大學(xué)本科生畢業(yè)論文.pdfVIP

吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 i 中文摘要 隨著我國航空航天、船舶艦艇、大型機械等工業(yè)領(lǐng)域快速發(fā)展，要求材料具有越 來越多的綜合性能。陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料比強度和比剛度高，更耐磨和更耐疲 勞, 阻尼性能好, 熱膨脹系數(shù)小。 因此, 作為工程材料和結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于航空航天 以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域。而實驗和研究都主要集中在陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)在 0-30 %的鋁基 復(fù)合材料，而對高體積分?jǐn)?shù)陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的研究較少。此外，不同碳源 對于高體積陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的顯微組織和性能的影響的研究也較少。 目前金屬基復(fù)合材料的制備方法可分為內(nèi)生型和外生型兩種。運用內(nèi)生法制備復(fù) 合材料時，增強相通過組分材料間的放熱反應(yīng)在基體中產(chǎn)生，增強相的表面無污染、 與基體的界面干凈、結(jié)合強度高、化學(xué)穩(wěn)定性好。因此，研究利用原位內(nèi)生法制備高 體積分?jǐn)?shù)陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有重要的意義。 本論文使用三種不同的碳源：石墨、炭黑和碳納米管，運用燃燒合成與熱壓的方 法下，在 Al-Ti-C 體系中制備了致密的高體積分?jǐn)?shù)原位內(nèi)生碳化鈦陶瓷顆粒，分析了 不同碳源下高體積 TiCx/2009Al 復(fù)合材料中陶瓷顆粒的尺寸、形貌、分布情況及其硬 度、壓縮性能的變化規(guī)律和斷口形貌。本論文主要有以下結(jié)論： （1）在不同碳源下燃燒合成加熱壓制備的高體積 TiCx/2009Al 復(fù)合材料的實驗中， 燃燒反應(yīng)體系均很穩(wěn)定，最終生成了穩(wěn)定的碳化鈦顆粒增強相，沒有亞穩(wěn)態(tài)和過渡相 的產(chǎn)生。 （2） 采用碳納米管為碳源制備的 TiCx陶瓷顆粒的尺寸最小。并且 TiCx/2009Al 復(fù)合材 料中陶瓷顆粒的尺寸隨著陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)增加而增大。 （3） 在相同 TiCx的體積分?jǐn)?shù)下，碳源為碳納米管時 TiCx/2009Al 復(fù)合材料的最大壓縮 強度(UCS )、屈服強度(0.2)均高于碳源分別石墨和炭黑。在碳源相同時，隨著 TiCx的 體積分?jǐn)?shù)的增加，TiCx/2009Al 復(fù)合材料的最大壓縮強度(UCS )、屈服強度(0.2)提高， 而斷裂應(yīng)變量 f減小。 （4）高體積分?jǐn)?shù) TiCx/2009Al 復(fù)合材料的斷裂機制是碳化鈦陶瓷顆粒與鋁基體在界面 處的脫離，所以其壓縮強度主要是由陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)和陶瓷與基體的界面結(jié)合強度 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 ii 決定。 關(guān)鍵詞： 原位內(nèi)生 TiCx/2009A 復(fù)合材料 組織 壓縮性能 碳源 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 iii Abstract As rapid development of aerospace and ships and large machinery industry in our country, it requires that material has more and more comprehensive performance. Ceramic particles reinforced aluminum matrix composites have higher intensity and rigidity, better wear and fatigue resistance, good damping performance and small thermal expansion coefficient. Therefore, they are widely used as the engineering material and structure material in aerospace and automobile industry, etc. The experiment and research are mainly concentrated in the ceramic particles volume fraction in 0-30% of aluminum matrix composites, but there is less research in high volume fraction of ceramic particles reinforced aluminum matrix composites. In addition, there is also less research in effect of different C sources on the microstructure and properties of high volume ceramic particles reinforced aluminum matrix composites. The preparation methods of metal matrix composites can be divided into the traditional casting and in situ method. When