先進(jìn)復(fù)合材料及其制備講義

先進(jìn)復(fù)合材料及其制備講義第1頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容提要1、先進(jìn)復(fù)合材料概述2、先進(jìn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本原則3、先進(jìn)復(fù)合材料的制備技術(shù)4、金屬基復(fù)合材料及其制備5、納米復(fù)合材料及其制備6、案例：鎂基納米復(fù)合材料制備7、先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展方向第2頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、先進(jìn)復(fù)合材料概述1.1復(fù)合材料的定義和分類(lèi)1.2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)1.3復(fù)合材料的性能特點(diǎn)與復(fù)合效果1.4先進(jìn)復(fù)合材料的分類(lèi)與性能特點(diǎn)1.5先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用第3頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.1復(fù)合材料的定義和分類(lèi)定義：復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成。復(fù)合材料是多相材料，主要包括基本相和增強(qiáng)相。基體相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用；增強(qiáng)相起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和顯示功能（功能復(fù)合材料）的作用。復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。

第4頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

復(fù)合材料是多相材料，主要包括基體相和增強(qiáng)相。

基體相是一種連續(xù)相，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用。增強(qiáng)相起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和顯示功能(功能復(fù)合材料)的作用。（1）復(fù)合材料的定義第5頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）復(fù)合材料的分類(lèi)復(fù)合材料按性能高低分為傳統(tǒng)復(fù)合材料和先進(jìn)復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料(advancedcomposites)：以碳、芬綸、陶瓷等纖維和晶須以及納米顆粒等高性能增強(qiáng)相與高聚物、金屬、陶瓷和碳（石墨）等基體構(gòu)成的復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料在性能和功能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其單質(zhì)組分的性能和功能。第6頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）復(fù)合材料的分類(lèi)按基體材料分類(lèi)，可分為聚合物基、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料。按增強(qiáng)相形狀分類(lèi)，可分為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和層狀復(fù)合材料。按復(fù)合材料的性能分類(lèi)，可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。SiC顆粒Al2O3片Al2O3纖維增強(qiáng)相三種類(lèi)型第7頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）復(fù)合材料的分類(lèi)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料按不同基體分類(lèi)

第8頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）復(fù)合材料的分類(lèi)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料按不同增強(qiáng)體分類(lèi)

第9頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)幾種典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)第10頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)a)單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料b)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料c)層狀復(fù)合材料d)蜂窩夾心復(fù)合材料e)編織復(fù)合材料f)功能梯度復(fù)合材料第11頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3復(fù)合材料的性能特點(diǎn)比強(qiáng)度和比模量高其中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的最高?？蛊谛阅芎?/p>

碳纖維增強(qiáng)材料-1可達(dá)b的70~80%。因纖維對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展有阻礙作用。減振性能良好

復(fù)合材料中的大量界面對(duì)振動(dòng)有反射吸收作用，不易產(chǎn)生共振。高溫性能好。比強(qiáng)度比較碳纖維\樹(shù)脂硼纖維\樹(shù)脂玻璃纖維\樹(shù)脂鈦鋼鋁第12頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4先進(jìn)復(fù)合材料及性能特點(diǎn)

（1）顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料粒子增強(qiáng)復(fù)合材料是將粒子高度彌散地分布在基體中，使其阻礙導(dǎo)致塑性變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)(金屬基體)和分子鏈運(yùn)動(dòng)(聚合物基體)。這種復(fù)合材料是各向同性的。

衛(wèi)星用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件第13頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月聚合物基粒子復(fù)合材料如酚醛樹(shù)脂中摻入木粉的電木、碳酸鈣粒子改性熱塑性塑料的鈣塑材料(合成木材)等。陶瓷基粒子復(fù)合材料如氧化鋯增韌陶瓷等。

