双连续结构陶瓷-金属复合材料研究现状及展望

双连续相复合材料的两相组织在三维空间呈各自连续的状态,二者互相缠绕、互为支撑、强弱互补,由于双连续相复合材料具有特有的拓扑结构,复合材料通常表现出独特的力学性能、耐磨性能、热力学性能、耐高温性能、减震性能。因此,对其进行深入地研究具有重大的意义。主要介绍了国内外双连续相陶瓷-金属复合材料的结构、性能特点、成型方法,对比了不同陶瓷相与金属复合所表现出的结构特性和性能特点,并展望了该结构材料的应用前景及发展趋势。

一种互穿网络结构的碳化物陶瓷-铜双连续相复合材料及其制备方法

专利申请号:2022114579372公布号:CN115747559A申请日:2022.11.21公开日:2023.03.07申请人:昆明冶金研究院有限公司北京分公司本发明公开了一种互穿网络结构的碳化物陶瓷-铜双连续相复合材料及其制备方法。该材料中碳化物陶瓷的体积分数为40%~60%,其余为铜或铜合金。碳化物与金属相铜或其合金各自呈三维连续网络分布,在空间呈网络交叉结构。采用固体和气体双碳源碳热还原金属氧化物的方法,制备多孔金属碳化物预制体,在通过铜或铜合金无压熔渗得到碳化物-铜基双连续相复合材料,获得两相均匀分布的三维互穿网络双连续相复合材料。

骨架结构对SiC/Al双连续相复合材料的影响

用挤压铸造法制备了不同结构的SiC泡沫增强ZL109双连续相复合材料,研究了增强体骨架结构(筋的结构、泡沫孔和体积分数)对复合材料压缩性能和弯曲性能的影响。结果表明:SiC泡沫增强体的筋的结构影响了界面的结合,影响了材料的压缩性能;当筋具有三明治结构时,复合材料的强度最大;当筋具有双层结构时,复合材料的强度最低;随着SiC泡沫孔径的增大,复合材料的压缩强度、弹性模量和屈服强度都有所提高,材料的屈服应变减小,弯曲强度先升高后降低,弯曲强度在泡沫孔径为1.5 mm时达到最大值;复合材料的压缩强度随着增强体体积分数的增大而提高,屈服应变随着体积分数的增大而减小。

界面过渡层对SiC/Al双连续相复合材料性能的影响

研究了界面过渡层对SiC/Al双连续相复合材料性能的影响。结果表明,界面过渡层降低了复合材料中的残余应力,改善了界面的结合,提高了复合材料的压缩性能。当界面过渡层中SiC的体积分数接近50%时,复合材料的压缩强度最高,塑性最好,但弹性模量较低。界面过渡层的存在改变了复合材料的弯曲断裂机制。SiC原始泡沫增强的复合材料在断裂时,增强体SiC泡沫先断裂,基体后破坏,断裂表面凹凸不平;含界面过渡层的复合材料断裂时,过渡层的外侧界面先被撕开,内侧界面结合良好,基体与增强体同时断裂,断口平整。

挤压铸造SiC／ZL109铝合金双连续相复合材料的凝固组织

研究了挤压铸造工艺参数和SiC泡沫增强体对ZL109铝合金基体凝固组织的影响,探讨了复合材料的凝固过程．结果表明,采用先浇注基体熔体、后放置骨架的复合工艺制备的复合材料组织比先放置骨架、后浇注熔体的复合材料均匀; SiC泡沫增强体降低了复合压力对基体组织的影响,使得提高复合压力虽然可以细化基体的组织,但效果不明显． SiC泡沫增强体对基体的晶粒尺寸没有明显的影响,但是改变了晶粒的形态．泡沫孔内的α-Al初晶表现为粗大的柱状晶,其方向垂直于泡沫增强体的筋．泡沫孔的尺寸越小,越容易形成枝晶组织,枝晶的方向性越强． SiC／ZL109铝合金双连续相复合材料基体凝固时, α-Al 首先在泡沫筋的附近形核,然后逐渐向泡沫孔的中心长大．α-Al枝晶形成轮廓以后,中心富硅区发生共晶反应,筋表面的共晶硅最后形成．

