多孔Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料研究进展

作为20世纪90年代兴起的一类连续陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料,连续氧化铝纤维增韧氧化铝(Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3))复合材料已经发展为与C_(f)/SiC、SiC_(f)/SiC等非氧化物复合材料并列的陶瓷基复合材料。以多孔基体实现基体裂纹偏转成为Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料主要的增韧设计方法,形成的多孔Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料具有优异的抗氧化性能和高温力学性能,可在高温富氧、富含水汽的中等载荷工况中长时服役,是未来重要的热结构材料。经过近30年的发展,多孔Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料已被应用于航空发动机、燃气轮机等热端部件。本文综述了多孔Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料的增韧设计方法、制备方法、微观结构和力学性能等多个方面的研究进展,并提出了当下存在的问题以及后续发展方向。

Al_(2)O_(3f)/Mg-6Al-1Nd-1Gd复合材料的显微组织及时效行为

采用维氏显微硬度计、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)等研究了Al_(2)O_(3f)/Mg-6Al-1Nd-1Gd复合材料的显微组织和时效行为。结果表明:复合材料的组织主要由α-Mg、Al_(2)O_(3)、β-Mg_(17)A1_(12)、Mg_(2)Si、MgO、Al_(2)Nd、Al_(2)Gd以及Al_(11)Nd_(3)相组成。Al_(2)O_(3)短纤维的引入加速了基体合金的时效动力学,使基体合金的时效峰值时间由32 h显著缩短至24 h。时效过程中,β-Mg_(17)Al_(12)相主要以连续析出和非连续析出两种形式析出,连续析出和非连续析出的生长呈竞争关系,随着时效时间的增加,非连续析出相逐渐长大并由晶界向晶粒内部推移,过时效阶段晶粒内部出现成片的非连续析出相。

(Al_2O_3)_f/Al复合材料在强界面结合下的疲劳损伤模式

在拉-拉载荷下测定了(Al2O3)f/Al复合材料的疲劳寿命(S-N)曲线。通过夭折试验以及SEM疲劳断口和纵截面组织结构分析,研究了复合材料的疲劳损伤模式。研究结果表明,(Al2O3)f/Al复合材料的疲劳极限为750MPa,远高于SCS-6碳化硅纤维增强钛基复合材料。该复合材料兼有钛基和树脂基纤维复合材料疲劳损伤的特点,高应力下由单个裂纹的起源和生长导致复合材料的失效;低应力下,疲劳损伤模式包括纤维劈裂、众多基体裂纹和单个基体裂纹的横向扩展。其中纤维劈裂是主控机制。其更高的疲劳极限可归因于低应力下纤维的纵向劈裂。

Al_(2)O_(3f)/Al合金复合材料凝固偏析研究

利用挤压铸造制备了Al2 O3f/Al合金复合材料 ,研究了复合材料的凝固偏析 .研究结果表明 ,在复合材料的凝固末期 ,由于选择结晶 ,剩余液相中的溶质变化导致基体合金类型的改变 ,最终凝固偏析主要产生在纤维 /基体界面上 .偏析对材料的组织结构和性能的影响可能是双重的 .

LaPO_(4)@Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料的损伤演化有限元仿真

LaPO_(4)界面作为在Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料体系中应用最为广泛的弱界面收到了广泛研究,制备了LaPO_(4)@Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料和Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料,根据现实尺寸,在有限元软件ABAQUS中进行建模,编写了以三维Hashin准则作为失效准则的渐进损伤模型和连续损伤模型,研究LaPO_(4)界面的加入对Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料损伤演化的影响。

不同体积分数纳米Al_(2)O_(3)颗粒增强铝基复合材料的力学性能探究

复合材料高强度和高塑性不可兼得的难题限制了其广泛的运用,因此如何制备高强度和高塑性的复合材料是使其具有更广泛运用的关键。采用高能球磨和真空热压烧结技术制备不同体积分数纳米Al_(2)O_(3)颗粒增强铝基复合材料。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对复合材料的微观结构进行分析,通过准静态压缩测试复合材料的力学性能,并对复合材料的失效方式进行了初步分析。研究结果表明纳米Al_(2)O_(3)颗粒在铝基体中分散均匀,没有发生团聚现象。随着纳米Al_(2)O_(3)颗粒体积分数的增加复合材料的强度提升明显,其中15vol.%-Al_(2)O_(3)/Al复合材料的最大压缩强度达到741 MPa,同时具有23.5%的失效应变,复合材料的失效方式也由脆性-韧性混合断裂转变为脆性断裂。研究结果对铝基复合材料的研究以及工业运用具有一定的参考价值。