粒子增強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)鋁基泡沫復(fù)合材料碳黑增強(qiáng)橡膠第14頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬基粒子復(fù)合材料又稱(chēng)金屬陶瓷，是由鈦、鎳、鈷、鉻等金屬與碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等組成的非均質(zhì)材料。碳化物金屬陶瓷作為工具材料已被廣泛應(yīng)用，稱(chēng)作硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金通常以Co、Ni作為粘結(jié)劑，WC、TiC等作為強(qiáng)化相。

硬質(zhì)合金組織(Co+WC)硬質(zhì)合金銑刀第15頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硬質(zhì)合金主要有鎢鈷(YG)和鎢鈷鈦(YT)兩類(lèi)。牌號(hào)中，YG后的數(shù)字為含Co量，YT后的數(shù)字為碳化鈦含量。硬質(zhì)合金硬度極高，且熱硬性、耐磨性好，一般做成刀片，鑲在刀體上使用。硬質(zhì)合金模具硬質(zhì)合金軸承刀具第16頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)層狀復(fù)合材料層狀復(fù)合材料是指在基體中含有多重層片狀高強(qiáng)高模量增強(qiáng)物的復(fù)合材料。這種材料是各向異性的(層內(nèi)兩維同性)。如碳化硼片增強(qiáng)鈦、膠合板等。層狀陶瓷復(fù)合材料斷口形貌三明治復(fù)合第17頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雙金屬、表面涂層等也是層狀復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)層狀材料根據(jù)材質(zhì)不同，分別用于飛機(jī)制造、運(yùn)輸及包裝等。

有TiN涂層的高爾夫球頭層狀復(fù)合鋁合金蜂窩夾層板第18頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指以各種金屬和非金屬作為基體，以各種纖維作為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。

I纖維增強(qiáng)復(fù)合原則

在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維是材料主要承載組分，其增強(qiáng)效果主要取決于纖維的特征、纖維與基體間的結(jié)合強(qiáng)度、纖維的體積分?jǐn)?shù)、尺寸和分布。

碳纖維第19頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a)彈性模量及強(qiáng)度外力方向與纖維軸向相同時(shí)，c=f=m(f-纖維、m-基體、c-復(fù)合材料)，則當(dāng)外力垂直于纖維軸向時(shí)，則b)纖維的臨界長(zhǎng)徑比c)纖維最小體積分?jǐn)?shù)第20頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛性與纖維方向密切相關(guān)。纖維無(wú)規(guī)排列時(shí)，能獲得基本各向同性的復(fù)合材料。均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性。纖維采用正交編織，相互垂直的方向均具有好的性能。纖維采用三維編織，可獲得各方向力學(xué)性能均優(yōu)的材料。

纖維在基體中的不同分布方式第21頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

II纖維的種類(lèi)和性能

i.玻璃纖維：用量最大、價(jià)格最便宜。

ii.碳纖維：化學(xué)性能與碳相似。

iii.硼纖維：耐高溫、強(qiáng)度、彈性模高。

iv.金屬纖維：成絲容易、彈性模量高。

v.陶瓷纖維：用于高溫、高強(qiáng)復(fù)合材料。玻璃纖維碳纖維SiC纖維第22頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

vi.芳香族聚酰胺纖維:

強(qiáng)度、彈性模量高，耐熱。

vii.聚乙烯纖維:

韌性極好，密度非常小。

viii.晶須：是直徑小于30m，長(zhǎng)度只有幾毫米的針狀單晶體，斷面呈多角形,是一種高強(qiáng)度材料。分為金屬晶須和陶瓷晶須。金屬晶須中,Fe晶須已投入生產(chǎn)。工業(yè)生產(chǎn)的陶瓷晶須主要是SiC晶須。

SiC晶須第23頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

III聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通常用碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強(qiáng)高分子材料。這類(lèi)復(fù)合材料的性能較環(huán)氧樹(shù)脂等基體有大幅度的提高，比強(qiáng)度也高得多。