双连续相复合材料在高速列车制动盘及闸片中的应用

简述了国内外对高速列车制动材料的研究概况,探讨了高速列车制动系统对制动材料 的要求,分析了双连续相复合材料的性能及其在高速列车制动系统中的应用前景。

SiC_(foam)/Al双连续相复合材料的压缩行为

采用实验和模拟相结合的方法,利用ANSYS有限元软件对SiCfoam/Al(碳化硅泡沫增强铝基复合材料)双连续相复合材料的压缩行为进行了研究,分析变形过程中应力应变分布和材料特殊双连续结构对复合材料性能的影响。结果表明:应力和应变分布都具有明显的轮廓曲线,且与SiC泡沫轮廓吻合,最大应力和应变均出现在泡沫筋的连接区,加速了材料的失效。复合材料的弹性模量同时具有奇异的成分效应和结构效应,即弹性模量不但与材料成分有关,而且由材料中连续的强化相决定,特殊的双连续相结构使复合材料具有高的弹性模量和压缩屈服强度。随着增强体体积分数的增加,复合材料的屈服强度具有最大值,模拟结果和实验结果一致。

浸渗温度对SiC/Al双连续相复合材料界面组织和导热性的影响

采用原位反应无压浸渗工艺,制备了Si C/Al双连续相复合材料,研究烧结温度对Si C/Al双连续相复合材料的导热性能的影响,观察Si C/Al双连续相复合材料的表面形貌。结果表明:Al合金熔体在无压下能渗入三维网状Si C多孔陶瓷孔隙,形成组织均匀具有网络贯穿结构的Si C/Al双连续相复合材料。浸渗温度对复合材料的导热系数影响很大,当浸渗温度为900、1000、1100和1200℃时,复合材料室温下的导热系数分别为167.4、160、154和152 W/(m·K),与浸渗温度900℃相比,浸渗温度1200℃复合材料室温下的导热系数下降了9%。因此,在保证浸渗完全的情况下,随着浸渗温度的升高,复合材料的导热性能越来越差,这主要是由于高温下熔融Al液与Si C陶瓷之间发生界面反应所致;适当地降低熔渗温度可以减缓界面反应的程度,从而提高复合材料的导热性能。本实验的最佳工艺条件为N2气氛,900℃保温3 h。

双连续相SiC/Al复合材料压渗工艺初探

为了充分发挥陶瓷和金属的各自优势 ,同时避免它们的各自劣势 ,文章采用鲜有报道的多孔陶瓷骨架压渗工艺制备双连续相金属 /陶瓷复合材料。首先采用有机泡沫浸渍法制备 Si C多孔陶瓷骨架 ,然后将纯金属 A l压渗到骨架中 ,为了改善压渗效果 ,还对助渗剂进行研究。结果表明 ,纯金属 A l可以压渗进入陶瓷骨架中 ,使用助渗剂可得到更好的效果。该材料应用前须进一步改善压渗工艺 。

连续制动条件下泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料的摩擦磨损性能

为解决履带式特种车辆机械制动器过热失效问题,采用挤压铸造法制备SiC/Cu和SiC/Fe双连续相复合材料,研究两种材料在连续紧急制动工况和连续高温制动工况下的摩擦磨损性能。结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)、三维形貌仪等手段分析摩擦因数、温度和磨损率的变化规律,揭示相应的磨损机理。结果表明:在连续紧急制动实验中,接触表面经历了摩擦膜形成和层间断裂过程,摩擦因数随接合次数增加略微下降,并趋于稳定。在前40次接合中,SiC/Cu和SiC/Fe摩擦副的磨损率整体下降。在40~60次接合中,SiC/Cu摩擦副黏着磨损、氧化磨损和疲劳磨损加剧,磨损率升高。而SiC/Fe摩擦副以磨粒磨损为主,磨损率较低。在连续高温制动实验中,摩擦因数在前6次接合中逐渐升高,制动时间逐渐缩短。在第6次接合后,摩擦副边缘区域出现的黏着磨损和疲劳磨损导致力矩下降,摩擦因数和制动时间均呈先降后升趋势。连续高温制动过程中以严重的黏着磨损为主,SiC/Cu和SiC/Fe摩擦副的磨损率均随接合次数增加而升高。

