基于神经网络的混杂SiC颗粒增强铝基复合材料力学性能预测

目的提高混杂SiC颗粒增强铝基复合材料的韧性,利用卷积神经网络预测其力学性能,以得到力学性能关键因素的影响规律。方法首先,通过实验得到了铝基复合材料的力学性能数据。其次,基于相场裂纹扩展本构,采用Python代码批量生成了不同构型参数的代表性体积单元,并利用Abaqus软件进行了有限元仿真(FEM)。通过代码实现了建模与仿真的一体化构建,利用得到的仿真数据,建立了神经网络模型,并实现了对复合材料力学性能的预测。建模前,对数据进行预处理和筛选,以提高数据质量并降低模型复杂度。最后,建立卷积神经网络,并优化模型的超参数。结果通过建立的神经网络模型,实现了对复合材料力学性能的有效预测。极限强度的预测误差保持在−7%~8.5%,能耗的预测误差保持在−5%~6%,预测精度较高。结论通过结合实验、仿真和卷积神经网络模型,可以更有效地预测混杂SiC颗粒增强铝基复合材料的力学性能,从而为材料设计和制备提供指导。

金属颗粒增强镁基复合材料制备技术及性能的研究进展

镁基复合材料具有低的密度、优异的力学性能等特点,在汽车、电子、航空航天等领域有广阔的应用前景。本文综述了国内外金属颗粒增强镁基复合材料的研究进展,详细介绍了金属颗粒增强镁基复合材料常见制备方法的特点,分析了金属颗粒增强镁基复合材料的界面结构和主要强韧化机理。最后,对金属颗粒增强镁基复合材料制备材料及工艺的发展进行了展望。

混杂颗粒增强Ni基复合材料的冲蚀磨损性能研究

煤炭开采、石油化工等极端工况条件下的机械装备对部分关键零部件材料的磨损性能提出了更高要求。本研究设计制备了大尺寸氧化锆颗粒(ZTAp)承载与小尺寸碳化钨颗粒(WCp)强化基体相结合的混杂颗粒增强金属基复合材料,研究了介质、冲蚀角度、ZTAp尺寸、WCp含量对复合材料冲蚀磨损性能的影响及其机理。结果表明,适量ZTAp、WCp的添加能够显著提高复合材料的抗冲蚀磨损性能。固定体积分数的ZTA颗粒,尺寸越大,复合材料冲蚀磨损性能越好,其主要失效形式为脆性剥落和疲劳断裂。WC颗粒通过第二相增强、固溶强化以及析出强化的方式,提高了基体的硬度和耐磨性,抑制了酸性介质中腐蚀与磨损的交互作用,冲蚀过程中主要失效形式为脆性断裂剥落。

铝酸盐体系中氧化时间对碳化硅颗粒增强铝基复合材料微弧氧化膜层的影响

[目的]探究氧化时间对碳化硅颗粒增强铝基(SiC_(p)/Al)复合材料微弧氧化膜层的影响。[方法]选用铝酸盐体系作为电解液,对SiC_(p)/Al复合材料进行微弧氧化处理,分析氧化时间对膜层组织结构、物相、厚度、粗糙度、结合力、电绝缘性及耐蚀性的影响。[结果]随着氧化时间延长,膜层逐渐变得连续均匀,厚度增加。若氧化时间过长,膜层会出现层叠现象,形成大尺寸微孔及裂纹,且生长速率越来越低。膜层结合力随氧化时间延长先增大后减小,在60 min时最大,达到39.85 N。氧化时间为10 min时,膜层的电绝缘性及耐蚀性最优,100 V和500 V电压下的绝缘电阻分别达到3.11×10^(12)Ω和1.41×10^(12)Ω,腐蚀电位为-0.6298 V,腐蚀电流密度为1.332×10^(-7)A/cm^(2)。[结论]SiC_(p)/Al复合材料表面微弧氧化膜层的连续性、均匀性及生长速率均与氧化时间有关。需选择合适的氧化时间,才能制备出连续、均匀且综合性能优异的膜层。