材料種類(lèi)縱向抗拉強(qiáng)度

MPa縱向彈性模量

GPa環(huán)氧樹(shù)脂

696.9環(huán)氧樹(shù)脂/E級(jí)玻璃纖維102045環(huán)氧樹(shù)脂/碳纖維（高彈性）1240145環(huán)氧樹(shù)脂/芳綸纖維（49）138076環(huán)氧樹(shù)脂/硼纖維（70%Vf）1400-2100210-280第24頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

VI纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料金屬的熔點(diǎn)高，故高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)后的金屬基復(fù)合材料（MMC）可以使用在較高溫的工作環(huán)境之下。常用的基體金屬材料有鋁合金、鈦合金和鎂合金。作為增強(qiáng)體的連續(xù)纖維主要有硼纖維、SiC和C纖維；Al2O3纖維通常以短纖維的形式用于MMC中。MMC的SEM照片第25頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MMC雖強(qiáng)度和彈性模量（剛度）增加，但塑性和韌性因使用陶瓷纖維而有所降低。這在一定程度上限制了MMC的應(yīng)用范圍。航天飛機(jī)內(nèi)MMC(Al/B纖維)桁架第26頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

V纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料陶瓷材料耐熱、耐磨、耐蝕、抗氧化，但韌性低、難加工。在陶瓷材料中加入纖維增強(qiáng)，能大幅度提高強(qiáng)度，改善韌性，并提高使用溫度。陶瓷中增韌纖維受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韌性越好。C/C復(fù)合材料Si/Si復(fù)合材料第27頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

用晶須作為增強(qiáng)相可以顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量，但因?yàn)閮r(jià)格昂貴，目前僅在少數(shù)宇航器件上采用?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，晶須(如SiC和Si3N4)能起到陶瓷材料增韌的作用。ZnO晶須自增韌Si3N4陶瓷第28頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.5先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用1、在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用2、在汽車(chē)上的應(yīng)用3、在民用領(lǐng)域的應(yīng)用4、在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用5、在材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用第29頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、先進(jìn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本原則復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本步驟第30頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、先進(jìn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本原則基體材料的選擇：使用要求，組成特點(diǎn)，基體金屬與增強(qiáng)物的相容性增強(qiáng)相的選擇：顆粒增強(qiáng)相，纖維增強(qiáng)相，層片狀增強(qiáng)相，混雜增強(qiáng)相性能復(fù)合準(zhǔn)則（復(fù)合效應(yīng)）：線性效應(yīng)——平均效應(yīng)，平行效應(yīng)，相補(bǔ)效應(yīng)，相抵效應(yīng)。非線性效應(yīng)——相乘效應(yīng)，誘導(dǎo)效應(yīng)，系統(tǒng)效應(yīng)，共振效應(yīng)。第31頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、先進(jìn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本原則各種增強(qiáng)體的力學(xué)性能比較

