Cu-Cr原位复合材料中Cu/Cu、Cu/Cr界面HRTEM分析

对大变形制备的Cu-Cr原位复合材料的相界面进行HRTEM分析。结果表明:在Cu/Cu界面观察到两种界面衬度,即完全共格和错配位错衬度;Cu/Cr界面观察到完全共格和波纹图衬度。且发现在应变量η=6.43时,Cu/Cr界面中的Cr侧通过晶内畸变位错调节与基体的应变差异,保持界面的共格状态。

形变Cu-Cr原位复合材料中纤维相的热稳定性

研究不同温度时大变形Cu-15Cr-0.1Zr原位复合材料中Cr纤维的热稳定性,采用扫描电镜和透射电镜观察Cr纤维形态变化,测定Cr纤维的断开直径,并进行数值模拟。并根据模界面分裂模型计算了550～900℃时Cr在Cu/Cr界面的界面扩散系数。结果表明:高温条件下纤维的形态由片状到球体化断裂,其过程为,Cr纤维逐步形成空洞、纵向开裂、断开和球化;高温条件下纤维断裂受界面扩散控制。

Cu-Cr原位复合材料组织性能研究

采用感应加热熔炼及通过热锻和线拉变形结合中间热处理制备了Cu-15%Cr原位复合材料,用SEM和TEM等技术对形变Cu-Cr原位复合材料的Cr纤维形成过程、立体形态进行了分析。结果表明,在变形过程中Cr树枝晶发生转动,平行于线轴方向排列;Cr纤维立体形态则为卷边的薄片状。测定了形变Cu-Cr原位复合材料的抗拉强度,分析表明,强度随变形量的增加而提高,与纤维相间距呈Hall-Patch关系。

原位合成TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料研究进展

原位合成技术制备的铝基复合材料,权衡了强度和塑性间的矛盾,有望实现铝基复合材料的结构功能一体化。原位合成TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料比刚度,比模量高,具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、耐磨性能和抗疲劳性能,是近年来金属基复合材料的研究热点之一,在汽车制造、高铁动车、航空航天和国防军事等领域具有广阔的应用前景。归纳了三种原位合成TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料反应体系(Al-K_(2)TiF_(6)-KBF_(4)体系、Al-TiO_(2)-B_(2)O_(3)体系和Al-Ti-B体系)的特点和优势,概述了原位合成TiB_(2)颗粒对铝基体晶粒尺寸、界面结合和润湿性产生影响的研究现状,对TiB_(2)颗粒强化铝复合材料力学性能的作用机制展开了讨论,梳理总结现阶段在此领域研究过程中仍未解决的问题,展望TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料的潜在发展空间,以期为研究和开发原位合成颗粒增强铝基复合材料提供参考。

原位合成TiC颗粒增强铝基复合材料研究进展

原位合成TiC颗粒增强铝基复合材料具有密度小、比模量高、低热膨胀系数、热稳定性和导热性能良好,以及耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀优良等一系列优点,成为了近年来金属基复合材料的研究热点。本文从反应体系、显微组织、力学性能和强化机制四个方面,综述了近年来原位合成TiC/Al复合材料的研究进展,指出了其存在的问题并展望了其发展趋势,以期为研究和开发原位合成颗粒增强铝基复合材料提供参考。

原位合成颗粒增强铜基复合材料的研究进展

弥散强化型铜基复合材料,兼具优异的导电导热性能、高强度、良好的热稳定性和耐磨性,是核反应堆、航空器及高端装备中各种导电导热元件的关键材料,在核电、航空、交通、军事等诸多重要领域有不可替代的作用。原位合成法是在一定温度下金属基体内发生化学反应,原位生成一种或几种陶瓷增强体的技术。原位反应制备颗粒增强铜基复合材料存在两个重要的问题亟待解决:一是增强相的团聚问题,二是增强相的尺寸调控问题。本文总结了几种较为常用的制备弥散强化型铜基复合材料的原位合成方法,并对比分析了几种方法的特点、优劣及技术难点。同时,本文综述了原位合成法对铜基复合材料中颗粒尺寸和分布的影响,分析了原位合成法不同参数对复合材料力学及综合性能的影响规律,并从增强相颗粒形核与生长的原理出发,提出了促成细小弥散颗粒增强相的工艺方案。

