車輛的輕量化是目前汽車行業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì),而剎車鼓作為車輪端的重要部件,其減重是實(shí)現(xiàn)輕量化的有效途徑。鋁基復(fù)合材料由于具有高強(qiáng)度、耐磨損、高導(dǎo)熱等優(yōu)點(diǎn),非常適合用作剎車鼓的制備。本文為了充分發(fā)揮鋁基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)其加工性能差的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了層狀結(jié)構(gòu)的鋁基復(fù)合材料剎車鼓,在內(nèi)側(cè)磨損面使用顆粒纖維混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,強(qiáng)度高、耐磨損,外側(cè)使用單一的鋁合金材料,韌性好、便于機(jī)械加工制造。選用了熱固性酚醛樹脂基粘結(jié)劑、石墨作造孔劑、磷酸二氫鋁為高溫粘結(jié)劑的成分配比,采用模壓成形法制備了孔隙率在50%-70%范圍內(nèi)靈活可調(diào)的碳化硅顆粒(粒徑14μm)和氧化鋁短纖維(直徑10μm,長(zhǎng)徑比2-5)混合預(yù)制坯。坯體的燒結(jié)在1000℃下空氣中進(jìn)行,既可以徹底燒除預(yù)制坯中的石墨,同時(shí)在碳化硅表面形成一層0.2μm的氧化膜,改善了顆粒與鋁基體的潤(rùn)濕性。與石蠟基粘結(jié)劑與聚乙烯醇基粘結(jié)劑相比,酚醛樹脂基粘結(jié)劑制備出的坯體高溫強(qiáng)度及孔隙率都得到提高,坯體尺寸穩(wěn)定性更好。復(fù)合材料的基體材料選用可熱處理強(qiáng)化的2024變形鋁合金。該鋁合金所含的合金成分主要是Cu和Mg,在提高鋁基體的力學(xué)性能、耐蝕及抗氧化性能的同時(shí)改善了基體與增強(qiáng)相間的潤(rùn)濕性。利用真空壓力熔滲的工藝完成預(yù)制坯的浸滲,通過(guò)模具的合理設(shè)計(jì)完成層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的近終形制備。并研究了熔滲過(guò)程中溫度、壓力及保壓機(jī)制對(duì)層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料組織性能的影響,最終確定最佳的熔滲工藝為720℃保溫1Omin后開始加壓至15MPa,保壓1Omin后降溫,降溫過(guò)程中持續(xù)加壓至凝固。通過(guò)對(duì)材料組織的觀察和力學(xué)性能的測(cè)試,探索了增強(qiáng)體系中顆粒與纖維的比例對(duì)材料組織與性能的影響。在增強(qiáng)相總體積分?jǐn)?shù)為30%的鋁基復(fù)合材料中,(20%SiCp+10%Al2O3sf)/A12024的抗拉性能最高,室溫下為391.34MPa,300℃下為164MPa。對(duì)四種增強(qiáng)相配比的復(fù)合材料在受到300MPa拉應(yīng)力時(shí)材料內(nèi)部的應(yīng)力分布進(jìn)行有限元模擬,發(fā)現(xiàn)當(dāng)顆粒與纖維的體積比為4:1、2:1、1:2、1:4時(shí),分布于增強(qiáng)相上的最大應(yīng)力值分別為786.27MPa、376.03MPa、526.33MPa、1441.1MPa,基體內(nèi)部的最大應(yīng)力值分別為1301.8MPa、1276.2MPa、1373.6MPa、1441.1MPa;由此可見顆粒與纖維的體積比為2:1的配比能夠改善增強(qiáng)相及基體中的應(yīng)力分布,在該配比下,分布于增強(qiáng)相與基體的應(yīng)力均為四個(gè)配比中的最低值,因而在此配比下復(fù)合材料的抗拉性能最優(yōu)。并利用Ansys有限元模擬對(duì)實(shí)際工況下剎車鼓的層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,當(dāng)假設(shè)外層鋁合金層厚度為2mm時(shí),內(nèi)層復(fù)合材料層的厚度不應(yīng)小于0.4mm。將復(fù)合材料與HT400在4.2m/s、0.7MPa的條件下進(jìn)行銷盤式摩擦實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)隨著增強(qiáng)相中氧化鋁短纖維比例的增加而降低,(30vol.%Al203sf+10vol.%SiCp)/A12024 平均摩擦系數(shù)最低,為 0.37。當(dāng)增強(qiáng)相中Al2O3sf和SiCp的體積比由0增加到1,復(fù)合材料的磨損率逐由0.57kg/m3降至0.39kg/m3,磨損機(jī)制為磨料磨損和犁溝磨損;當(dāng)增強(qiáng)相中Al203sf和SiCp的體積比由1增加到3時(shí),復(fù)合材料的磨損率增加至0.59kg/m3,磨損機(jī)制變?yōu)檎持p。隨著增強(qiáng)相中Al2O3sf含量的增加,磨屑的尺寸逐漸減小,直徑由6μm逐漸過(guò)渡到直徑約1.5μm。由于氧化鋁短纖維的熱導(dǎo)率較低,所以隨著增強(qiáng)相中氧化鋁短纖維比例的增加,復(fù)合材料的熱導(dǎo)率由108W·m-1·K-1降低至86W·m-1·K-1。本文利用近似方法,在廣義自洽理論基礎(chǔ)上構(gòu)建了顆粒纖維混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率計(jì)算模型,將含有界面相的碳化硅顆粒等效為“一次等效增強(qiáng)顆粒”,將含有氧化鋁短纖維的基體等效為“一次等效基體”,將“一次等效增強(qiáng)顆�！鼻度搿耙淮蔚刃Щw”共同作為“二次等效顆粒”,后將“二次等效顆�！鼻度肱cA12024熱導(dǎo)率相等的均勻各向同性介質(zhì)中,計(jì)算出包含有顆粒、纖維及界面的顆粒纖維混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,對(duì)材料的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB333
【部分圖文】：