纳米颗粒填充玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能

为探究纳米颗粒[纳米氧化铁(NFe)、纳米二氧化硅(NS)、多壁碳纳米管(MWCNT)]填充玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(GFRP)的力学性能,对纳米颗粒质量分数分别为0.1%、0.2%、0.5%、1.0%的纳米颗粒/GFRP材料开展了拉伸、压缩、弯曲及冲击力学性能试验,并结合扫描电镜(SEM)分析了纳米颗粒的种类及质量分数对试件力学性能的影响规律。结果表明,随着纳米颗粒质量分数的增加,试件拉伸强度均先增大后降低,纳米颗粒的良好分散性及与树脂间的黏聚力能够提升试件的拉伸强度,但过量纳米颗粒的掺入会形成积聚现象,使得试件拉伸强度降低。相较于GFRP试件,掺入纳米颗粒的质量分数为0.1%、0.2%、0.5%和1.0%时,MWCNT/GFRP抗压强度的增幅分别为25.31%、36.04%、26.84%和27.25%,弯曲强度的增幅分别为58.74%、63.21%、40.89%及43.11%,纳米颗粒的掺入使得试件抗压强度、弯曲强度、冲击强度均得到改善,颗粒种类及质量分数的不同使得试件力学性能提升效果存在差异。SEM试验结果表明,外荷载作用下纤维出现断裂、分层现象,纤维与纳米颗粒间存在的摩擦效应增强其力学性能,颗粒的积聚使得试件力学性能降低。

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。

颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形有限元模拟

目的建立可靠的模拟方法,以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料(PRAMC)粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异,解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题,满足批量应用的需求。方法以45%(体积分数)SiCp/6092Al复合材料为研究对象,构建了能预测粉末热等静压成形过程的有限元模型。使用Gurson-Tvergard-Needleman(GTN)模型作为粉末本构模型,建立了粉末尺度的代表性体积单元(RVE)对GTN模型进行修正。结果通过对比GTN模型计算结果与实验结果,发现修正后的GTN模型能更准确地预测模型的最终变形尺寸,与修正前相比,相对误差降低了1.6%~2.9%。使用修正后的GTN模型对杯形回转体零件的热等静压成形过程进行预测,最终形状的计算结果与实验结果的相对误差仅为0.2%~3.1%,致密度分布的相对误差在0.5%以内。在探究包套厚度对热等静压过程的影响时发现,随着包套厚度的增大,热等静压过程中的屏蔽作用增强,内部粉体致密度下降。结论为PRAMC热等静压近终形制备的形状和致密度控制问题提供了有限元预测工具,辅助优化了热等静压工艺和包套设计,降低了颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形过程开发的试错成本。

碳纤维增强树脂基复合材料的层间颗粒增韧技术研究进展

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有高强高模的优点,被广泛应用于汽车、体育、船舶、航空航天等领域,达到了材料轻量化的要求。目前使用较多的树脂基体以环氧树脂(EP)等热固性树脂为代表,普遍存在脆性大、韧性差的问题,导致复合材料层合板容易在层间发生开裂。层间增韧是一种有效的增韧方式,它可以在不改变基体树脂粘度的情况下对特定区域进行增韧,提高材料的断裂韧性。本文介绍了层间断裂模式并总结了层间断裂韧性(ILFT)测试的数据处理方法,总结了聚合物颗粒与无机纳米颗粒(主要是碳纳米管)的颗粒种类、增韧机制、引入方式,并主要通过层间断裂韧性评价了各种颗粒的增韧效果。

颗粒增强复合材料切削加工三维有限元模拟研究进展

颗粒增强金属基复合材料因具有高模量、高强度及高耐磨等优异性能而被广泛应用于航空航天、军事、汽车等领域。但在其切削加工过程中,由于增强相颗粒的存在,导致刀具磨损严重,容易产生碎片瘤及被加工表面缺陷。有限元模拟可以实现对颗粒剥离及颗粒破碎等微观细节的分析,是切削加工试验研究的重要补充。对颗粒增强复合材料切削加工的三维有限元模拟研究进展进行综述,介绍了几何模型、界面模型和本构模型建立,以及网格划分和边界条件处理方面的最新研究进展,并初步探讨了存在的问题和发展方向。研究结果有助于推动颗粒增强复合材料切削加工三维有限元模拟的研究,更好地揭示其切削加工机理,为工艺参数优化提供理论依据。

SiC颗粒增强6013铝基复合材料时效析出行为及力学性能

采用球磨-冷等静压-热等静压-热挤压工艺制备组织均匀、颗粒分散良好的15%质量比SiC_(p)/6013Al复合材料,并利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和室温力学性能测试等研究不同人工时效温度下SiC_(p)/6013Al复合材料的析出行为和力学性能.结果表明,复合材料析出行为受热扩散控制,温度升高导致沉淀相析出加速;复合材料中的主要强化相为Mg_(2)Si,而且SiC颗粒能显著增强强度,但也导致复合材料的塑性快速下降;相比基体6013铝合金,15%质量比SiC_(p)/6013Al复合材料能在更低温度、更短时间内达到峰时效,经过人工时效处理后的最高硬度为180 HV_(0.2),抗拉强度为522 MPa.