原位生长CNTs对于铜基复合材料性能的影响

通过化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)法成功制备了CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料。采用内氧化法制备Cu-Al_(2)O_(3)粉末,利用CVD技术改善碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)在铜基体中的分散性和界面结合,提高复合材料的性能。在制备的铜基复合材料中,Al_(2)O_(3)和CNTs双增强相的加入能够提高复合材料的力学性能,且CNTs独特的纤维结构有助于阻止熔融铜脱离基体表面,保持液态熔池稳定,避免复合材料导电率降低。双增强相的添加提高了复合材料的耐磨性、抑制了腐蚀坑的形成。Al的质量分数为0.35%的CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料能够保证导电率较高的情况下得到较高的维氏硬度与致密度。为制备高性能铜基电接触材料提供了新思路。

SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料高温环境损伤原位监测研究进展

连续SiC纤维增强SiC(SiC_(f)/SiC)复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐辐照等优点,在先进航空发动机热端部件和核反应堆包壳等领域具有广阔的应用前景。SiC_(f)/SiC复合材料具有纤维、界面、基体等复杂的多尺度结构,其服役环境苛刻、损伤失效过程复杂,深刻理解与准确分析其在近服役环境下损伤失效模式对于材料和构件的可靠服役具有重要意义。传统的“事后分析”方法无法获取材料在复杂服役环境下的损伤失效过程数据,因此迫切需要发展面向高温服役环境的复合材料原位表征测试技术。本文介绍了基于扫描电子显微镜、数字图像相关、显微计算机断层扫描、声发射、电阻等原位监测方法的基本原理、优势与局限性,重点讨论了以上各种原位监测方法及多种原位监测方法联用在SiC_(f)/SiC复合材料高温环境力学表征中的最新研究进展。最后,总结了SiC_(f)/SiC复合材料高温环境原位监测技术存在的挑战,并对多种原位技术联用、太赫兹辐射等新型检测技术、复杂构件的损伤原位监测方法等未来发展方向进行了初步展望。

CNT薄膜电热原位共固化复合材料板的温度均匀性研究

碳纳米管(CNT)薄膜电加热原位共固化复合材料是一种免热压罐的高效节能工艺方法,是国家“双碳”战略下制备碳纤维复合材料的新途径。然而,在固化过程中CNT薄膜电加热的不均匀温度分布,易导致复合材料成型质量差,进而限制其应用。为此,研究揭示了CNT薄膜的电加热特性,阐明了加载电压、预浸料层数以及CNT薄膜层数/尺寸对复合材料温度分布的影响规律。结果表明,CNT薄膜具有高电热转换效率和良好的热稳定性,增加CNT薄膜层数和尺寸有利于改善复合材料面内温度分布。对于12层200 mm×180 mm预浸料,采用1.7倍尺寸的双层CNT薄膜可将复合材料固化过程中的面内温差降低至4℃以内,固化度达到99%以上,且相比传统烘箱固化,复合材料的拉伸强度提高了6.99%。研究结果为发展CNT薄膜电热原位共固化复合材料结构的温度均匀调控方法奠定了基础。

原位效应影响下复合材料损伤抗性增强研究

为研究轻量化碳纤维复合材料抗损伤尤其是抗分层能力增强策略,首先对复合材料原位横向拉伸和剪切强度进行参数化分析,指明材料薄层化后能提升材料的原位强度并改善其抗损伤性能。然后,通过短梁弯曲试验分析得到面外载荷作用下基体裂纹扩展是导致层合板内部分层的重要原因,并构建基于经典Hashin准则和考虑原位效应的材料损伤模型,运用该材料模型对短梁弯曲失效行为开展仿真分析。最后,将该损伤模型和材料强化方案推广应用至局部冲击载荷下层合板损伤分析中。研究结果表明:当正交铺层短梁的单层厚度减少到原来的1/4时,其弯曲强度显著提升48%,结构失效位移也显著变大;层间分层被抑制和结构强度提升的原因在于基体中裂纹萌生和扩展被显著推迟。在相同冲击载荷下,薄层化层合板内部分层区域明显减小,表明薄铺层设计方案提升了碳纤维复合材料层合板局部冲击分层抗性。

多步法原位制备TiB2颗粒增强点焊电极用铜基复合材料及其应用

为提高点焊电极的使用寿命,采用多步法制备TiB2增强的铜基复合材料。采用X射线衍射(XRD)、金相显微技术、扫描电镜(SEM)等表征手段对多步法制备的TiB2增强的铜基复合材料物相、微观形貌进行分析。通过对复合材料力学性能指标测量发现,多步法制备所制备的铜基复合材料具有较好的综合力学性能,将多步法制备的铜基复合材料加工成点焊电极,其寿命测试结果相较于其它对比样最高,寿命达到1500个焊点,是普通铬锆铜点焊电极寿命的2.6倍。

