3D-CF/Al复合材料宏细观结构与力学性能研究进展

三维编织碳纤维增强铝基复合材料(以下简称为3D-CF/Al复合材料)因内部存在由连续碳纤维束构成的空间网状结构,具有更高的比强度、比刚度、抗冲击损伤和抗裂纹扩展能力。文章综述了编织结构和制备工艺参数对3D-CF/Al复合材料力学性能的影响以及关于其细观结构建模与力学分析方面的研究进展,并针对3D-CF/Al复合材料的设计、制备与应用的关联环节,提出一种宏细观结构与力学协同的理论构想,以期实现复合材料的数字化设计、制造与性能预测。

1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料热变形模型对比分析

采用Gleeble-3500热模拟试验机在变形温度为25~400℃、应变速率为0.01~10s^(-1)和真应变为0.85的条件下,对1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料进行了热压缩试验,研究其热变形行为,建立了应变补偿的Arrhenius (SCA)、修正的Johnson-Cook (MJC)和修正的Zerilli-Armstrong (MZA) 3种本构模型,并对流变应力的预测值与实验值进行对比。结果表明,层状复合材料流变应力呈加工硬化型,并随温度升高或应变速率降低而降低;在100℃/0.5s^(-1)、200℃/0.1s^(-1)和300℃/0.1s^(-1)条件下,层状复合材料组元层间变形较为协调;3种本构模型中,MZA模型的相关系数最高,R为0.99085、平均绝对相对误差最低,e_(AARE)为0.046966,更适合描述1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料的热变形行为。

W增强Al/Gd_(2)O_(3)双屏蔽复合材料的制备与性能研究

为了屏蔽中子与γ射线的危害,在Al/Gd_(2)O_(3)材料中加入W并采用放电等离子体烧结(SPS)制成Al/W/Gd_(2)O_(3)复合材料。利用扫描电镜和XRD分析了复合材料的形貌和物相结构;利用蒙特卡罗统计试验方法和粒子传输软件MCNP5对Al/W/Gd_(2)O_(3)复合材料屏蔽中子和γ射线的性能进行模拟计算。结果表明,与原铝基复合材料相比,Al/W/Gd_(2)O_(3)复合材料的力学性能优异、抗拉强度提高;拉伸断口形貌表明,复合材料断裂模式为穿晶断裂。

Cu-Sn、Ni-Cr、Co烧结助剂对Ni_(3)Al基金刚石复合材料性能的影响

采用真空热压法制备了Ni_(3)Al基金刚石复合材料,研究了不同烧结助剂对复合材料力学性能和微观结构的影响,并对Ni_(3)Al基金刚石钻头的钻孔性能进行了测试。结果表明,在添加0~30vol%的Cu-Sn、Ni-Cr、Co烧结助剂后,Ni_(3)Al基金刚石刀头的致密度、抗弯强度、硬度得到提高。Ni3Al基金刚石复合材料的抗弯强度随着Ni-Cr、Co烧结助剂含量的增加而提高。Cu-Sn、Ni-Cr烧结助剂中的Cr元素在金刚石的表面出现了富集现象。将添加Cu-Sn、Ni-Cr烧结助剂的Ni_(3)Al基金刚石复合材料制备成工具进行钻削测试,发现Ni_(3)Al基金刚石复合材料的失效形式可以分为微破碎、磨耗、宏观破碎3种形式,钻削试验中并没有发现整颗金刚石脱落的现象,表明Ni_(3)Al基对金刚石的把持力较大,强度较高。

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。

碳化物特性对Ni_3Al基表面强化复合材料组织与性能的影响

将真空常压烧结的方法制得的Cr3 C2-Ni-Al和WC-Ni-A1复合焊丝氩弧堆焊于碳钢表面时,利用氩弧物理热和Ni-Al反应热,促使碳化物硬质颗粒与自生成的Ni3Al金属间化合物基体复合。XRD分析表明,在堆焊过程中两种焊丝中的Ni,Al均化合反应生成Ni3Al金属间化合物。微观组织与硬度试验表明,受各自物理特性(密度、熔点)的影响,两种碳化物硬质相在Ni3Al基体中分布均匀程度不同,其强化效果也迥异:WC仍以原始的大颗粒形态偏聚于焊层层间界面处,而起不到弥散强化作用;Cr3C2则发生分解,并反应析出条块状的Cr7C3相,均匀分布于Ni3Al基体中,很好地强化了基体材料。Cr7C3/Ni3Al复合材料的室、高温硬度远高于传统高温耐磨材料Stellite合金。该合金有望成为一种新型的高温耐磨表面强化材料。

原位反应法制备Al/Al_3Ti复合材料组织和性能

本研究采用一种新型的原位反应工艺，使ＴｉＯ２粉剂与纯铝熔体反应，生成Ａｌ３Ｔｉ颗粒，然后采用搅拌铸造法制备Ａｌ／Ａｌ３Ｔｉ复合材料。生成的Ａｌ３Ｔｉ颗粒尺寸细小，为２～３μｍ，而且分布均匀，与基体结合好。当ＴｉＯ２加入量为纯铝基体的３０ｗｔ％、反应温度为９２０℃时，复合材料的抗拉强度比纯铝基体提高７１．５％，硬度提高１３４％，而延伸率较纯铝稍有下降。