双连续相复合材料的振动阻尼性能研究

作为一种高性能的新型结构材料,双连续相复合材料在振动和噪声环境下的可靠性是结构安全服役的重要保障,对其振动特性的研究具有十分重要的意义。本文主要针对开孔金属泡沫填充环氧树脂等聚合物组成的双连续相复合材料的振动阻尼性能进行研究,希望给出这类材料阻尼性能参数的预测方法。首先,推导了黏弹性悬臂梁的损耗因子的理论预测公式。随后,利用三种不同具有双连续结构的力学模型,用有限元方法对聚合物-金属双连续相复合材料进行了振动模拟。最后,对双连续相复合材料的迟滞回线和损耗因子等振动阻尼性能进行了有限元预测,并通过文献中的实验数据进行了验证。

双连续相导热HDPE/PS/SiC复合材料的制备及性能研究

以碳化硅(SiC)或改性碳化硅(SMA-m-SiC)作为导热填料,高密度聚乙烯(HDPE)和聚苯乙烯(PS)为基体,制备HDPE/PS/Si C(SMA-m-SiC)复合材料,其中HDPE:PS=60:40,可形成明显的双连续结构。试验结果表明,在形成双连续结构的基础上,以SMA-m-Si C作为导热填料可以更好地改善聚合物基复合材料的导热性能和耐热性,且SMA-m-Si C含量为50 wt%时,复合材料的导热系数达到0.8109 W/m·k,提高30%,软化温度达到100.4℃。

SiC/Al-Mg双连续相复合材料的烧蚀性能研究

运用无压熔渗法制备了SiC/Al-Mg双连续相复合材料,研究了不同烧蚀时间对复合材料烧蚀性能的影响。研究表明,烧蚀时间为20 s时,试样表面没有出现明显的烧蚀坑,表现出较好的抗高温性能;烧蚀时间为40 s和60 s时,试样表面出现了明显的烧蚀坑,试样破坏严重。随着烧蚀时间的增加,试样表面温度急剧升高,合金快速挥发,烧结助剂发生熔化,导致试样破坏严重。

低EVA含量PA6/EVA共混物双连续相形成机理

利用密炼机对PA6/EVA共混物进行熔融共混并对熔融过程进行可视化分析,通过扫描电镜观察低EVA含量PA6/EVA共混物的相形态,分析了不同加工条件对共混物相形态的影响,基于基本假设建立了A/B(低含量)两相聚合物的熔融模型,并且,提出了低含量两相聚合物共混体系双连续相的形成机理。结果表明,当温度为230℃、转子转速为60 r/min、PA6/EVA共混物熔融2.5 min时,共混物充分熔融,随着转子转速的增大,熔融时间显著缩短。低EVA含量PA6/EVA共混物的相形态主要受到共混时间和转子转速的影响,并且,双连续结构不稳定,当共混时间在3~5 min范围内时,EVA能够形成连续相;当共混时间为8 min时,EVA转变为分散相,转子转速增大加快了EVA由连续相转变为分散相。

骨架表面改性对SiC/Al复合材料性能的影响

采用挤压铸造法制备丁SiC/Al双连续相复合材料,并对增强体SiC泡沫陶瓷骨架进行了表面改性处理,研究了网络骨架的表面粗化和表面涂覆K2ZrF6对骨架和双连续相SiC/Al复合材料性能的影响.结果表明:随着粗化时间的增加,SiC陶瓷骨架表面的粗化程度增大.粗化时间为12min对骨架表面粗化最佳,而且保持了骨架的致密结构.SiC陶瓷骨架表面粗化增加了骨架筋的表面积,加强了界面的机械结合;SiC陶瓷骨架表面涂覆K2ZrF6,提高了基体纯铝对SiC陶瓷骨架的润湿,改善了复合材料中增强体与基体间界面的结合,增强了材料的三维连续性,提高了复合材料的力学性能.骨架表面涂覆K2ZrF6的复合材料的界面结合得最好,复合材料的强度最高,为纯铝基体的5倍.