manufacturing composites visa in situ method, reinforced phase arises from the matrix by exothermic reaction. The surface of the reinforced phase interface is clean and pollution-free and reinforced phase combines with matrix in the high strength. It also has good chemical stability. So it has the vital significance to research the high volume fraction ceramic particles reinforced aluminum matrix composite material by in suit method. This paper uses three different carbon sources: graphite, carbon black and carbon nanotubes. High volume fraction TiCx/2009Al is prepared by the method of combustion synthesis and hot pressing in Al-Ti-C system, and TiCx size, morphology and distribution and hardness and change rules of compression performance and the fracture morphology in high volume TiCx/2009Al composite materials with different carbon sources was analyzed. This thesis mainly has the following conclusions. (1) In the experiments of preparing high volume TiCx/2009Al composite materials with 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 iv different carbon source by the method combustion synthesis heat pressing, combustion reaction system is very stable, and ultimately making stable titanium carbide particles reinforced phase. Besides, there is no metastable and transition phase. (2) When carbon nanotubes are used, the synthesized TiCx ceramic particles have smaller size. And the size of the ceramic particles TiCx/2009Al composite materials becomes larger with the increase of the volume fraction of ceramic particles. (3) Under the same TiCx volume fraction, TiCx/2009Al composite materials with carbon nanotubes as carbon source have higher UCS and 0.2 compared with TiCx/2009Al composite materials with graphite or carbon black as carbon source. Under the same carbon source, with the increase of the volume fraction of TiCx, in TiCx/2009Al composite materials have higher UCS and 0.2 and lower f. (4) The fracture mechanism of high volume fraction TiCx/2009Al composite materials is that titanium ceramic particles leave from the interface of aluminum matrix. Therefore, the compression strength is mainly decided by ceramic particles volume fraction and the interface bonding strength between ceramics and substrate interface. Keywords: In-situ TiCx/2009Al composites microstructure compression properties carbon source 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 I 目 錄 第一章 緒 論 1 1.1 選題意義 . 1 1.2 顆粒增強金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀 2 1.2.1 顆粒增強金屬基復(fù)合材料增強體的種類 . 2 1.2.3 顆粒增強金屬基復(fù)合材料性能研究 . 6 1.2.4 顆粒增強金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用 . 7 1.3 顆粒增強金屬基復(fù)合材料原位反應(yīng)技術(shù) . 8 1.3.1 常用顆粒增強金屬基復(fù)合材料原位反應(yīng)方法 . 8 1.3.2 顆粒增強金屬基復(fù)合材料原位反應(yīng)熱力學(xué)及動力學(xué) . 12 1.4 實驗主要研究內(nèi)容 . 15 第二章 實驗方法 17 2.1 實驗材料 . 17 2.1.1 基體材料 . 