硬质陶瓷粒子增强铝基复合材料——Ⅰ—制备工艺与组织特征

改进铸造铝基合金液体对陶瓷粒子的浸润能力及采用可靠的熔铸工艺可获得均匀弥散陶瓷粒子的铝合金-硬质陶瓮粒子复合材料,硬质陶瓷粒子与铝合金发生界面相互作用产生变质效应和生成界面产物。本文介绍了这类复合材料的制备工艺,着重说明改进基体铝合金与陶瓷粒子浸润性的方法和原理以及这类材料的组织特征。     

铝的新生命

近20年来非金属复合材料被称为未来的航空航天材料。如今,复合材料的广泛应用并非在民用飞机的表面控制和承载结构方面、军用飞机原有结构的强度、刚度、隐身超越控制方面取得明显进展,而是在金属与非金属技术结合形成一种新材料方面有所突破。许多种非金属材料都能强化铝和其它金属,提高它们的强度和刚度。铝的增强剂可以是弥散分布的微观粒子,也可以是贯穿整个基体结构长度的连续纤维。这种纤维能存在于基体金属中,或作为铝层之间的叠层。圣地亚哥公司的硬质铝(或称杜拉铝)基复合材料是由工业级铝和陶瓷粒子——氧化铝(Al_2O_3)或是碳化硅制成的低成本复合材料。一种特有的加工过程允许具有化学活性的熔     

莫来石/钛酸铝层状复合材料的制备

采用轧膜成型和热压烧结工艺,以莫来石为基体层,钛酸铝为界面分隔层制备了陶瓷基层状复合材料,研究了层状复合材料的力学性能、显微结构、应力应变行为和断裂机制。结果表明,利用钛酸铝强度低的特点,以此作为陶瓷基层状复合材料的界面分隔层是可行的。与块体莫来石陶瓷相比,复合材料的强度有所降低,但断裂韧性提高;断口形貌观察和分析表明莫来石/钛酸铝层状复合材料在界面区域发生裂纹偏转,表现为非脆性断裂。     

Y－TZP强化Al_2O_3超细材料的组织性能研究

制备了纳米级Ｙ－ＴＺＰ（Ｙ＿２Ｏ＿３稳定的四方ＺｒＯ＿２多晶）强化Ａｌ＿２Ｏ＿３陶瓷复合材料，并研究了其组织性能。发现纳米粉末有利于提高制品的密度和获得细晶组织。有两种ＺｒＯ＿２粒子存在于该复合材料中，即Ａｌ＿２Ｏ＿３晶内的十分细小的ＺｒＯ＿２粒子和镶嵌于Ａｌ＿２Ｏ＿３晶界的ＺｒＯ＿２粒子，这两种粒子共同作用，十分显著地提高制品的强度，后者还有利于高温性能的改善。２０（ｖｏｌ）％（Ｙ－ＴＺＰ）－Ａｌ＿２Ｏ＿３纳米复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别达到１７５０ＭＰａ和６．１ＭＰａ．ｍ￣（１／２）。断裂韧性的缓慢提高主要是由于制品的高密度及晶粒细化的结果。     

Y－TZP强化Al_2O_3超细材料的组织性能研究

制备了纳米级Ｙ－ＴＺＰ（Ｙ＿２Ｏ＿３稳定的四方ＺｒＯ＿２多晶）强化Ａｌ＿２Ｏ＿３陶瓷复合材料，并研究了其组织性能。发现纳米粉末有利于提高制品的密度和获得细晶组织。有两种ＺｒＯ＿２粒子存在于该复合材料中，即Ａｌ＿２Ｏ＿３晶内的十分细小的ＺｒＯ＿２粒子和镶嵌于Ａｌ＿２Ｏ＿３晶界的ＺｒＯ＿２粒子，这两种粒子共同作用，十分显著地提高制品的强度，后者还有利于高温性能的改善。２０（ｖｏｌ）％（Ｙ－ＴＺＰ）－Ａｌ＿２Ｏ＿３纳米复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别达到１７５０ＭＰａ和６．１ＭＰａ．ｍ￣（１／２）。断裂韧性的缓慢提高主要是由于制品的高密度及晶粒细化的结果。     