第32頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、先進(jìn)復(fù)合材料制備技術(shù)3.1制備方法分類(lèi)固態(tài)法：基體金屬在固態(tài)下與增強(qiáng)材料混合組成復(fù)合材料，包括：粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、擠壓和拉拔法、爆炸焊接法。液態(tài)法：基體金屬在熔融狀態(tài)下與增強(qiáng)材料混合組成復(fù)合材料，包括：真空壓力浸漬法、擠壓鑄造法、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、共噴沉積法、原位反應(yīng)生成法表面復(fù)合法：物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、熱噴涂法、化學(xué)鍍法、電鍍法、復(fù)合鍍法。第33頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、先進(jìn)復(fù)合材料制備技術(shù)3.2制備應(yīng)滿足的條件能使增強(qiáng)材料均勻地分布于基體中，滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求能使復(fù)合材料界面效應(yīng)、混雜效應(yīng)或復(fù)合效應(yīng)充分發(fā)揮，有利于復(fù)合材料性能的提高與互補(bǔ)能夠充分發(fā)揮增強(qiáng)材料對(duì)基體的增強(qiáng)、增韌效果設(shè)備投資少，工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)盡量實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料產(chǎn)品的近凈形制造，減少或避免后序加工第34頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、先進(jìn)復(fù)合材料制備技術(shù)3.3制備關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題避免發(fā)生不利的化學(xué)反應(yīng)（特別是金屬基復(fù)合材料）改善增強(qiáng)材料與基體的潤(rùn)濕性使增強(qiáng)材料按所需方向均勻地分布于基體中第35頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、金屬基復(fù)合材料及制備原位反應(yīng)合成技術(shù)機(jī)械合金化制備技術(shù)高能超聲輔助制備技術(shù)半固態(tài)攪拌復(fù)合技術(shù)氣孔/金屬基復(fù)合材料（多孔金屬）制備技術(shù)液相浸滲制備技術(shù)第36頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5、納米復(fù)合材料及制備機(jī)械合金化制備技術(shù)高能超聲輔助制備技術(shù)半固態(tài)攪拌復(fù)合技術(shù)納米復(fù)合涂層制備技術(shù)液相浸滲制備技術(shù)第37頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6、案例：鎂基納米復(fù)合材料制備結(jié)構(gòu)零件的輕量化要求在汽車(chē)和航空航天領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)零件的輕量化要求受到了越來(lái)越廣泛的重視，并為此開(kāi)展了大量的研發(fā)工作。其中作為結(jié)構(gòu)材料中密度最小的鎂合金，正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。鎂合金的缺點(diǎn)力學(xué)性能特別是高溫力學(xué)性能有限，因此鎂合金常常需要進(jìn)行時(shí)效處理以提高性能，但時(shí)效處理卻使鎂合金的耐蝕性大大降低。因此研究和開(kāi)發(fā)輕量化的鎂基復(fù)合材料就勢(shì)在必然。第38頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鎂及鎂基復(fù)合材料在不同溫度下的性能Stress–straincurvesforunreinforcedmagnesiumanditscompositetestedatelevatedtemperatures.R.A.Saravanan,M.K.Surappa:MaterialsScienceandEngineeringA276(2000)108–116第39頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鎂基納米復(fù)合材料制備1、制備方法粉末冶金法(PowderMetallurgy)攪拌鑄造法(StirCasting)DMD法(DisintegratedMeltDisposition)攪拌摩擦法(StirFriction)2、復(fù)合類(lèi)型納米陶瓷顆粒增強(qiáng)(Nano-sizedCeramicParticles)碳納米管增強(qiáng)(CNTs)第40頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PowderMetallurgicalTechnology

NanosizedSiC(30nmindiameter)with3%vol.%andMgmicropowder(40μmindiameter)wasmixedfor8h,thenanoscaledSiCpowderinaasymmetricalmovedmixerfollowedbymillingthehalfofthebatchfor8hat200rpminaplanetaryballmill(Retsch,PM400)inasealedargonatmosphere.Themillingvesselof500mlvolumewasmadeofcorundumandthemillingballshavingadiameterof11mmweremadeofhardenedstainlesssteel(100Cr6).Theweightratioofball-to-powderwas10:1.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case1第41頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PowderMetallurgicalTechnology