17 2.1.2 合成增強體原材料 . 17 2.2 實驗過程 . 17 2.2.1 配料和混料球磨 . 17 2.2.2 制備預(yù)制塊 . 18 2.2.3 燃燒合成法制備復(fù)合材料 . 18 2.2.4 萃取實驗 . 19 2.3 樣品表征 . 19 2.3.1 X 射線衍射分析 . 19 2.3.2 掃描電鏡分析 . 20 2.3.3 場發(fā)射掃描電鏡分析 . 20 2.4 力學(xué)性能測試 . 20 2.4.1 硬度測試 . 20 2.4.2 壓縮性能測試 . 20 2.5 技術(shù)路線 . 21 第三章 原位合成 TiC 顆粒增強鋁基復(fù)合材料顯微組織分析 . 23 3.1 引言 . 23 3.2 XRD 分析 . 23 3.3 不同碳源燃燒合成 TiCx顆粒尺寸和形貌分析 24 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 II 3.4 TiCx顆粒增強鋁基復(fù)合材料顯微組織分析. 26 3.5 本章小結(jié) . 27 第四章 原位合成 TiCx顆粒增強鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能 29 4.1 引言 . 29 4.2 硬度測試分析 . 29 4.3 壓縮性能測試分析 . 29 4.4 本章小結(jié) . 32 第五章 結(jié)論 35 參考文獻(xiàn) 37 致 謝 41 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 1 第一章第一章 緒論緒論 1.1 選題意義選題意義 隨著我國航空航天、船舶艦艇、大型機械等工業(yè)領(lǐng)域快速發(fā)展，要求材料具有越 來越多的綜合性能。而金屬基復(fù)合材料結(jié)合了金屬的高韌性、高延展性以及陶瓷的高 強度、高彈性模量特點，具有顯著的熱穩(wěn)定性、高比模量、高比強度等力學(xué)性能和熱 物理性能，并作為工程材料和結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于航空航天以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域1-4。 運用鋁制備復(fù)合材料有許多特點, 如鋁的密度小、 質(zhì)量輕、 可塑性強, 鋁基復(fù)合材料制 備技術(shù)較簡單, 且制備出的鋁基復(fù)合材料易于機械加工。 此外, 鋁基復(fù)合材料比強度和 比剛度高，更耐磨和更耐疲勞, 阻尼性能好, 熱膨脹系數(shù)小5。因此, 在金屬基復(fù)合材 料當(dāng)中，鋁基復(fù)合材料已成為最重要的、最常用的材料之一。 與晶須和纖維增強鋁基復(fù)合材料相比，陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料成本低, 原材 料資源豐富, 并且制備工藝簡單。不同的增強顆粒與鋁基體組合可制備出性能優(yōu)異的 復(fù)合材料。故顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有很廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和極好的發(fā)展前景6-7。然 而，隨著陶瓷增強顆粒的體積分?jǐn)?shù)增加，鋁基復(fù)合材料容易出現(xiàn)微裂縫和孔洞，降低 復(fù)合材料的綜合性能，所以實驗和研究都主要集中在陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)在 0-30 %的鋁 基復(fù)合材料，而對高體積分?jǐn)?shù)陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的研究較少。 根據(jù)增強相產(chǎn)生的方式不同金屬基復(fù)合材料的制備方法可分為內(nèi)生型和外生型兩 種。粉末冶金、噴射沉積、機械合金化和擠壓鑄造等復(fù)合材料制備方法都屬于外生型 制備方法。 外生型制備復(fù)合材料中的陶瓷顆粒尺寸偏大， 增強相與基體界面容易污染， 潤濕性差，可能存在界面反應(yīng)，最終降低了復(fù)合材料的綜合性能8。運用內(nèi)生型法制 備復(fù)合材料時，增強相通過組分材料間的放熱反應(yīng)在基體中產(chǎn)生，增強相的表面無污 染、與基體的界面干凈、結(jié)合強度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，并且反應(yīng)放熱還可以使揮發(fā)性 雜質(zhì)離開基體，有凈化基體的作用。內(nèi)生型法又稱原位反應(yīng)法，包括自蔓延燃燒法、 放熱彌散法、接觸反應(yīng)法、氣液固反應(yīng)法、熔體直接燃燒氧化法、機械合計化法、浸 滲反應(yīng)法、混合鹽反應(yīng)法、原位熱壓放熱反應(yīng)法、微波合成法等等9。 可以用原位法生成的陶瓷種類有很多， 常用的主要有 TiC、 TiB、 TiB2和 Al2O3等。 TiC 具有高硬度、高熔點、并且碳化鈦顆增強金屬基復(fù)合材料也有極優(yōu)的耐磨損性及 高溫性能。然而，目前對于 TiC 尺寸和形態(tài)對于鋁基復(fù)合材料的影響的研究和實驗很 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 2 有限。此外，用于合成 TiCx/Al 復(fù)合材料的碳源主要為石墨、炭黑、碳納米管，然而 很少有實驗和研究放在這三種碳源對于合成增強相 TiCx 的尺寸、形貌和在鋁基體的 分布情況的影響10-12。 如今對于復(fù)合材料的研究主要集中在制備方法、反應(yīng)熱力學(xué)、動力學(xué)、組織和界 面上，對于復(fù)合材料力學(xué)性能的研究相對來說更少一些。對力學(xué)性能的分析主要包括 拉伸性能、壓縮性能、動態(tài)機械回復(fù)、磨損性能和蠕變行為等，但是這寫研究也只是 放在低體積分?jǐn)?shù)增強復(fù)合材料，所以研究高體積分?jǐn)?shù)顆粒增強復(fù)合材料的力學(xué)性能是 十分必要。另外，金屬基復(fù)合材料在電子封裝方面的應(yīng)用越來越廣泛，高體積分?jǐn)?shù)陶 瓷增強鋁基復(fù)合材料一般具有較低的熱膨脹系數(shù)，能夠更好的滿足陶瓷增強鋁基復(fù)合 材料在電子封裝方面的要求。 