软相尺寸对反贝壳复合材料压缩性能的影响

文章采用一步球磨结合真空热压工艺制备了由Al_(2)O_(3)/Al纳米复合材料(硬相)和纯铝(软相)构成的反贝壳结构复合材料,研究了软相尺寸(从微米级到亚微米级)对复合材料压缩性能的影响,并对其变形失效机制进行了分析。结果表明:在保持高失效应变的前提下,抗压强度随软相尺寸的减小而逐渐提高,尤其是从微米级减小到亚微米级时,抗压强度达到494 MPa,比微米级时至少提高60%;当软相尺寸为微米级时,复合材料中的裂纹萌生于软硬相界面处,并沿着界面-硬相-软相扩展,最终形成沿着与加载方向呈45°的宏观主裂纹。同时,软相可有效阻挡二次裂纹的扩展,当软相尺寸减小到亚微米级别时,裂纹萌生于软相变形带附近并沿着变形带-硬相扩展,逐渐演变成与加载方向呈±45°的均匀分散于整个复合材料的微裂纹,即软相尺寸从微米级减小到亚微米级时,增韧机制由软相对裂纹的阻挡转变为微裂纹的增殖和均匀分散。该研究结果为制备高强韧铝基复合材料提供重要参考价值。

极小曲面Al_(2)O_(3)/Al复合材料的压缩断裂行为研究

通过光固化3D打印技术制备三维网络蜂窝结构和TPMS结构陶瓷骨架,采用无压金属熔渗方法将金属填充在骨架内并成功制备三维连续网络互穿Al_(2)O_(3)/Al复合材料。研究2种结构的Al_(2)O_(3)/Al复合材料的压缩断裂行为和主要断裂机制。结果表明,三周期极小曲面(triply periodic minimal surface, TPMS)结构Al_(2)O_(3)/Al复合材料的极限抗压强度和吸能分别为260.64 MPa和791.19 kJ/m^(3),分别是蜂窝结构的4.8倍和15.5倍。研究发现,复合材料受压破坏是由韧性和脆性断裂组成的混合断裂,所以三周期极小曲面(TPMS)结构复合材料因其平滑且规则的拓扑结构,能很好地分解应力和传递负荷,具有更高的强度和延展性,进而有更广阔的应用前景。

不同基体对连续Al_(2)O_(3)f/Al复合材料纤维损伤的影响

采用真空气压浸渗法制备了增强体为Al_(2)O_(3)纤维,基体合金分别为1A99、ZL210A、ZL301及7075铝合金的连续Al_(2)O_(3)f/Al复合材料,并用NaOH溶液提取出Al_(2)O_(3)纤维,研究了不同基体对Al_(2)O_(3)f/Al复合材料纤维损伤的影响。结果表明,在同样的制备工艺下,不同的基体对Al_(2)O_(3)纤维的损伤程度不同。Al_(2)O_(3)纤维与纯铝及ZL210A基体界面反应程度微弱,纤维表面光滑,未发现界面反应产物,纤维剩余强度分别为1746MPa和1658MPa;Al_(2)O_(3)纤维与ZL301发生界面反应生成了MgAl2O4(镁铝尖晶石),纤维表面较为粗糙,剩余强度为1584MPa;Al_(2)O_(3)纤维与7075基体发生了严重的界面反应生成了Al2(SiO4)O(蓝晶石)和ZnAl2O4(锌铝尖晶石),纤维表面非常粗糙,剩余强度仅为980MPa。表明不同基体与Al_(2)O_(3)纤维之间的界面反应程度造成了纤维不同程度损伤。

Al_(2)O_(3)/TiB_(2)/Al复合材料的微观结构和高温力学性能

以细雾化铝粉和TiB_(2)颗粒为原料,通过粉末冶金和热轧制制备微米TiB_(2)和纳米Al_(2)O_(3)颗粒增强铝基复合材料。室温时,由于TiB_(2)和Al_(2)O_(3)的综合强化作用,Al_(2)O_(3)/TiB_(2)/Al复合材料的屈服强度和抗拉强度分别为258.7 MPa和279.3 MPa,测试温度升至350℃时,TiB_(2)颗粒的增强效果显著减弱,原位纳米Al_(2)O_(3)颗粒与位错的交互作用使得复合材料的屈服强度和抗拉强度达到98.2MPa和122.5 MPa。经350℃退火1000 h后,由于纳米Al_(2)O_(3)对晶界的钉扎作用抑制晶粒长大,强度和硬度未发生显著的降低。