颗粒增强铝基复合材料的制备与界面行为

【目的】探讨颗粒增强铝基复合材料(particle-reinforced aluminum matrix composites,PAMCs)性能提升、应用前景等。【研究现状】概述PAMCs复合材料的主要制备方法,主要包括搅拌铸造法、原位合成法、粉末冶金法、喷射成形法、挤压铸造法、直接氧化法、高温水热合成法等;从结合方式、结合强度、界面表征等方面对PAMCs界面进行介绍;从强化机制和增强体因素等方面对界面力学性能进行概括。【结论与展望】复合材料的制备方法对增强体在基体中的分布、界面结合和性能产生显著影响,选择制备方法时应综合考虑所需的材料性能、生产成本及工艺可行性;界面结合对PAMCs的整体性能至关重要,良好的界面结合能提高材料的强度和韧性;强化机制决定材料的特性,通过成分设计、微观结构调控以及制备工艺优化等手段,实现多种强化机制的协同作用,可最大限度地提升材料的性能。未来的研究应致力于开发低成本、绿色环保等新型高效的制备技术,优化PAMCs的微观结构和性能;通过设计界面结构并调控界面反应等,可以进一步提升PAMCs的性能;控制界面反应也是PAMCs关键发展方向之一。

SiC颗粒增强Al基复合材料强化机理与关键技术解析

本文综合解析了SiC颗粒增强Al基复合材料的荷载传递强化、Orowan弥散强化、位错密度强化、加工硬化强化、细晶强化和综合强化等强化机理以及强度计算,现有制备方法及优缺点,以及制备SiC颗粒增强Al基复合材料的几个关键技术问题,展望了颗粒增强复合材料的研究重点和发展方向.

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。

机械搅拌法制备颗粒增强铝基复合材料组织及性能研究

采用机械搅拌铸造法制备SiC_(p)/AlSi7Mg0.3铝基复合材料,通过金相组织观察(OM)、扫描电镜(SEM)、XRD等测试方法对SiC增强颗粒的预处理效果、铝基复合材料的显微组织及其力学性能进行研究。结果表明,高温氧化预处理工艺能够改善增强颗粒表面属性,促进Al熔体对颗粒的润湿,最佳高温氧化预处理工艺为1200℃、4 h。随着机械搅拌速度和搅拌时间的增加,SiC颗粒在基体合金中的分布越来越均匀,当搅拌速度达到1200 r/min,搅拌时间为40 min时,SiC颗粒在基体中能够完全均匀分散,且被铝基体润湿,周围无孔洞缺陷存在。所制备的铝基复合材料铸态下抗拉强度达到207.7 MPa,屈服强度达到158.7 MPa,断后伸长率达到1.17%,布氏硬度达到119 HBW,其铸态下强度比ZAlSi7Mg合金材料提升了33%。

预氧化温度对纳米SiC颗粒增强镁基复合材料组织及性能的影响

目的研究预氧化处理对纳米SiC颗粒增强的SiCp/AS81(Mg−8Al−Sn)复合材料显微组织和力学性能的影响,分析其作用机理,最终得到适宜的SiC预氧化温度。方法采用粉末冶金法制备纳米SiC颗粒增强的SiCp/AS81(Mg−8Al−Sn)复合材料,采用相关仪器设备,对不同温度预氧化处理后的SiC颗粒、AS81和0.50%−SiCp/AS81复合材料物相进行分析,观察其显微组织,并对相关力学性能进行测试。结果当对SiC颗粒进行不同温度预氧化处理后,SiC颗粒逐渐钝化,并在预氧化温度达到785℃及以上时,SiC外表层逐渐被SiO2包覆且在985℃时完成完全包覆;AS81复合材料和不同温度预氧化处理的0.5%−SiCp/AS81复合材料的物相组成都主要为Mg和Mg17Al12,785℃及以上温度预氧化处理后的0.5%−SiCp/AS81复合材料中的Si元素都呈均匀分布;0.5%−SiCp/AS81复合材料的硬度、屈服强度、抗拉强度和断后伸长率都高于AS81复合材料,且随着预氧化温度的升高,0.5%−SiCp/AS81复合材料的显微硬度、抗拉强度和屈服强度先增大后减小,在预氧化温度为885℃时取得最大值。结论预氧化温度为885℃时,SiC颗粒外包覆的SiO2可以增强与AS81的界面结合力,有助于提升0.5%−SiCp/AS81复合材料的强塑性,0.5%−SiCp/AS81复合材料适宜的SiC预氧化温度为885℃。