本論文使用三種不同的碳源：石墨、炭黑和碳納米管，運用燃燒合成與熱壓的方 法下，在 Al-Ti-C 體系中制備了致密的高體積分?jǐn)?shù)原位內(nèi)生碳化鈦陶瓷顆粒，并且通 過 XRD、SEM、FESEM 等手段進(jìn)行顯微組織觀察、硬度測試、壓縮性能測試、分析 不同碳源在同一體系生成碳化鈦的尺寸、形貌和在鋁基體中的分布情況，最后測試制 備鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能，揭示顯微組織與性能之間的關(guān)系，為鋁基復(fù)合材料提供 了新的制備技術(shù)和科學(xué)的研究方法以及途徑，同時也為優(yōu)化鋁基復(fù)合材料的綜合性能 提供合理的理論基礎(chǔ)，從而進(jìn)一步滿足鋁基復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)和工程上的應(yīng)用。 1.2 顆粒增強金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀顆粒增強金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀 1.2.1 顆粒增強金屬基復(fù)合材料增強體的種類 制備陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料時，增強體的選擇對于材料的綜合性能至關(guān)重 要。一般認(rèn)為，顆粒增強金屬復(fù)合材料應(yīng)遵循以下原則。 （1）顆粒應(yīng)高度彌散均勻分布在金屬基體之中，阻礙導(dǎo)致塑性變形的位錯運動； （2） 顆粒粒度大小要適度， 因為顆粒粒度過大會引起應(yīng)力集中或本身破碎導(dǎo)致強 度降低；顆粒粒度過小，則起不到強化基體的作用； （3）顆粒與金屬基體之間應(yīng)有一定的黏結(jié)作用13-14。 除此之外，應(yīng)用領(lǐng)域、制備方法、成本、相容性等也是選擇增強體時必須考慮的 因素。另外，環(huán)境效應(yīng)、界面反應(yīng)和相的穩(wěn)定性強烈地影響復(fù)合材料的行為，這些因 素與各組員的物理性能、化學(xué)性質(zhì)、溫度、時間密切相關(guān)。顆粒增強金屬基復(fù)合材料 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 的力學(xué)性能取決于基體和增強體的性能及基體與增強體之間的界面特性。 用于復(fù)合材料的顆粒增強體主要有 SiC、TiC、B4C、WC、Al2O3、MoS2、Si3N4、 TiB2、BN、CaCO3、C（石墨）等。SiC、Al2O3、Si3N4等主要用于金屬基和陶瓷基復(fù) 合材料，TiC、TiB2等顆粒主要用于增強鈦基和鋁基復(fù)合材料。而且越來越多的研究 放在雙相顆粒增強金屬基復(fù)合材料上14-16。 常見顆粒增強體的性能見表 1.1。 表 1.1 陶瓷增強顆粒的性能參數(shù) Table 1.1 Properties of ceramic particulate reinforcements 顆粒 密度 (g/cm3) 熔點 () 熱膨脹 系數(shù) (10-6K-1) 熱導(dǎo)率 (W/m K) 顯微硬度 (9.8N/mm2) 彈性模量 (GPa) 耐壓 強度 (MPa) TiC 4.94 3300 8.6 24.28 2800 264 1380 TiB2 4.50 2980 7.8 26 3000 414 Al2O3 3.9 2050 9 28.89 2100 380 2500 SiC 3.21 2700 45.4 80 2600 324 TiN 5.30 3205 9.35 19.26 1850 256 WC 15.55 2720 3.84 29.31 1700 669 5600 按照變形性能，顆粒增強體可以分為剛性顆粒和延性顆粒兩種。剛性顆粒主要是 陶瓷顆粒，其特點是具有高彈性模量、高拉伸強度、高硬度、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn) 定性。剛性顆粒增強的復(fù)合材料具有較好的高溫力學(xué)性能，是制造切削刀具（碳化鎢/ 鈷復(fù)合材料） 、高速軸承零件、熱結(jié)構(gòu)零部件等的優(yōu)良候選材料。延性顆粒主要是金屬 顆粒，加入到陶瓷、玻璃和微晶玻璃等脆性基體中，目的是增強基體材料的韌性17-18。 1.2.2.1 鋁基復(fù)合材料常用的增強顆粒 航空航天工業(yè)需要大型、質(zhì)量輕的結(jié)構(gòu)材料，尤其是需要比強度和比模量高的材 料。鋁合金復(fù)合材料是綜合性能比較優(yōu)異的材料，它的強度很高、質(zhì)量輕，因此廣泛 應(yīng)用在飛機及航空航天機械上19。 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 表 1.2 SiC 顆粒增強鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能 Table 1.2 The mechanical properties of aluminum matrix composites reinforced with SiC particles Vw/% 室溫 250 300 350 拉伸 強度 屈服 強度 彈性 模量 拉伸 強度 屈服 強度 拉伸 強度 屈服 強度 拉伸 強度 屈服 強度 /MPa /MPa /GPa /MPa /MPa /MPa /MPa /MPa /MPa 0 297 210 71.9 115 70 70 55 35 12 359 266.5 95.3 226 197 180 153 124 94 16 374 264.5 90.0 147 120 20 383.6 298 111.0 284 268 235 207 184 163 顆粒增強鋁基復(fù)合材料的增強相主要有 SiC、Al2O3、SiO2等。其中 SiC 顆粒增強 鋁基復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和耐磨性能，并且隨著 SiC 含量的增加，鋁基復(fù)合 材料的熱膨脹系數(shù)降低。