PBO/PET复合材料的双原位法制备及其辐射防护性能

以对苯二甲酸、乙二醇和硼酸铅为原料,采用双原位法实现从液相单体直接制备出固体聚酯复合材料。将硼酸铅(PBO)加入乙二醇中加热搅拌,使硼酸铅/乙二醇(PBO/EG)分散液从乳白色悬浮液转变为清澈透明胶体,再将分散液与对苯二甲酸聚合,制备出含有百纳米级新生硼酸铅的聚酯(PBO/PET)复合材料,研究了不同PBO添加量对复合材料热性能、辐射屏蔽性能的影响,并探究了分散液的形成过程和复合材料的结构及物相。结果表明:硼酸铅在乙二醇中以硼酸酯形式存在,并表现出胶体属性;双原位制备过程中硼酸铅结构被乙二醇破坏,然后在聚酯聚合过程中重新生长出结构和形貌完全不同的硼酸铅;硼酸铅对聚酯分子链运动行为有显著影响,可提升结晶度、结晶温度和熔融温度,降低玻璃化转变温度;双原位制备聚酯复合材料表现出优异的中子和γ射线防护性能,当PBO填充质量分数为20%时,对105 keVγ射线衰减系数达到1.876 cm^(2)/g,0.025 eV中子吸收率达到55.5%。双原位法能简化聚酯复合材料的加工步骤,为硼酸盐填料在聚酯基体中的粒径调控和功能聚酯的无副产物绿色制备提供新的技术路径。

原位改性浇铸尼龙6复合材料的合成与表征

为了提高单体浇铸尼龙6(MCPA6)的综合性能,在MCPA6合成体系中添加乙烯-辛烯共聚物(POE)、聚氨酯包覆空心玻璃微珠(TPU@HGM)进行原位改性,制备了MCPA6/POE和MCPA6/POE/TPU@HGM复合材料,研究POE及POE/TPU@HGM对材料结构和性能的影响。傅里叶变换红外光谱表征结果显示合成的聚合物为MCPA6。力学性能测试结果表明,POE加入可提高材料的断裂伸长率和缺口冲击强度,但会降低拉伸强度;MCPA6/POE/TPU@HGM复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、缺口冲击强度与纯MCPA6相比分别提高了32.23%,110.07%,114.36%,实现了增强增韧的效果。POE和TPU@HGM的加入提高了复合材料分解温度和残炭率,热稳定性提高。此外,POE和TPU@HGM对复合材料中MCPA6的结晶有阻碍作用,使MCPA6的结晶温度降低、结晶速度减慢、结晶结构不完善、熔点降低。

原位合成的钛合金@CNTs粉体SPS制备TiC/Ti复合材料的微结构与性能

以Fe/Ni为催化剂,利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在球形钛合金微米粉体表面原位合成了碳纳米管(CNTs)包覆的钛合金(钛合金@CNTs)复合粉末。以钛合金@CNTs粉体为原料,利用放电等离子体烧结(SPS)工艺制备了原位TiC与CNTs增强Ti基复合材料,采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、电子探针、纳米压痕等对复合粉体及烧结复合材料的微观结构、物相成分及力学性能进行了表征分析。在此基础上探讨了催化剂前驱体含量、生长时间等对低温原位CNTs生长机理的影响,以及复合粉体烧结反应对复合材料组织结构的形成以及CNTs与Ti基体反应原位形成TiC的机理。结果表明,原位形成的TiC主要受CNTs的结晶度与SPS温度所影响。

原位TiB/凹凸棒石矿物双相增强Ti基复合材料的制备及其摩擦学性能

以Ti、Al、B和凹凸棒石矿物粉体为原料,利用放电等离子烧结(SPS)工艺制备了原位TiB/凹凸棒石矿物双相增强Ti基复合材料,借助扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、显微硬度计和纳米压痕仪等研究了凹凸棒石矿物对原位Ti基复合材料微观组织、物相结构、增强体形态与分布以及微纳力学性能的影响,采用SRV滑动磨损试验机考察了其在油润滑条件下的摩擦学性能,探讨了凹凸棒石改善原位Ti基复合材料力学及摩擦学性能的作用机制.结果表明,SPS工艺制备的原位TiB/凹凸棒石矿物双相增强Ti基复合材料组织致密,原位自生TiB增强体分布均匀,凹凸棒石矿物对复合材料基质相具有明显的细晶强化作用.在摩擦过程中复杂的物理和化学作用下,凹凸棒石矿物与复合材料中的Ti、Al以及对偶钢球的Fe等元素发生摩擦化学反应,在摩擦表面形成了由金属氧化物、二氧化硅、石墨和凹凸棒石矿物等构成的减摩自修复层,从而使钛基复合材料表现出优异的摩擦学性能.