杜仲胶/聚丁烯-1形状记忆复合材料的制备与性能

以杜仲胶(EUG)和聚丁烯-1(PB-1)为原材料,通过物理机械共混和化学交联的方法制备具有双连续相结构EUG/PB-1形状记忆复合材料,探讨了共混比对材料硫化特性、物理力学性能、耐热性、微观形貌、形状记忆性能的影响。研究结果表明,当EUG/PB-1共混比由90/10变化至60/40时,交联程度有所降低;力学强度和硬度降低然而耐热性明显提高;形变率(Δε)、形状固定率(Rf)均呈上升趋势,而形状回复率(Rr)因交联程度降低略有下降,当共混比为80/20和70/30时,形状记忆性能较好。

粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料耐磨性能的研究

从摩擦时的转速、磨损时间、摩擦副的表面粗糙度和载荷等方面研究这些因素对复合材料耐磨性的影响,研究了粉煤灰泡沫陶瓷复合材料及基体材料的抗磨损性能。结果表明,粉煤灰泡沫陶瓷复合材料具有较高的耐磨性,其耐磨性明显高于基体,该复合材料抵抗磨损的性能比基体材料增加了3～4倍。

增强体架构对铝基复合材料的性能影响

利用ANSYS有限元软件对碳化硅泡沫增强铝基双连续相复合材料和颗粒增强复合材料力学性能进行模拟研究,分析了增强体架构对复合材料力学性能的影响。结果表明:连续增强体不但可以传递载荷,而且可以承担载荷,增强体的连续性增加了增强体之间的约束和增强体对基体的约束,提高了复合材料的强度和刚度,降低了复合材料的塑性;增强体的连续性增加了复合材料内部应力的不均匀性,易于产生应力波动。

PA6/PS双连续相的临界组分比及相形态研究

在哈克转矩流变仪中,研究了操作温度、螺杆转速、共混时间和相容剂苯乙烯马来酸酐共聚物(SMA)对尼龙6/聚苯乙烯(PA6/PS)共混物形成双连续相组分比例范围的影响。结果表明:操作温度、螺杆转速、共混时间对共混物形成双连续相组分比例范围的影响不大,SMA的加入使形成双连续相的比例范围大大减小,SMA阻碍分散相间的碰撞、降低其凝聚是产生这种现象的主要原因。对双连续相PA6/PS(50/50,质量分数/%)共混物进行静态热处理,用扫描电镜(SEM)观察形态发现:在一定温度下双连续相相尺寸随热处理时间增加而增大;温度越高,相尺寸随时间增大的速度也大大加快,但仍能够保持双连续相态。在一定温度下,连续相经过破裂、凝聚,使两组分的界面面积降低是相态粗化的主要原因。

石墨烯纳米片在双连续相聚丙烯/高密度聚乙烯中的迁移行为对其导电性能的影响

通过熔融共混制备了石墨烯纳米片(GNS)/聚丙烯(PP)/高密度聚乙烯(HDPE)导电复合材料。导电行为研究表明,静态热场下复合材料的电阻率随时间延长而下降,并逐渐达到稳定。动态剪切热场作用下,复合材料的电阻率先下降后上升,当180℃剪切8min时,GNS的体积分数为3.4%的50%PP/50%HDPE混合体系电阻率从104Ω·m降低到100Ω·m,下降了4个数量级。剪切时间延长到18min时,其电阻率又升至103Ω·m。超景深显微镜、扫描电子显微镜分析显示,热场作用下GNS从PP基体中向HDPE基体内迁移,且热场+剪切场下的迁移更加明显。通过调控剪切热场的作用时间可有效调节GNS在PP/HDPE双连续相中的分布,进而获得具有较优导电性能的复合材料。