聚醚酰亚胺底涂剂增强石英陶瓷/异种材料胶接性能

为提高石英陶瓷与低膨胀合金钢、碳纤维复合材料等异种材料的胶接强度，设计并制备了一种新型的含硅烷侧链的聚醚酰亚胺底涂剂(BDA-K),测试了底涂剂增强的石英陶瓷/异种材料的胶接强度，分析了底涂剂对胶接结构的作用机理。研究结果表明：BDA-K可以显著提高石英陶瓷与异种材料的胶接强度；与无底涂剂时相比，石英陶瓷/碳纤维复合材料室温下的胶接强度提升率为45.7%、280℃下胶接强度提升率为67.0%;石英陶瓷/4J36低膨胀合金钢材料室温下的胶接强度提升率为70.4%、300℃下胶接强度提升率为126.0%。     

配合间隙对陶瓷基复合材料连接结构高温拉伸性能的影响

陶瓷基复合材料机械连接结构强度分析与设计对提高结构承载效率起着至关重要的作用。采用Abaqus有限元软件研究了间隙配合精度对C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓连接结构高温拉伸性能的影响,并讨论了结构失效损伤扩展机制。结果表明:750℃工况下沉头螺栓豁口深度为1.7mm,间隙为0.8%时连接结构承载能力达到最大值。研究结果将为航空航天领域陶瓷基复合材料连接结构的设计和应用提供理论指导。     

读者信箱

问:防弹衣是采用什么材料制成的?黑龙江大庆王璟钰答:防弹衣也称防弹背心,是由防弹材料制成的。目前的防弹衣主要分为硬质防弹衣和软质防弹衣两类,前者的防弹材料主要有防弹金属(如高锰钢、钛合金等)、防弹陶瓷、高性能复合材料板及非金属与金属、陶瓷的复合材料板等;后者的防弹材料主要是高性能纤维(如高分子聚乙烯纤维、凯夫拉纤维等)。     

兵器和飞机制造上使用的陶瓷粒子增强铝合金

陶瓷粒子增强铝合金在刚性和强度方面虽然没有陶瓷纤维增强铝合金大,但比一般铝合金大。例如20％的碳化硅陶瓷粒子增强铝合金的弹性系数比一般铝合金大50％,强度大20％,耐热性也比一般铝合金好,因此它的使用温度比一般铝合金高300℃。而且热膨胀小,耐磨损性也好。陶瓷粒子增强铝合金比陶瓷纤维增强铝合金价格低并且便于加工,因此使用改进的加工一般铝合金用的刀     

反应烧结制备CF/Si_3N_4复合材料的研究

本文简要地回顾了纤维/陶瓷复合材料的发展。介绍了CF/Si_3N_4复合材料反应烧结的制备工艺。采用本工艺,由于基体材料的多孔性和反应烧结的低温制度,较好地解决了纤维和基体间的物理及化学相容性。本试验制得的CF/Si_3N_4复合材料比反应烧结氮化硅陶瓷具有更高的韧性(K_(IC)值提高约1倍,α_K值提高约60％),而强度、硬度等力学性能并没有明显地下降。     

铝基陶瓷颗粒复合材料的抗弹性能研究

用铝和陶瓷颗粒制成复合材料 ,在 7.6 2mm穿甲弹的侵彻下 ,复合材料的抗弹性能表现为 :当复合材料中的陶瓷颗粒尺寸小于 8mm时 ,防护系数随陶瓷尺寸的增加而缓慢增加 ;当陶瓷尺寸大于 8mm时 ,防护系数随陶瓷尺寸的增加快速增加。在抗弹过程中 ,由于铝对陶瓷的约束作用 ,和铝与陶瓷界面的波阻特性 ,用铝复合陶瓷块制备陶瓷复合材料可以提高复合材料的抗弹性能     