原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料的性能研究

针对传统铝合金无法满足工业和民用中对高强高导铝合金需求的问题,开发一种提升铝合金表面硬度且保证其导电导热性能的新型铝基复合材料。通过机械合金化法制备了Al-TiO_(2)-B混合粉末,采用放热弥散结合接触反应技术成功原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料,探究了原始粉末Al-TiO_(2)-B体系反应生成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料的反应机理及反应温度对原位反应的影响,分析了铝基复合材料的微观组织形貌以及表面显微硬度和导电导热性能。XRD分析结果表明,反应温度达到1100℃保温200 min后,原始粉末Al-TiO_(2)-B体系中的TiO_(2)和B粉末完全反应,并且在反应过程中B粉抑制了中间产物Al3Ti和AlB2的生成,最终原位生成为Al_(2)O_(3)和TiB_(2)颗粒混杂增强的铝基复合材料。显微组织观察表明,在铝基体中原位生成了TiB_(2)颗粒(直径小于1μm)和Al_(2)O_(3)颗粒(粒径约为2μm),且铝基复合材料表面组织均匀致密。原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)混杂颗粒增强铝基复合材料的电导率为46.1%IACS,热导率约为198.5 W·m-1·K-1,显微硬度较传统A356铝合金的68 HV提升至76 HV,新型原位合成铝基复合材料在保证导电导热性能的前提下提升了铝基复合材料的显微硬度。

超疏水/超亲油含棉复合材料构造及其油水分离应用

以多丙烯酸酯基化合物与多氨基化合物胶凝作用形成的凝胶体系为基础,引入棉纤维、含短氟碳链单体、交联单体、引发剂,基于原位聚合法制得超疏水/超亲油含棉复合材料[OC-PG@P(DVB-HFBMA)]。采用扫描电子显微镜(SEM)观察其微观结构,探究了其对水相及油相展现的不同特殊润湿行为并评价其应用稳定性。结果表明,OCPG@P(DVB-HFBMA)的水接触角大于158°,水滚动角为1°,油接触角为0°,具有出色的超疏水/超亲油性及突出的油水分离性能。

原位聚合热塑性复合材料及其成型工艺研究

热塑性树脂分子量大,熔体黏度高,采用热熔方法制备复合材料存在树脂流动性差、微观尺度上易形成复合缺陷的问题。采用原位聚合方法制备热塑性复合材料,不仅可以避免上述问题,还能够沿用热固性复合材料的成型方法,进而实现热塑性复合材料的高效率、低成本制造,因此原位聚合热塑性复合材料在复合材料应用领域具有广阔的应用前景。围绕几种原位聚合热塑性树脂,本文阐述了其复合材料性能及成型工艺的研究现状,并针对目前存在的问题,提出了4个研究方向:改性工艺与成型工艺的耦合、聚合环境洁净度和聚合反应对杂质的敏感性的控制、聚合反应放热温度的控制、液体成型树脂适用期的调控。

超声振动优化铝基复合材料中亚微米TiB_(2)颗粒分布及其对力学性能的影响

利用熔盐-金属反应法成功制备了9 mass%TiB_(2)颗粒原位增强Al-4.5Cu铝基复合材料,研究超声振动处理对团聚状亚微米TiB_(2)颗粒分布的改善作用。结果表明:利用超声振动产生的空化效应和声流效应,有效消除了熔体中颗粒团聚的现象。经超声处理4 min后,TiB_(2)颗粒均匀地分散在整个熔体中,由小于100 nm的TiB_(2)颗粒形成的微小团聚也被打散。复合材料凝固后,有一些小于400 nm的TiB_(2)颗粒分散在晶界附近的基体中。超声振动处理4 min后,复合材料的屈服强度比基体合金和未超声振动处理的复合材料分别提高119%和64.3%,这主要是由于超声振动处理使得TiB_(2)颗粒细小并弥散分布在复合材料的基体中,导致Orowan强化和热膨胀错配强化效果增强,从而使其强度增加。

MOF@γ-Al_(2)O_(3)复合材料的制备及其选择性染料吸附性能研究

本文通过原位生长法将金属有机骨架(MOF)与γ-Al2O3相结合制备了两种MOF@γ-Al_(2)O_(3)复合材料,即UIO-66/UIO-66-NH2@γ-Al_(2)O_(3),并将其应用于选择性染料吸附性能研究。结果表明:UIO-66/UIO-66-NH_(2)@γ-Al2O3复合材料可选择性吸附阴离子染料(刚果红,CR),吸附量分别可以达到1520.91mg·g^(-1)和1598.65mg·g^(-1)。同时,UIO-66/UIO-66-NH2@γ-Al_(2)O_(3)复合材料还具备优异的稳定性,重复使用10次后对CR的选择性吸附性能基本保持不变。