Thecompositeswereencapsulatedinaevacuatedmagnesiumcontainer,degassedatabout350℃andextrudedbyapreheated(350℃)400thorizontalextrusionpress(outlet14mm).ForcomparisonalsosomeMgpowder(noadditives)wasconsolidatedinthesameway.Inordertostudythesampleregardingcontaminations,theywereanalysedinanopticalsparkanalyser(Spectrolab,SpectroAnalyticalInstruments).TensiletestoftheaspreparedmaterialswereperformedwithaPCcontrolleduniversaltestingmachineatstrainratedo:dt3.3104s1atdifferenttemperaturesinair.Creeptestswerecarriedoutatconstantstresses(Andradecam)at200and300℃inair.Alltestingspecimensweremachinedfromtheextrudedbarswiththeirsymmetryaxisparalleltotheextrusiondirection.Themicrostructureofthematerialswasinvestigatedbylightandtransmissionselectronmicroscopy.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case1第42頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TransmissionelectronmicrographsofMg3vol.%SiCnanoparticles;powderonlymixed(left)andalsomilledfor8hbeforeextrusion(right).LightmicroscopicalpicturesoftheextrudedMgbasedmaterials.PureMg(upperpart);mixedMg3vol.%n-SiCcomposite(middlepart);andmilledMg3vol.%n-SiCcomposite(lowerpart).H.Ferkel,B.L.Mordike:MaterialsScienceandEngineeringA298(2001)193–199第43頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Stress–straincurvesofMganddifferentn-SiC/Mgcompositesat(a)roomtemperature,(b)100,(c)200and(d)300°C.Thestrainratewas3.3×10-4s-1.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case1第44頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CreepcurvesofMganddifferentn-SiC/Mgcompositesat200℃at35MPaMagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case1第45頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CreepcurvesofMganddifferentn-SiC/Mgcompositesrecordedat200℃at45MPaInthelowerpart,anextendedpartofthecreepcurveofthemilledcompositeisgivenMagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case1第46頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SummaryofPMTInthecaseofthemixedpowdersthenanoparticlesdecoratetheelongatedcoarsengrainedMggrainboundariesafterextrusion.InthecaseofthemilledpowdersasubmicrograinedMgstructurewasdevelopedwiththenanoscaledSiCparticlesdecoratingtheshearbandwithintheheavilydeformedMgandalsowereatleastpartlydispersedintothesubmicronsizedmatrixgrainsafterextrusion.ThemechanicalinvestigationsrevealthatthemilledcompositeexhibitsthelargestflowstressandlowestcreepratesincomparisontotheothercompositeandpureMg.Themicroscopyofthecompositesafterthermaltreatmentsupto330℃showsthattheirmorphologyisessentiallypreserved.Itwasshownthattheincorporationofalow-volumefraction(3%)ofSiCnanoparticlesintoMgbyballmillingallowsthedevelopmentofcreepresistantlightweightsubmicrocrystallineMgbasedcomposites.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case1第47頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DisintegratedMeltDepositionMATERIALS:magnesiumturningsofmorethan99.9%puritywereusedasthebasematerialandnanosizedAl2O3particulateswithanaveragesizeof50nm,wereusedasreinforcementphase.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case2S.F.Hassan,M.Gupta:MaterialsScienceandTechnology20(2004)1383-1388第48頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DisintegratedMeltDepositionPRIMARYPROCESSING(DMD):(1)heatingthemagnesiumturningswithreinforcementparticulates(placedinamultilayersandwichform)to750℃inaninertArgasatmosphereinagraphitecrucibleusingaresistanceheatingfurnace.Thecruciblewasequippedwithanarrangementforbottompouring.Uponreachingthesuperheattemperature,themoltenslurrywasstirredfor2.5minat460rev/minusingatwinblade(pitch45°)mildsteelimpellertofacilitatetheincorporationanduniformdistributionofreinforcementparticulatesinthemetallicmatrix.TheimpellerwascoatedwithZirtex25(86%ZrO2,8.8%Y2O3,3.6%SiO2,1.2%K2OandNa2O,and0.3%traceinorganic)toavoidironcontaminationofthemoltenmetal.(2)Themeltwasthenreleasedthrougha10mmdiameterorificeatthebaseofthecrucible.Thecompositemeltwasdisintegratedbytwojetsofargongasorientatednormaltothemeltstreamandlocated265mmfromthemeltpouringpoint.Theargongasflowratewasmaintainedat25L/min.Thedisintegratedcompositemeltslurrywassubsequentlydepositedontoametallicsubstratelocated500mmfromthedisintegrationpoint.Preformof40mmdiameterwasobtainedfollowingthedepositionstage.Thesynthesisofmonolithicmagnesiumwascarriedoutusingstepssimilartothoseemployedforthereinforcedmaterialsexceptthatnoreinforcementparticulateswereadded.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case2S.F.Hassan,M.Gupta:MaterialsScienceandTechnology20(2004)1383-1388第49頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DisintegratedMeltDepositionSECONDARYPROCESSING:ThedepositedmonolithicandnanosizedAl2O3containingmagnesiumpreformsweremachinedto36mmdiameterandhotextrudedusinganextrusionratioof20.25:1ona150tonhydraulicpress.Extrusionwascarriedoutat250℃.Thepreformswereheldat300℃for90mininaconstanttemperaturefurnacebeforeextrusion.Colloidalgraphitewasusedaslubricant.Rodsof8mmdiameterwereobtainedfollowingextrusion.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case2S.F.Hassan,M.Gupta:MaterialsScienceandTechnology20(2004)1383-1388第50頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DisintegratedMeltDepositionMagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case2S.F.Hassan,M.Gupta:MaterialsScienceandTechnology20(2004)1383-1388第51頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月S.F.Hassan,M.Gupta:MaterialsScienceandTechnology20(2004)1383-1388DisintegratedMeltDepositionprocessMagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case2第52頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SummaryofDMDAdisintegratedmeltdepositiontechniquecoupledwithhotextrusioncanbeusedtosynthesisenanoAl2O3particulatereinforcedmagnesiumcomposites.Grainrefinement,reasonablyuniformdistributionofreinforcementparticulates,andthepresenceofminimalporosityinthecompositemicrostructureindicatethesuitabilityofprimaryprocessingandsecondaryprocessingparametersusedinthepresentstudy.ResultsofcoefficientofthermalexpansionmeasurementsindicatedthatthenanoAl2O3particulatesreinforcedmagnesiumwasdimensionallymorestablethanelementalmagnesium.TheresultsofmechanicalcharacterisationrevealedthatthepresenceofincreasinglevelsofnanoAl2O3particulatesinmagnesiummatrixledtosignificantimprovementinhardness,elasticmodulus,0.2%YS,UTS,ductility,andworkoffracture.FractographyrevealedthatthefracturebehaviourofmagnesiummatrixchangedfrombrittletoductileasaresultofthepresenceofnanoAl2O3particulates.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case2S.F.Hassan,M.Gupta:MaterialsScienceandTechnology20(2004)1383-1388第53頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月FrictionStirProcessingTheAZ61AbilletsusedinthisstudyhaveachemicalcompositioninmasspercentofMg–6.02%Al–1.01%Zn–0.30%Mn.Thisalloyisasolutionhardenedalloywithminimalprecipitation.Thebilletpossessednearlyequiaxedgrainsaround75μm(basedonthelinearlineinterceptmethodfromthreecross-sectionalplanes).Thebilletwascutasrectangularsamples60mminwidth,130mminlengthand10mminthickness.AmorphousSiO2nanoparticleshaveanaveragediameter20nmandpurity99.9%.TheamorphousSiO2particlesarenearlyequiaxedinshape,withadensityof2.65g/cm3.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case3C.J.Leeetal.