PPS／Al2O3导热复合材料的性能及其应用

以微米级三氧化二铝(Al2O3)为导热填料,制备了聚苯硫醚(PPS)/Al2O3导热复合材料,研究了硅烷偶联剂表面改性对PPS/Al2O3复合材料力学性能和导热性能的影响。研究表明,硅烷偶联剂对Al2O3的表面改性提高了PPS/Al2O3导热复合材料的力学性能,且材料的热导率随着Al2O3含量的增加而增大,当Al2O3的质量分数为70%时,未改性和改性Al2O3填充PPS导热复合材料的热导率分别达到2.279 W/(m.K)和2.392 W/(m.K),后者的热导率在Al2O3含量较高时偏离Agari理论曲线。SEM分析表明,改性Al2O3在PPS中分散均匀,两者结合紧密。经应用研究表明,PPS/改性Al2O3质量比为40/60的导热复合材料完全可满足发动机零部件、高耐热电子元器件对材料导热与力学性能的要求。

高能超声对原位合成Al_3Ti/6070复合材料凝固组织的影响及机制

以Al-K2TiF6为反应体系,采用熔体反应法,在高能超声场下原位合成Al3Ti/6070复合材料。采用XRD、SEM、EDS等手段研究不同超声参数如超声时间和超声强度对Al3Ti/6070复合材料增强体形貌及尺寸的影响。建立了超声作用下熔体中颗粒行为模型,并对其机制进行了探讨。结果表明:在一定的超声强度下(0.66kW/cm2),颗粒尺寸随超声作用时间的延长(1～7min)先减小后增大,当作用时间为3min时,颗粒最细小,尺寸为1～2μm,形貌主要为小块状或短棒状;当超声作用时间大于3min时,颗粒数量随时间增加而急剧减少;在相同的超声作用时间(3min)下,颗粒尺寸随超声强度的增加而减小,当超声强度为0.82kW/cm2时,颗粒尺寸为0.5～1μm,颗粒形貌主要为小块状或粒状,当超声功率大于0.82kW/cm2时,颗粒数量随超声功率增加而急剧减少。高能超声作用下Al3Ti/6070复合材料的最佳制备工艺为:超声强度0.66～0.82kW/cm2,超声作用时间3min。

Al_2O_3陶瓷复合材料的研究进展

介绍了Al2O3陶瓷增韧技术和Al2O3陶瓷增强金属基复合材料的研究进展,指出复合增韧是未来Al2O3陶瓷增韧技术的发展方向;金属表面自生Al2O3防护层技术是提高金属耐蚀性,降低成本的有效方法;三维网络Al2O3陶瓷/金属复合材料具有更优良的力学性能;仿生设计和计算机模拟技术是开发新型网络Al2O3陶瓷骨架的重要手段。

纳米Al_2O_3增强铝基复合材料的制备技术和发展方向

纳米颗粒具有极高的增强效率,能够显著提高铝基复合材料的综合性能。纳米Al2O3/Al复合材料作为其中的代表,具有高弹性模量、高强度和低密度等优势,得到长期的关注和研究。详细介绍了纳米Al2O3/Al复合材料的制备方法,分析了各制备方法的优点和缺点,并对纳米Al2O3/Al复合材料的发展前景进行了展望。

内氧化法制备Al_2O_3/Cu复合材料

Al2O3/Cu复合材料不仅具有和纯铜一样优良的导电、导热性能,而且由于弥散强化的作用使其拥有高的硬度和强度,特别是优越的高温强度,从而使其成为越来越重要的工程材料之一。论述了Al2O3/Cu复合材料的强化机理及Cu-Al合金的内氧化机理,重点阐述丁内氧化过程中Al2O3颗粒的形核、长大和粗化,并采用内氧化法制备了性能优越的Al2O3/Cu复合材料。

Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料的高温稳定性

通过对Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料在1000℃进行长期时效和氧化实验,分别考察了该材料的高温相稳定性和化学稳定性．结果表明,经1000℃长期时效后,Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料中的Cr_3C_2强化相保持稳定,而基体中则析出一定量的γ相,该相的析出强化了Ni_3Al基体,从而使得复合材料的硬度得到进一步提高．Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料具有优良的高温抗氧化性能,其表面形成以α-Al_2O_3为主的致密氧化膜,在空气中的氧化速率仅为Ni_3Al合金的1/2．分析队为,Cr_3C_2在堆焊过程中发生溶解,导致部分Cr固溶于Ni_3Al合金基体中,促进了α-Al_2O_3的形成,从而改善了复合材料的抗氧化性．Cr_3C_2具有良好的高温化学稳定性并与Ni_3Al基体有较好的氧化协同性,从而可得到基体有力支撑以发挥抵抗磨损的作用．优良的高温稳定性使得Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料适于在1000℃的高温环境下长期服役．