這些復(fù)合材料的韌性低于基體，但是高于連續(xù)纖維增強鋁基 復(fù)合材料，而且其剛度比基體提高了很多。SiC 的硬度很高，也使得鋁基復(fù)合材料的 硬度大大提高，其耐磨性也相應(yīng)得到提高。此外，顆粒增強鋁基復(fù)合材料的拉伸強度 和彈性模量也比基體提高，且隨著 SiC 顆粒含量（Vw）的增加，其拉伸強度和彈性模 量均有較大升高，如表 1.2 所示。通常來說，增強顆粒越小，復(fù)合材料的強度越高。 在鋁合金中加入脆性的 SiC 顆粒，其耐磨性大幅增加，甚至超過鑄鐵13,20-21。 1.2.2.2 鈦基復(fù)合材料常用的增強顆粒 鈦及其鈦合金以其低密度，優(yōu)良的耐高溫性能以及耐腐蝕性能，已經(jīng)成為高性能 結(jié)構(gòu)件的首選材料，并且具有極為廣闊應(yīng)用的前景。但就鈦合金的性能而言，仍然不 能滿足迅猛發(fā)展起來的航空航天，汽車制造及電子器械等高新技術(shù)領(lǐng)域的需求22。然 而，鈦基復(fù)合材料具有比鈦合金更加優(yōu)越的性能。當(dāng)鈦和鈦合金基體加入顆粒增強劑 后，鈦基復(fù)合材料的硬度、剛度、耐磨性都得到明顯的改善，并且具有極佳的耐疲勞 和抗蠕變性能以及優(yōu)異的高溫性能和耐腐蝕性。表 1.3 為粉末冶金法制 TiC 和 SiC 顆 粒增強鈦基復(fù)合材料的力學(xué)性能。 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 表 1.3 TiC 和 SiC 顆粒增強鈦基復(fù)合材料的力學(xué)性能 Table1.3 The mechanical properties of tittanium matrix composites reinforced with TiC or SiC particles 材料 溫度/ 25 370 565 760 TiC-6Al-4V/ TiCp10%90 中國科學(xué)院成都有機 化學(xué)有限公司 石墨 48m 99.9 吉林炭素集團(tuán)有限公 司 炭黑 40nm 99.9 吉林炭素集團(tuán)有限公 司 2.2 實驗過程實驗過程 2.2.1 配料和混料球磨 將不同含量的鋁粉、鈦粉和碳粉按摩爾比 Ti:C=1:1 的比例混合；其中 C 粉分別為 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 碳納米管粉、石墨粉和炭黑粉。再對球磨機的混料罐和鋼珠進(jìn)行清洗。先用鹽酸充分 浸泡鋼珠（作為球磨介質(zhì)） ，混料罐中也倒入一定量的鹽酸，待反應(yīng)至沒有氣泡產(chǎn)生， 用蒸餾水徹底鋼珠和混料罐，再用少量酒精清洗，最后烘干鋼珠和混料罐。最后，將 之前配好的混合粉料和鋼珠一起放入混料罐中，把混料罐安裝到球磨機上，確保安裝 的牢固性后，設(shè)定球磨機的轉(zhuǎn)速為 50 r/ min，開始研磨，混合 8 小時。 2.2.2 制備預(yù)制塊 制備的直徑約為 28mm，高 35mm 的圓柱形預(yù)制塊。首先，用主要成分為純鋁的 鋁箔包裹壓桿（圖 2.2 部件） ，制成底部封閉的空心圓柱筒，然后將混合粉料倒入其 中并封口，此時預(yù)制塊基本成型。最后，將此半成型的預(yù)制塊放入部件的型腔內(nèi)， 放上壓桿，如圖 2.1 所示的模具示意圖。把壓坯模具置于液壓機的壓頭下，進(jìn)行壓坯。 壓制結(jié)束后，將試樣分別放入塑料袋中，貼上標(biāo)簽。 圖 2.1 壓坯模具圖 Figure2.1 Powder pressing tool 2.2.3 燃燒合成法制備復(fù)合材料 首先用石墨紙將預(yù)制塊完全包裹好，再放入內(nèi)徑為 32mm 的圓柱形石墨模具型腔 內(nèi)，然后將模具放入真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，并且在模具底部墊有與模具外徑相近的 2mm 厚石墨片。開控制電源，開液壓泵，將預(yù)制塊固定在模具型腔內(nèi)，并與液壓桿緊密接 觸。緊關(guān)閉爐門。打開電源，用萬用表檢查爐門處是否存有短路現(xiàn)象，如有短路現(xiàn)場， 則重新放置模具。 啟動發(fā)動機， 把爐內(nèi)抽真空。 實驗時， 把鎢錸熱電偶 （WRe5/WRe26） 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 放到磨具上表面的小孔內(nèi)，啟動儀器開始加熱。 在反應(yīng)進(jìn)行前預(yù)熱預(yù)制塊， 用真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)的微型電阻爐對預(yù)制塊進(jìn)行加熱， 當(dāng)升溫至 500時，為使預(yù)制塊的溫度分布均與，保溫 10 到 20 分鐘，再繼續(xù)升溫， 到 900左右保溫，當(dāng)熱電偶測試的溫度迅速增加時，即表明反應(yīng)進(jìn)行。保溫 10 分鐘 后，關(guān)閉加熱程序，試樣開始降溫，待溫度降到 800時，對樣品迅速施加軸向壓力， 壓力約為 50 MPa，保壓時間為 10s，然后將試樣爐內(nèi)冷卻至室溫。真空保護(hù)燃燒合 成與熱壓反應(yīng)裝置示意圖如圖 2.2 所示。 圖 2.2 真空保護(hù)燃燒合成與熱壓反應(yīng)裝置示意圖 Figure.2.2 The schematic of the equipment for the combustion synthesis and hot press consolidation experiment with vacuum protection 2.2.4 萃取實驗 為了更加清晰地觀察燃燒合成加熱壓反應(yīng)形成的 TiC 顆粒的形貌，將一小塊復(fù)合 材料放在 18%體積分?jǐn)?shù)的 250ml 的 HCl 中進(jìn)行萃取，直至鋁基體完全反應(yīng)，TiC 顆粒 成分散狀，反應(yīng)時間約為 5h。用蒸餾水反復(fù)沖洗，再進(jìn)行超聲波振蕩，自然沉淀后， 最后用酒精進(jìn)行多次清洗， 待自然風(fēng)干后對 TiC 陶瓷顆粒進(jìn)行形貌尺寸的觀察和分析。 2.3 樣品表征樣品表征 2.3.1 X 射線衍射分析 X 射線衍射分析(Phase Analysis of X-ray Diffraction)采用 Cu 的 K射線在 X 射線 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 20 衍射儀(D/Max 2500PC Rigaku， 日本)上進(jìn)行。 