：ScriptaMaterialia54(2006)1415–1420第54頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月FrictionStirProcessingThesimplifiedFSPmachineusedinthisexperimentwasamodifiedformofahorizontal-typemillingmachine,witha5HPspindle.Thefixedpintoolwas6mmindiameterand6mminlength.Theshoulderdiameterwas18mm,anda2°tiltangleofthefixedpintoolwasapplied.Thepitchdistancewas1mm.Theadvancingspeedoftherotatingpinwaskeptconstantinthisstudytobe45mm/min,withafixedpinrotationof800rpm.Theplateswerefixedbyafixtureandambientaircoolingwasapplied.Inordertomaintaintheentirefixtureattheinitialtemperature(roomtemperature)aftereachpass,thebackplateofthefixturewasdesignedtocontainthreecoolingchannelswithcoolingwaterpassingthroughthem.Usingthemethodsdescribedinapreviouspaper[6],thestrainrateandthemaximumtemperatureexperiencedduringFSParearound10/sand400℃,respectively.Toinsertthenano-SiO2particles,oneortwogrooveseach6mmindepthand1.25mminwidthwerecut,inwhichthenano-SiO2particleswerefilledtothedesiredamountbeforeFSP.Thegroove(s)werealignedwiththecentrallineoftherotatingpin.InordertopreventtheSiO2frombeingdisplacedoutofthegroove(s),surface‘‘repair’’wasaccomplishedwithamodifiedFSPtoolthatonlyhadashoulderandnopin.ThevolumefractionsoftheSiO2nano-particlesinsertedintotheAZ61Mgalloywerecalculatedtobearound5%and10%fortheoneandtwodeepgrooves(1Dand2D),respectively.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case3C.J.Leeetal.

