熱導(dǎo)率(0.070-0.087 W·m~(-1)·K~(-1))及穩(wěn)定的介電性能;該模板替代遺態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程包括無(wú)機(jī)聚合物在苧麻纖維上的吸附、網(wǎng)絡(luò)化、有機(jī)體氧化揮發(fā)及聚鋁化合物的分解、遺態(tài)結(jié)構(gòu)的收縮、Al_2O_3相變及長(zhǎng)大等;其中浸漬無(wú)機(jī)聚合物中的鋁含量影響遺態(tài)陶瓷的形貌、顆粒尺寸、孔隙結(jié)構(gòu)和顯氣孔率、比表面積、孔徑分布及熱導(dǎo)率等性能。無(wú)壓浸滲制備苧麻織物遺態(tài)Al_2O_3陶瓷/Cu基復(fù)合材料,研究其顯微組織結(jié)構(gòu)及Cu合金快速無(wú)壓浸滲分級(jí)多孔遺態(tài)陶瓷的浸滲工藝參數(shù),揭示氧含量、浸滲溫度、浸滲時(shí)間、冷卻方式等無(wú)壓浸滲工藝參數(shù)對(duì)增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)完整性、復(fù)合材料的致密化程度及理化性能的影響規(guī)律;探討了不同工參數(shù)作用下苧麻織物遺態(tài)Al_2O_3陶瓷/Cu基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重組、組織轉(zhuǎn)變及性能變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧含量決定金屬Cu的浸滲速度,浸滲溫度及浸滲時(shí)間影響浸滲速率、致密化程度和組織結(jié)構(gòu),而冷卻速度決定復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)及增強(qiáng)體分布狀態(tài);對(duì)苧麻織物遺態(tài)Al_2O_3/Cu基復(fù)合材料的性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)硬度表現(xiàn)出分區(qū)特性,快速冷卻、高浸滲溫度及長(zhǎng)浸滲時(shí)間可以提高復(fù)合材料的硬度,其主要斷裂方式為沿晶斷裂,而機(jī)械結(jié)合的弱界面及孔隙缺陷導(dǎo)致較低的彎曲強(qiáng)度,并受Cu體積分?jǐn)?shù)和浸滲時(shí)間影響。研究Cu-O-Al體系的反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué),揭示氧元素作用機(jī)理及浸滲機(jī)理。Cu-O-Al化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)計(jì)算表明氧元素通過(guò)吸附擴(kuò)散降低銅熔體黏度,增強(qiáng)熔體的流動(dòng)能力,同時(shí)參與Cu與Al_2O_3之間的化學(xué)反應(yīng)改善兩相潤(rùn)濕性,降低毛細(xì)潤(rùn)濕力,提高其滲透能力。采用Cu-O-Al反應(yīng)浸滲體系的修正模型估算氧元素輔助下金屬Cu無(wú)壓浸滲速率,其實(shí)驗(yàn)值與理論值的不一致說(shuō)明毛細(xì)潤(rùn)濕浸滲并非金屬浸滲非均勻分布孔隙結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體的唯一方式。最后提出氧元素輔助下金屬Cu的快速浸滲模型,浸滲過(guò)程包括氧化潤(rùn)濕階段、熔體填充、快速浸滲階段和結(jié)構(gòu)重組階段�？焖俳䴘B過(guò)程中Cu-O熔體以滲流方式填充大孔隙,以毛細(xì)浸滲方式滲入小孔隙,其中孔隙臨界尺寸為6γ~(1/3)/πρ~(1/3),隨后的閉孔結(jié)構(gòu)或小孔隙-大孔隙結(jié)構(gòu),均以毛細(xì)潤(rùn)濕方式滲入,滲入速率受毛細(xì)潤(rùn)濕孔隙的尺寸決定。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB333
【圖文】：

圖 1-3 經(jīng)脫膠處理的苧麻纖維形貌 (a)低倍；(b)高倍Fig. 1-3 Morphology of ramie fibers from degumming treatment(a) low magnified; (b) high magnified（2）遺態(tài)陶瓷制備工藝

及摩擦磨損性能，以期實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和應(yīng)出三維網(wǎng)絡(luò) SiC/Cu 材料摩擦副(圖 1材料作為飛機(jī)和汽車(chē)制動(dòng)材料的可行壓浸滲法制備金剛石/Cu-Zr 復(fù)合材料W·m-1·K-1。

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