射線管的工作電流及電壓分別為 300 mA 和 50 kV，以連續(xù)模式，掃描度為 4 deg/min，掃描的角步長為 0.05(2)，掃描角度一 般在 20-80 之間，對未腐蝕的 TiC 顆粒增強鋁基復(fù)合材料試樣進(jìn)行物相分析，確定物 相組成。 2.3.2 掃描電鏡分析 掃描電鏡 （Scanning Electron Microscope， SEM） 是在電鏡(SEM, Evo18, Carl Zeiss， 德國)上進(jìn)行的，對 TiC 增強鋁基復(fù)合材料組織及壓縮實驗的斷口的形貌。 進(jìn)行觀察和分析。 2.3.3 場發(fā)射掃描電鏡分析 場發(fā)射掃描電鏡（Field Emission Scanning Electron Microscope, FESEM）是在電鏡 (FESEM, JSM6700F，日本)上進(jìn)行的。場發(fā)射樣品為萃取后的陶瓷顆粒。 2.4 力學(xué)性能測試力學(xué)性能測試 2.4.1 硬度測試 硬度測試是最常用的復(fù)合材料力學(xué)性能檢測之一。在復(fù)合材料的硬度研究中常用 的有布氏硬度法、洛氏硬度法、維氏硬度法等等。本實驗的顯微硬度測試在顯微硬度 計(1600-5122VD，美國)上進(jìn)行。試樣測試前需用砂紙打磨上下表面直至平行，然后對 待測面繼續(xù)打磨、并進(jìn)行拋光處理，便可進(jìn)行顯微硬度測試。實驗載荷為 100g，保壓 時間為 10 s，測試十個點，去掉最小值和最大值然后，然后取平均值作為試樣的顯微 硬度值。 2.4.2 壓縮性能測試 壓縮實驗是在美國 MTS 液壓伺服測試系統(tǒng)進(jìn)行的，型號為 MTS810，美國。應(yīng) 變速率分別為 1 104s1。試樣形狀為圓柱形，直徑為 3 mm 左右，高度為 6 mm 左 右，試樣表面用砂紙打磨，并且保證上下加載面平行。 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 21 2.5 技術(shù)路線技術(shù)路線 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 23 第三章第三章 原位合成原位合成 TiC 顆粒增強顆粒增強鋁基復(fù)合材料顯微組織分析鋁基復(fù)合材料顯微組織分析 3.1 引言引言 顆粒彌散強化鋁基材料的顯微組織對材料的性能具有重要的影響。通過原位反應(yīng) 制備的鋁基材料,由于顆粒相是在鋁熔體中通過化學(xué)反應(yīng)形成的,因此,生成的增強體顆 粒相必然會對基體顯微組織產(chǎn)生重要的影響。其中主要的影響因素是顆粒的尺寸大小 與分布。在本實驗中，采用燃燒合成加熱壓制備 TiC 增強鋁基復(fù)合材料，而 Al-Ti-C 體系中的碳源分別為碳納米管、石墨和炭黑。由于碳納米管、石墨和炭黑這三種碳源 的尺寸不同，它們對所制備的鋁基復(fù)合材料中增強相 TiC 顆粒的尺寸大小形貌以及分 布情況有一定的影響。此外，陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)也是影響 TiCx/Al 復(fù)合材料中的 TiCx陶瓷顆粒的尺寸的因素之一。本實驗通過在碳源相同情況下制備 40vol.% 、 50vol.%和 60vol.%的 TiCx/2009Al 復(fù)合材料，并進(jìn)行掃描電鏡分析和場發(fā)射掃描電鏡 分析來揭示陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)對 TiCx/Al 復(fù)合材料中的 TiCx陶瓷顆粒的尺寸和形 貌的影響。 3.2 XRD 分析分析 XRD 分析主要是分析復(fù)合材料中所存在的相，如圖 3.1 所示，其為不同碳源下 燃燒合成 TiCx/2009Al 的 XRD 分析圖。 圖 3.1 中(a)是碳源為碳納米管時燃燒合成加熱壓制備碳化鈦顆粒增強鋁基復(fù)合 材料的 XRD 圖。 其中 TiCx的體積分?jǐn)?shù)分別為 40%、 50%和 60%， 分別對應(yīng)圖中的 A、 B 和 C。從圖中可以看出，所有的衍射峰都只來自鋁基體和碳化鈦，這說明在燃燒加 熱壓合成反應(yīng)后，制備的 TiCx/2009Al 復(fù)合材料中，除了增強相碳化鈦之外，沒有 Al4C3、 Al3Ti 等相的存在。 這進(jìn)一步說明 Al-Ti-C 體系在此實驗條件下燃燒反應(yīng)充分， 沒有中間產(chǎn)物的產(chǎn)生。此外，隨著碳化鈦陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，碳化鈦的衍射峰 強度逐漸提高。 圖 3.1（b）和（c）分別是碳源為石墨和炭黑時燃燒合成加熱壓制備碳化鈦增強 鋁基復(fù)合材料的 XRD 圖，并且與圖 3.1（a）XRD 圖分析結(jié)果相似，并且隨著碳化鈦 陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，碳化鈦的衍射峰強度也提高。 因此， 在不同碳源下燃燒合成加熱壓制備的高體積碳化鈦顆粒增強鋁基復(fù)合材料 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 24 的實驗，燃燒反應(yīng)體系穩(wěn)定，最終生成了穩(wěn)定的碳化鈦顆粒增強相，沒有亞穩(wěn)態(tài)和過 渡相的產(chǎn)生。 圖 3.1 不同碳源（a）碳納米管（b）石墨（c）炭黑, 燃燒合成加熱壓制備 40、50、 60vol.%TiCx/2009Al 的 XRD 圖 Fig. 3.1 XRD patterns of 40、50、60vol.%TiCx/2009Al by the method of combustion synthesis and hot press consolidation with different C sources, (a) carbon nanotubes (b) graphite (c) carbon black 3.3 不同碳源燃燒合成不同碳源燃燒合成 TiCx顆粒尺寸和形貌分析顆粒尺寸和形貌分析 由于本實驗的燃燒反應(yīng)加熱壓合成是一種原位內(nèi)生制備復(fù)合材料技術(shù)，故最終制 備的碳化鈦陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料中的碳化鈦顆粒是通過溶解-析出機制產(chǎn)生的， 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 25 其過程依次經(jīng)歷加熱熔化、反應(yīng)開始、反應(yīng)完成、冷卻等四個階段。