：ScriptaMaterialia54(2006)1415–1420第55頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TheFSPprocedure:(a)cuttinggroove(s)andinsertingSiO2particles;(b)usingaflattooltoundertakethesurfacerepair;(c)applyingatoolwithafixedpintoundertaketheFSP;and(d)conductingmultipleFSPpasses.TEMmicrographanddiffractionpatternoftheamorphous20nmSiO2particles.SEMphotographofthe2D4Pspecimenshowingclusteredsilicalocatedongrainboundariesortriplejunctionandsomesilicaembeddedinthematrixgrains.TEMmicrographsshowingthematrixgrainsizeandSiO2particledistributionintheFSPcomposites:(a)1D1P;(b)1D4P;(c)2D1P;and(d)2D4P.C.J.Leeetal.

：ScriptaMaterialia54(2006)1415–1420ComparisonofthemechanicalpropertiesoftheAZ61alloyandcompositesMagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case3第56頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SummaryofFSPFrictionstirprocessingsuccessfullyfabricatedbulkAZ61Mgbasedcompositeswith5–10vol.%ofnano-SiO2particles.ThedistributionofamorphousSiO2nano-particlesmeasuringaround20nmafterfourFSPpassesresultedinsatisfactorilyuniformdistribution.Thegrainsizeofthe2D4Pcompositescouldbeeffectivelyrefinedto0.8μm,ascomparedwiththe7–8μmintheFSPAZ61alloysprocessedunderthesameFSPcondition.SomeSiO2reinforcementwouldreactwithMgtoformtheMg2SiandMgOphasesduringFSP.Nevertheless,bothphasesarestillinthe5–200nmfinescale.ThehardnessandmechanicalstrengthatroomtemperatureofAZ61Mgcompositeswithnano-fillerswasstrengthened,ascomparedwiththeAZ61castbillet.Andhighstrainraresuperplasticityover400%wasachievedinthe2D4Pcomposites.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case3C.J.Leeetal.