層狀結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料近終形制備與性能研宄等人用無(wú)壓熔滲法制備了邋ＳｉＣｐ／Ａｌ復(fù)合材料，在Ａ１基體中素用以改善基體與增強(qiáng)相間的潤(rùn)濕性。周賢良等人■在Ｌａ發(fā)展了空氣氣氛下的無(wú)壓滲透法，其工藝特點(diǎn)是無(wú)需氣氛的鋁液滲透進(jìn)入ＳｉＣ顆粒之間的孔隙中，形成與陶模相同ＳｉＣｐ／Ａｌ復(fù)合材料，進(jìn)一步降低了成本，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。逡逑拌鑄造法是制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料常用的方法。其工藝，首先將鋁合金塊置于帶有電磁感應(yīng)加熱的坩堝中升溫，將氮?dú)庖苑冷X合金的氧化，待鋁合金完全融化后，在鋁液中置液充分?jǐn)嚢�，同時(shí)加入預(yù)熱處理過(guò)的陶瓷顆粒，攪拌一定瓷顆粒的金屬液注入到預(yù)熱過(guò)的鋼模中進(jìn)行冷卻。該方法工備投入少，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。逡逑

能受到影響，工藝措施較難以掌握。逡逑２．２．３固液兩相法逡逑固液兩相法主要是指噴射沉積法，制備方法示意圖如圖２－２所示，鋁合逡逑金經(jīng)感應(yīng)加熱到熔融狀態(tài)，經(jīng)霧化噴嘴高速噴出，成為極細(xì)小的微滴，與此逡逑同時(shí)增強(qiáng)相被吸入，并與微滴均勻混合并加速射向下方基底，沉積凝固為密逡逑實(shí)連續(xù)的沉積體。逡逑邐塞桿逡逑？邋ｒｚ￣ｚｎ邋？逡逑？邋�。龋。龋�！邋Ｈｔｔｌｔ－？邋—合金熔液逡逑？丨丨丨⑴Ｈ邋Ｉ⑴感應(yīng)熔煉線圈逡逑？邋ｍｍ！邋ｍｍ邋？逡逑？邋ｉｌｉｌｉｉｍｌｌｌｌｌｉｌ邋？逡逑｜邋ｊ邋—?dú)怏w噴嘴逡逑增強(qiáng)顆粒＾＾邐■增強(qiáng)顆粒逡逑＾＾＿＿粒逡逑沉積坯逡逑Ｖ／／／／／／／ｙＹ／／＾／＾ｒ邋沉積載體逡逑圖２－２噴射沉積法制備復(fù)合材料示意圖逡逑Ｆｉｇ邋２－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｏｆ邋ｓｐｒａｙ邋ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑由于該工藝?yán)鋮s速度快，避免了增強(qiáng)相和鋁合金基體間的界面反應(yīng)［６７，６８］，逡逑且解決了粉末冶金工藝材料含氧高、無(wú)法制備大型的構(gòu)建等缺點(diǎn)。然而由于逡逑該工藝受熔融金屬過(guò)熱度、金屬流量、液流直徑、氣體壓強(qiáng)、噴射高度等多逡逑種工藝參數(shù)的影響，且氣流速度等參數(shù)在制備復(fù)合材料的過(guò)程中往往需憑經(jīng)逡逑驗(yàn)確定，因而工藝參數(shù)不好定量控制。制備出的復(fù)合材料易有氣孔夾雜、制逡逑備過(guò)程中粉末利用率低等也是該工藝的主要缺點(diǎn)。逡逑目前北京有色金屬研究院擁有ＳＦ－２００型自制噴射沉積設(shè)備，可以制備直逡逑－９邋－逡逑

Ｉ逡逑顯微組織｜摩擦磨d ｜力學(xué)性能｜熱性能逡逑圖３－１層狀結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料制備工藝流程圖逡逑Ｆｉｇ邋３－１邋Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｆｌｏｗ邋ｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋ｌａｙｅｒｅｄ

【參考文獻(xiàn)】

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