内氧化法制备Al_2O_3/Cu复合材料的研究现状

综述了内氧化法制备Al2O3/Cu复合材料的研究现状,总结了内氧化法制备Al2O3/Cu复合材料的必备条件,对内氧化动力学和热力学进行了详细的阐述,并以Cu2O为氧源,采用内氧化法制备了Al2O3/Cu复合材料,验证了其优越的室温和高温性能;对以复合材料棒材为原料制备的点焊电极进行装机试验,结果表明其寿命为传统Cu-Cr-Zr电极的3～5倍;最后着重分析了内氧化法制备Al2O3/Cu复合材料发展过程中亟待解决的问题。

亚微米Al_2O_3颗粒的微观结构及Al_2O_(3p)/1070Al复合材料的界面

利用透射电镜和高分辨电镜对直径为 0 .15 μm的球形Al2 O3 颗粒增强相及其增强 10 70Al复合材料的界面进行了观察 ,结果表明 :Al2 O3 颗粒是由一些角度相差较小的晶面构成的多面体 ,多面体的各晶面是由密排面沿着密排晶向形成的台阶式结构 ;0 .15 μm的Al2 O3 p/10 70Al复合材料界面结合良好 ,没有发现任何界面反应物 ;由于颗粒的台阶式结构导致铝基体与Al2 O3

反应合成Ti_3Al/TiC+Al_2O_3复合材料烧结过程热力学分析

将高能球磨后的Ti-Al粉末和TiC,Al2O3粉末混合进行热压烧结,在烧结的过程中反应生成金属间化合物为增强相的复合材料。通过对粉料的X射线衍射分析、热分析(DSC)和烧结体的成分分析表明,最终的金属间化合物只有Ti3Al而没有其它金属间化合物相。通过热力学计算,分析了反应烧结过程并发现在低温由固相间原子扩散控制生成TiAl3,TiAl,Ti3Al的渐进过程,和在高温下金属间化合物的合成机理,而且增强相和基体界面间处于稳定状态。

Al-K_2ZrF_6反应体系生成Al_3Zr_p/Al复合材料的界面结构

借助于透射电镜 (TEM )研究了Al K2 ZrF6体系熔体反应生成Al3 Zrp/Al复合材料中Al3 Zr颗粒晶体形貌及Al3 Zr/Al界面结构。结果表明 :原位生成的Al3 Zr颗粒以多面体和长方体为主 ,颗粒晶体表面存在生长小面(facet) ,其晶体为四方结构 ,密排面为 (11- 4- ) ;Al3 Zr/Al界面光滑、洁净 ,无界面反应物。电子衍射图及界面原子排列分析表明 ,Al3 Zr颗粒与Al在界面处存在位向关系 :[2 - 2 - 1]Al3 Zr∥ [10 0 ]Al,(0 12 ) Al3 Zr∥ (11- 0 ) Al,其点阵错配度仅为 10 .87%。此外 ,熔体反应法制备的Al3 Zrp/Al复合材料不仅凝固组织均匀 ,而且具有良好的力学性能。

颗粒增强Fe_3Al基复合材料的制备和性能

用熔铸法制备了ＳｉＣ， Ａ１２Ｏ３和 ＴｉＢ２颗粒增强 Ｆｅ－２８Ａｌ－５Ｃｒ基复合材料，研究了材料的 微观组织和力学性能，结果表明， Ａ１２Ｏ３在 Ｆｅ３Ａ１中的化学稳定性很好， ＴｉＢ２与基体发生了部分反应，ＳｉＣ与基体的反应严重，复合材料在室温和高温下的力学性能的变化说明，上述颗粒的加入使材料的强度较大幅度的提高。

内氧化法制备Al_2O_3/Cu复合材料的再结晶行为

以Cu2O为氧化剂,采用Cu-Al合金粉末内氧化及后续的粉末冶金法制备了Al2O3/Cu复合材料。并将不同Al2O3含量的试样进行不同变形量的冷拔处理,在氮气保护下进行高温退火处理(700℃～1050℃,1h)。研究了硬度随退火温度的变化规律,观察了显微组织。结果表明:在铜基体中弥散分布着纳米级的Al2O3颗粒;经900℃,1h退火后Al2O3/Cu复合材料的硬度可保持室温的87%以上;其再结晶温度高达1000℃;变形量和Al2O3含量增加均使硬度提高,但对软化和再结晶温度影响不大。

高能球磨制备Al_3Ti/Al块体纳米晶复合材料

通过对Al Ti系和Al TiO2 系进行高能球磨和压制烧结制备了固态原位反应生成的纳米晶块体Al3Ti/Al复合材料。研究表明 :Al Ti合金系高能球磨后 ,各组元晶粒得到细化 ,并且Ti在Al中发生了强制超饱和固溶 ,烧结时原位反应形成纳米晶Al3Ti/Al复合材料 ;而Al TiO2 反应体系高能球磨仅发生组分晶粒细化 ,烧结时TiO2 部分还原并和Al原位反应生成纳米晶 (Ti2 O3+Al3Ti) /Al复合材料。