：ScriptaMaterialia54(2006)1415–1420第57頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Ultrasonic-assistedfabricationAZ91Dmagnesiumalloywasselectedasthematrixofthemagnesiumcomposite.ItschemicalcompositionislistedinTable1.Themeltingtemperaturerangeofthismagnesiumalloyis468–596?C.Thereinforcementsweresiliconcarbidenanoparticleswithanormalizedaveragediameterof30nm.ItschemicalcompositionisshowninTable2.Magnesiumcompositeswith2.0wt.%and5.0wt.%nano-sizedSiCwereprepared.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290第58頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Ultrasonic-assistedfabricationHigh-intensityultrasonicwavewasusedforprocessingAZ91Dalloymelts.Theexperimentalsetupconsistsofprocessingunitsandcontrollingunits.AheatingunitwasusedtomeltAZ91Dinasmallgraphitecrucibleof2″diameter×2″height.Atitaniumwaveguide,whichwascoupledwitha20KHz600Wultrasonictransducer,wasdippedintothemelttoprocessthemelts.ThemagnesiummeltpoolwasprotectedbyCO2/SF6(volumeratio99:1)mixedgas.Nano-sizedSiCwasaddedtothecruciblefromthetopsurfaceofthemelts.Onetemperatureprobewasusedtomonitortheprocessingtemperature.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290第59頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Ultrasonic-assistedfabricationTheultrasonicprocessingtemperaturewascontrolledat620℃.Anultrasonicpowerof80Wfromthetransducerwasfoundtogenerateadequatenon-lineareffects[29,30]insidethecrucible.Agraphitepermanentmoldwithprotectionofthemixedgaswasusedtoobtainas-castbulknanocomposites.Withnano-sizedSiCparticlesinthemelts,theviscosityofmeltsbecamehigher.Thus,afterefficientultrasonicprocessing,ahighercastingtemperatureof700℃wasusedtoensureasatisfactoryflowabilityinsidethemold.Itshouldbenotednoultrasonicwaveusedduringthecastingprocess.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290第60頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Ultrasonic-assistedfabricationFormicrostructuralstudy,samplesofas-castbulkmagnesiumcompositeswerecut,mounted,mechanicallyground,andfinallypolisheddownto0.05m.SpecimensforSEMobservationwereetchedwitha2.0vol.%solutionofnitricacidinethanolfor5satroomtemperature,andthensputteredwithAuforbetterconductivity.Thedistributionofthenanoparticlesandindividualelementsinthecompositephaseswereinvestigatedwithascanningelectronmicroscopy(LEO1530SEM),equippedwithanEDSdetector.InelX-raydetectorwasusedtodeterminethephasesinmaterials(40KV,30mA).MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290第61頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SchematicofexperimentalsetupThemicrostructureofAZ91D(left)andAZ91D/5SiC(right)J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4第62頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290(b)traditionallymechanicalstirring.(a)UltrasonicstirringmethodSiCclustersinAZ91D第63頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SummaryofUltrasonicProcessingHigh-intensityultrasonicwavesarecapableofdistributinganddispersingnanoparticlesinMgmatrixwithnon-lineareffectsinliquids,especiallytransientcavitation.Fromthehigh-resolutionSEMobservation,SiCnanoparticlesarealmostuniformlydistributedinthematrix,althoughsomesmallclusters(lessthan300nm)stillexistinmatrix.EDSanalysisindicatesthattheSiCnanoparticelsarepartlyoxidized.ComparedtopurecastAZ91D,castAZ91D/5SiCyieldsMg2Sicompounds.TheMg2Sicompoundinthecompositesmightberesultedfromchemicalreactionstakingplaceduringtheultrasonicprocessingofcomposites.SicouldbeintroducedintothemagnesiummatrixbyreactionsbetweenMgandtheSiO2layerthatcoversthesurfacesofSiCnanoparticles.TheXPSanalysisalsoindicatestheexistenceofSiO2.ThemicrohardnessofnanoparticlereinforcedmagnesiumcompositesimprovedwiththeincreasingfractionofSiCnanoparticles.ThemicroharnessofAZ91D/5SiCincreasedby75%comparedtothatofAZ91D.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290第64頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Theinteractionbetweenhigh-intensityultrasonicwavesandnano-sizedparticleclustersinmagnesiummeltsHigh-intensityultrasonicwavesareespeciallyusefulinthattheygeneratesomeimportantnon-lineareffectsinliquids,namelytransientcavitationandacousticstreaming,whicharemostlyresponsibleforbenefitsincludingrefiningmicrostructures,degassingofliquidmetalsforreducedporosity,anddispersiveeffectsforhomogenizing.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4第65頁(yè)，課件共71頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Theinteractionbetweenhigh-intensityultrasonicwavesandnano-sizedparticleclustersinmagnesiummeltsAcousticstreaming,aliquidflowduetoacousticpressuregradient,isveryeffectiveforstirring.MagnesiumMat