溶解-析出機制的 本質(zhì)是 C 源向鋁和鈦的液相內(nèi)溶解、擴(kuò)散，進(jìn)而形成 AlTiC 三元液相體系，碳化 鈦在這三元液相內(nèi)反應(yīng)析出。因此，碳源向液相的溶解、擴(kuò)散是形成碳化鈦顆粒的關(guān) 鍵步驟。由于碳源的結(jié)構(gòu)和尺寸的不同，其在 Al-Ti 液相內(nèi)溶解擴(kuò)散速度存在差異， 這就有可能導(dǎo)致碳化鈦形貌和尺寸發(fā)生改變5354。本實驗中，采用了三種不同尺寸的 碳源，長度約為 10-20nm 的碳納米管，粒徑為 48m 的石墨和粒徑為 40nm 的炭黑。 圖 3.2 為在 TiCx/2009Al 復(fù)合材料中萃取出的 TiCx陶瓷顆粒的場發(fā)射掃描電鏡 分析圖片。從圖中(a)(d)(g)可以看出 碳源對于 40 vol.% TiCx/Al 復(fù)合材料中的 TiCx陶 瓷顆粒的形貌和尺寸都有著顯著的影響。 圖 3.2(a)的碳源為碳納米管，萃取的 TiCx 陶瓷顆粒呈橢球形，尺寸約為 150nm，圖 3.2(d)的碳源為石墨，萃取的 TiCx陶瓷顆粒 呈八面體，尺寸約為 400nm，圖 3.2(g)的碳源為炭黑，萃取的 TiCx陶瓷顆粒呈橢球形， 尺寸約為 500nm 部分。總的來說，隨著碳源尺寸減小，碳粉和 AlTi 液相之間的接 觸面積越大，C 向 AlTi 液相中的溶解、擴(kuò)散速度越大。在這三種種碳源中，碳納米 管擁有最小的徑向尺寸，并且在碳納米管上存在的五元環(huán)、七元環(huán)等缺陷增強了其溶 解活性。因此，碳源為碳納米管時從 40 vol.% TiCx/Al 復(fù)合材料中萃取 TiCx陶瓷顆粒 的球度高。 如圖 3.2(b)(c)(e)(f)(g)(i)所示， 萃取的 TiCx顆粒為類球狀， 可見碳源對于 50 vol.% TiCx/Al 和 60 vol.% TiCx/Al 復(fù)合材料中的 TiCx陶瓷顆粒的形貌幾乎沒有影響，而只 影響 TiCx陶瓷顆粒的尺寸。通過對比圖 3.2(b)(e)(h)，碳源尺寸越小，50 vol.% TiCx/Al 中 TiCx陶瓷顆粒的尺寸也越小。通過對比圖 3.2(c)(f)(i)，60 vol.% TiCx/Al 也遵循同樣 的規(guī)律。 通過上述分析可知，陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)也是影響 TiCx/Al 復(fù)合材料中的 TiCx 陶瓷顆粒的尺寸的因素之一。圖 3.2(a)(b)(c)表示在碳源為碳納米管時制備的體積分?jǐn)?shù) 分別為 40vol.% 、50vol.%和 60vol.%的 TiCx/2009Al 復(fù)合材料的場發(fā)射掃描 FESEM。 從圖中可以清楚的看到隨著陶瓷含量的增大，TiCx陶瓷顆粒的尺寸也增大。在 40 vol.% TiCx/2009Al 復(fù)合材料中， 陶瓷顆粒尺寸小于 200nm， 而在 60 vol.% TiCx/2009Al 復(fù)合材料中的陶瓷顆粒的尺寸最大可以達(dá)到 600nm。 通過分析碳源分別為石墨和炭黑 時不同體積分?jǐn)?shù) TiCx/2009Al 中 TiCx 陶瓷顆粒的尺寸，我們也可以得到同樣的結(jié)論。 陶瓷顆粒的尺寸隨著陶瓷的體積分?jǐn)?shù)增加而增大的主要原因有兩個：一是因為隨著 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 TiCx陶瓷體積分?jǐn)?shù)的增加， 在燃燒反應(yīng)的時放出的熱量增多， 燃燒溫度升高， C 向 AlTi 液相內(nèi)的溶解擴(kuò)散速度增加，并根據(jù)陶瓷顆粒的生長速度和溫度成類指數(shù)函數(shù)關(guān)系， 最終 TiCx陶瓷顆粒長得較且呈完美的球形；二是由于鋁是一種導(dǎo)熱性好的金屬材料， 隨著鋁含量的減少，在燃燒反應(yīng)時單位時間內(nèi)從鋁基體傳遞出來的熱量就會減少，反 應(yīng)體系在高溫環(huán)境中停留的時間變長，也同樣導(dǎo)致 TiCx陶瓷顆粒逐步長大。 圖 3.2 (a-c)從以碳納米管為碳源制備 40、50、60 vol.% TiCx/2009Al 復(fù)合材料萃取的 TiCx顆粒 的 FESEM 圖；(d-f)從以石墨為碳源制備 40、50、60 vol.%TiCx/2009Al 復(fù)合材料萃取的 TiCx顆粒 的 FESEM 圖；(g-i)從以炭黑為碳源碳納米管制備 40、50、60 vol.% TiCx/2009Al 復(fù)合材料萃取的 TiCx顆粒 FESEM 圖 Figure 3.2 (a-c) FESEM of the TiCx particles extracted from the 40vol.%, 50vol.%, 60vol.% TiCx/2009Al composites with CNTs as C course; (d-f) FESEM of the TiCx particles extracted from the 40vol.%, 50vol.%, 60vol.% TiCx/2009Al composites with graphite as C course; (g-i)FESEM of the TiCx particles extracted from the 40vol.%, 50vol.%, 60vol.%TiCx/2009Al composite with carbon black as C course 3.4 TiCx顆粒增強鋁基復(fù)合材料顯微組織分析顆粒增強鋁基復(fù)合材料顯微組織分析 圖 3.3 不同碳源制備高體積 TiCx/2009Al 復(fù)合材料的組織掃描照片。 