60%SiCp/2009铝基复合材料表面等离子体电解氧化膜的生长和表征

在硅酸盐溶液中采用等离子体电解氧化技术在60%SiCP(体积分数)/2009铝基复合材料表面制备陶瓷膜。研究氧化膜的显微组织、成分、润湿性及其耐腐蚀性能,探讨SiC颗粒表面火花放电的产生机理。结果表明,来自硅酸盐溶液的不溶性化合物(SiO_(2))使SiC颗粒表面产生火花放电,Al-Si-O化合物中的缺陷为SiC颗粒表面放电电流的传导提供优先路径。1200s时铝基复合材料表面形成5.5μm厚的均匀膜层,膜层的表面自由能在40s时达到最大值37.10 m J/cm^(2),并在1200 s时下降到25.95 m J/cm^(2)。此外,等离子体电解氧化处理可以显著提高复合材料的耐蚀性。

考虑颗粒团聚影响的聚合物基复合材料温度相关性拉伸断裂强度理论表征模型

聚合物基复合材料在不同温度下的拉伸断裂强度一直是人们关注的焦点,颗粒作为一种常见增强相可以显著提高聚合物基复合材料的拉伸断裂强度。然而,随着颗粒体积分数的增加,颗粒将会发生团聚现象,从而影响增强效果。针对颗粒增强聚合物基复合材料,通过计及颗粒团聚的影响,以及材料热物理性能随温度的演化,建立了一个考虑团聚影响的温度相关性拉伸断裂强度理论表征模型。模型得到了实验数据的良好验证。研究成果为定量表征不同颗粒含量、不同温度下复合材料的拉伸断裂强度提供了一种有效途径,加深了对不同温度下团聚现象对复合材料力学性能影响的认识。

无压烧结温度对15%SiC/2009Al复合材料微观组织与力学性能的影响

针对传统粉末冶金工艺制备成本高、制备效率低等问题,采用冷等静压结合无压烧结及热挤压工艺制备15%(体积分数,下同)SiC/2009Al复合材料。研究不同烧结温度(600,620,640℃)对15%SiC/2009Al复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明:在600℃下烧结,SiC与基体间的结合差,微观下可观察到较多的大尺寸孔隙,材料的致密度低,力学性能差;在640℃高温下烧结,坯锭产生大量液相,并溢出到坯锭表面,造成心部合金元素下降,此外,640℃会引发强烈的界面反应,生成较多大尺寸脆性相,成为材料断裂过程中的裂纹源,导致材料性能下降;620℃为最佳烧结温度,产生较多的液相能填充坯锭中的部分孔隙,进而提高材料致密度以及界面结合强度,复合材料的强度和塑性均取得最佳值,抗拉强度与屈服强度分别达到505,345 MPa,伸长率达到7.2%。

石墨烯/陶瓷颗粒增强聚氨酯基复合材料动态压缩性能

聚氨酯良好的力学性能使其广泛应用于各种领域,通过在聚氨酯基体中引入石墨烯增强体,能够大幅度增强聚氨酯基复合材料的各项性能。为得到具有高抗冲击能力的聚氨酯基复合材料,使用原位聚合法制备氧化石墨烯增强聚氨酯,通过霍普金森杆装置对其进行不同应变率下的动态压缩试验。采用无压渗透法加入直径3.3 mm的Al_(2)O_(3)颗粒陶瓷作为新的增强相。对石墨烯/颗粒陶瓷增强聚氨酯基复合材料进行动态围压实验,得到试样的应力-应变曲线。应用LS-DYNA动力学仿真软件建立复合材料有限元仿真模型,结合实验数据验证仿真的可靠性。分析复合材料在动态围压下的变形过程和损伤机理,开展不同粒径试样在动态围压下的仿真分析,讨论不同粒径的颗粒陶瓷对复合材料动态压缩的力学性能影响。研究结果表明:颗粒陶瓷粒径与复合材料的抗压强度密切相关,随着陶瓷颗粒粒径减小,即陶瓷颗粒数量增多,间隙减小时,复合材料的抗压性能也相应提高。

SiC颗粒增强AZ91基复合材料拉伸性能研究

针对风力发电机组摩擦材料对性能的要求,在不同的温度下,成功制备出了SiC颗粒增强的AZ91镁合金基复合材料,并且对其拉伸性能进行研究。结果表明,SiCp/AZ91复合材料的抗拉强度高于AZ91基体镁合金;在同样的烧结温度下,直径较小的SiC颗粒对复合材料的抗拉强度提高幅度较大。