添加TiB2对石墨烯改性B4C陶瓷基复合材料抗弹性能的影响

为支撑新型轻质防弹装甲材料的研发和优化,以添加和未添加增韧相TiB₂的两种石墨烯改性碳化硼（B₄C）陶瓷复合材料为研究对象,研究其在12.7 mm口径穿甲弹侵彻下的失效机理。利用维氏硬度计、三点弯曲法和单边切口梁法获得两种陶瓷基复合材料的维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性3个准静态力学性能参数,通过残余穿深试验研究两种复合材料在12.7 mm口径穿甲弹正侵彻下的抗侵彻能力,并采用防护系数进行定量表征。结合铝合金背板和陶瓷碎块的宏观损伤形貌,利用扫描电镜进行微观断口分析,研究陶瓷在弹头侵彻下的失效机理、增韧相TiB₂以及石墨烯的强化机制。结果表明：TiB₂的加入可以提高石墨烯改性B₄C陶瓷的各项性能,相较不含TiB₂的石墨烯改性B₄C陶瓷,含质量分数14%TiB₂改性B₄C陶瓷的维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性分别提高了19.66%、24.06%和19.70%,在12.7 mm口径穿甲弹弹头750 m/s速度侵彻下的防护性能提高15.11%;对于石墨烯改性B₄C陶瓷,TiB₂的加入与石墨烯的促进作用使B₄C陶瓷变为多种破坏吸能模式,表现出更优异的抗破碎性,是其抗侵彻性能等提高的主要原因。     

高强度耐磨损烧结Al基复合材料

美国专利US2006 13719中公布了一种高强度耐磨损烧结Al基复合材料的制造工艺。Al合金基体的主要成分（质量分数％）是：Zn3～10、Mg0．5～5和Cu0．5～5，硬质颗粒增强相含量为0．1-10，可选择的硬质颗粒增强相包括碳化硅、硼化铬和碳化硼粒子等。硬质颗粒增强相均匀分散在Al合金基体上，MgZn2、A12Mg3Zn3和CuAl2等金属间化合物相也弥散沉淀在Al合金基体上。     

硬质阳极氧化对提高铝弹体表面硬度的影响因素

介绍了硬质阳极氧化方法,分析了影响硬质阳极氧化膜硬度的工艺参数,指出了硬质阳极氧化对提高铝弹体表面硬度的作用,硬质阳极氧化提高了铝弹体表面的硬度,可以满足铝弹体的发射强度要求.     

以气凝胶为夹层的复合结构抗弹性能研究

对气凝胶分别与防弹纤维、SiC/Al复合材料和陶瓷组成的复合靶板进行靶试试验,研究气凝胶作为夹层时复合结构的抗弹性能。结果表明：当防弹纤维后面加上气凝胶夹层后,强度较低的气凝胶夹层使防弹纤维面板的变形有了很大的扩展空间,复合靶板吸收弹头动能的能力大幅提高,同时可以有效防止弹头的非贯穿性伤害。SiC/Al复合材料后面加上气凝胶夹层后,复合靶板的抗弹性能提高不明显,但可以大幅提高复合材料受到冲击后的完整性。当气凝胶作为夹层放置在陶瓷面板后面时,陶瓷面板由于没有足够的支撑作用而发生弯曲破坏,反而导致整个复合结构的防弹能力降低。     

纤维增强陶瓷基复合材料的研究及其在航空航天领域的应用

本文介绍纤维增强陶瓷基复合材料的研究动态及应用。对适合作陶瓷增强物的几种纤维及晶须进行了介绍,论述了几种高温结构陶瓷复合材料的制备工艺,并对陶瓷基复合材料作为飞行器结构材料的应用前景作了分析,对陶瓷基复合材料研究中存在的主要问题和今后的研究动向进行了简要的讨论。     

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Al2O3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。     

锻造对WC/钢烧结复合材料冲击韧性的影响

比较了三种WC/钢烧结复合材料在相同的热处理条件下 ,经锻造与未锻造两种不同状态的冲击韧性值 ;研究了锻造对这类脆性材料冲击韧性的影响。结果表明 ,锻造使材料的冲击韧性大幅度提高。原因是锻造使材料组织中大块硬质相“碎化” ,WC粒子的形态、分布状况和钢基体的密度、显微组织结构发生变化的结果。     

碳化硼晶须工作稳定性好

<正> 据英国新金属和化学工业公司介绍,该公司生产的新的粒径较大的碳化硼晶须工作稳定性比较好。这种晶须的密度比其它陶瓷增强材料低,强度和模量则较高。 当用其生产金属基和陶瓷基复合材料时,二者均能得到比添加颗粒更好的性能。     

聚合物在陶瓷及其复合材料制备中的应用

回顾了国内外近年来聚合物在陶瓷及其复合材料中的应用研究情况,重点阐述了聚合物在陶瓷粉体悬浮液流变行为、陶瓷材料和粉体制备、陶瓷浆料成型和聚合物/陶瓷复合材料等方面的应用研究及动向.结果表明,聚合物在陶瓷及其复合材料中具有非常重要的作用.