其中(a-c)是碳 源為碳納米管，體積分?jǐn)?shù)分別 40%、50%、60%TiCx/2009Al 復(fù)合材料組織掃描照片； 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 27 (d-f)是碳源為石墨， 體積分?jǐn)?shù)分別 40%、 50%, 60%TiCx/2009Al 復(fù)合材料組織掃描照片； (g-i)是碳源為炭黑，體積分?jǐn)?shù)分別 40%、50%、60%TiCx/2009Al 復(fù)合材料組織掃描照 片。 從圖 3.3(a)(b)(c)可以看出，當(dāng)碳源為碳納米管，且碳化鈦陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)為 40%、50%、60%時，碳化鈦顆粒在鋁基體中分布均勻。如圖 3.3(d)(e)(f)所示，當(dāng)碳源 為石墨或炭黑時，40vol.%、50vol.% 和 60vol.% TiCx/Al 復(fù)合材料組織都比較致密，無 明顯的孔洞和缺陷，原位生成的 TiCx陶瓷顆粒分布都比較均勻。 圖 3.3 (a-c)以碳納米管為碳源制備 40，50 和 60 vol.% TiCx/2009Al 復(fù)合材料的光鏡顯微照片；(d-f) 以石墨為碳源制備 40， 50 和 60 vol.% TiCx/2009Al 復(fù)合材料的光鏡顯微照片； (g-i)以炭黑為碳源制 備 40，50 和 60 vol.% TiCx/2009Al 復(fù)合材料的光鏡顯微照片 Figure3.3 (a-c) Optical microscope images of the 40vol.%, 50vol.%, 60vol.% TiCx/2009Al composites with carbon nanotubes as C source; (d-f) optical microscope images of the 40vol.%, 50vol.%, 60vol.% TiCx/2009Al composites with graphite as C source; (g-i) optical microscope images of the 40vol.%, 50vol.%, 60vol.% TiCx/2009Al composites with carbon black as C source 3.5 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章通過燃燒合成與熱壓的方法制備了高體積分?jǐn)?shù) TiCx/2009Al 復(fù)合材料，研究 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 28 了不同種類碳源和不同尺寸陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)對 TiCx/2009Al 材料顯微組織的影響 規(guī)律。得出以下結(jié)論： （1） 發(fā)現(xiàn)在不同碳源下燃燒合成加熱壓制備的高體積TiCx/2009Al復(fù)合材料的實驗中， 燃燒反應(yīng)體系均很穩(wěn)定，最終生成了穩(wěn)定的碳化鈦顆粒增強相，沒有亞穩(wěn)態(tài)和過渡相 的產(chǎn)生； （2）發(fā)現(xiàn)碳源尺寸越小，TiCx/2009Al 復(fù)合材料中 TiCx陶瓷顆粒的尺寸也越小。 TiCx/2009Al 復(fù)合材料中陶瓷顆粒的尺寸隨著陶瓷的體積分?jǐn)?shù)增加而增大； （3）當(dāng)碳源為碳納米管，且碳化鈦陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)為 40%、50%、60%時，碳化鈦 顆粒在鋁基體中分布均勻。當(dāng)碳源為石墨或炭黑時，40vol.%、50vol.% 和 60vol.% TiCx/Al 復(fù)合材料組織都比較致密，無明顯的孔洞和缺陷，原位生成的 TiCx陶瓷顆粒 分布都比較均勻。 吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文 29 第四章第四章 原位合成原位合成 TiCx顆粒增強鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能顆粒增強鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能 4.1 引言引言 在第三章中我們研究了碳源尺寸和TiC含量對TiCx/2009Al復(fù)合材料的微觀組織的 影響。同時，復(fù)合材料的微觀組織決定其宏觀力學(xué)性能。因此對于 TiCx/2009Al 復(fù)合 材料綜合性能的研究十分必要。之前關(guān)于 TiCx/2009Al 復(fù)合材料力學(xué)性能的研究，主 要集中其反應(yīng)機制、碳化鈦陶瓷顆粒形貌和碳化鈦陶瓷顆粒所表現(xiàn)的金屬性強弱上， 而對于不同碳源比對復(fù)合材料性能的影響較少。故在本章中，利用燃燒合成加熱壓的 方法制備不同碳源（碳納米管、石墨、炭黑）下陶瓷含量分別為 40、50、 60vol.%TiCx/2009Al 復(fù)合材料，研究其硬度和壓縮性能的影響因素及機制。 4.2 硬度測試分析硬度測試分析 表 4.1 是在不同碳源下高體積分?jǐn)?shù) TiCx/2009Al 復(fù)合材料的顯微硬度。 從表可以看 出，在相同的 TiCx顆粒體積分?jǐn)?shù)下，碳納米管作為碳源制備的 TiCx/2009Al 復(fù)合材料 的顯微硬度均高于石墨或炭黑作為碳源的復(fù)合材料的顯微硬度。此外，隨著 TiCx顆粒 體積分?jǐn)?shù)增加，碳源為碳納米管、石墨和炭黑制備的 TiCx/2009Al 復(fù)合材料的顯微硬 度也隨著增加。 表 4.1 TiCx/2009Al 復(fù)合材料的顯微硬度 Table4.1 Micro-hardness of TiCx/2009Al composite materials 顯微硬度 40vol. %TiCx/2009Al 50vol. %TiCx/2009Al 60vol. %TiCx/2009Al 碳納米管 223 235 268 石墨 212 226 255 炭黑 205 213 259 4.3 壓縮性能測試分析壓縮性能測試分析 圖 4.1 是不同碳源的高體積分?jǐn)?shù) TiCx/2009Al 復(fù)合材料的壓縮工程應(yīng)力應(yīng)變曲線， 表 4.2 是對應(yīng)的壓縮性