淀粉基复合发泡材料的加工流变特性及其泡孔形态

以玉米淀粉为基体,辅以相应的增塑剂和发泡剂,利用挤出发泡法制备了淀粉基复合发泡材料。运用双料筒毛细管流变仪研究了甘油增塑剂、NaHCO3发泡剂含量对淀粉基复合发泡材料流变行为的影响。采用扫描电镜（SEM）研究了不同熔体黏度对泡孔形态的影响。结果表明：淀粉基复合发泡材料的熔体流动特性表现为假塑性;随着甘油含量的增加,熔体黏度逐渐下降;随着NaHCO3含量的增加,熔体黏度先下降后提升;随着熔体黏度的降低,熔体内泡孔数量减少,孔径增大,当熔体黏度为1 200 Pa·s时,泡孔大小适中且分布均匀。     

颗粒尺寸对SiC_P预制体孔洞三维特征的影响

通过模压成型和高温烧结制备了不同SiC_P颗粒尺寸(20、50、100和150μm)的预制体,采用高分辨率(~1.0μm)三维X射线断层扫描和三维孔隙网络结构模型,研究了SiC_P颗粒尺寸对预制体孔洞三维特征的影响。结果表明:随着SiC_P颗粒尺寸的增大,淀粉的间隙膨胀作用逐渐减弱,而颗粒堆积间隙逐渐增大。当SiC_P颗粒尺寸由20μm增大到100μm时,截面孔洞形貌更加平齐,面孔隙率均值减小,孔洞体积的空间分布均匀性和连通性都变差,孔洞和喉道的平均尺寸增大,而小尺寸孔喉数量减少,平均孔洞配位数减小;当颗粒尺寸继续增大至150μm时,间隙被更多较小尺寸颗粒填充,且颗粒表面残留网状粘结剂,都大大降低了孔洞体积的空间分布均匀性和连通性,使小尺寸孔喉数量增多,平均孔洞配位数增大。     

预制体尺度对C/C复合材料CVI增密过程影响的模拟研究

对不同直径圆柱预制体的CVI增密过程进行数值模拟研究,分析预制体尺度对增密过程及密度分布的影响。针对高90mm,直径分别为60、120、180mm的预制体,分别模拟CVI过程中预制体的孔隙率、密度以及孔隙平均尺寸分布和变化特征。结果显示,小直径预制体经过一段时间的沉积后密度分布较为均匀,且平均密度值很高;预制体直径较大时,沉积易发生在表面区域,导致表面区域密度较高,中心区域密度值较低,影响进一步的增密过程。     

预制体尺度对C/C复合材料CVI增密过程影响的模拟研究

对不同直径圆柱预制体的CVI增密过程进行数值模拟研究,分析预制体尺度对增密过程及密度分布 的 影 响。针 对 高90mm,直 径 分 别 为60、120、180mm的预制体,分别模拟CVI过程中预制体的孔隙率、密度以及孔隙平均尺寸分布和变化特征。结果显示,小直径预制体经过一段时间的沉积后密度分布较为均匀,且平均密度值很高;预制体直径较大时,沉积易发生在表面区域,导致表面区域密度较高,中心区域密度值较低,影响进一步的增密过程。     

SiCf/SiC复合材料的RMI制备方法以及微观结构和性能优化

反应熔体渗透(RMI)是制备高密度陶瓷基复合材料的有效方法之一, 而熔体的渗透和复合材料的形成主要取决于预制体的孔隙结构。本研究将硅熔体渗透到具有不同孔隙结构的含碳预制体中, 制备了SiC纤维增强SiC基复合材料(SiC_f/SiC), 并研究了孔隙结构对熔体浸润和SiC_f/SiC复合材料的影响。研究结果表明: 具有较均匀孔径的预制体可以使熔体浸润更充分, 制备的复合材料具有更少的残余孔隙及更优的力学性能。该研究对反应熔渗制备复合材料的孔结构调控具有指导意义。     

动态布流平面凝固铸造AA1070/AA7050合金

提出了一种新的用于大尺寸复层铸锭平面凝固铸造的布流系统,并使用软件FLUENT对铸造过程中分流方式对温度场的影响进行了模拟分析,模拟结果表明,使用动态布流时熔体温度的均匀性显著优于定口布流,因而可实现凝固时固/液界面在上升过程中保持平坦。使用动态布流平面凝固铸造方法实现了1070/7050大尺寸双层铝合金的铸造复合,铸造结果表明,复合铸锭中两种铝合金的界面清晰平直,无气孔夹杂等缺陷,实现了冶金结合并存在元素扩散层;7050侧金相组织均匀,厚度方向上无明显宏观偏析。     

融盐自发浸渗用微米级多孔陶瓷预制体的烧制

探索以SiO2为骨料,选择合适的助剂、烧成制度、成型压力和颗粒粒度,烧制成三维连通网格状多孔陶瓷预制体的工艺制度,用于自发浸渗熔融无机盐相变材料以制备无机盐/陶瓷基复合相变储能材料.讨论了制备工艺与预制体的显气孔率、孔结构以及显微组成之间的关系,烧制出的石英质多孔陶瓷具有40%～45%的显气孔率和5～40μm的孔径大小,完全符合自发熔融浸渗工艺的要求.     

变密度针刺碳纤维预制体及其力学性能

设计了一种表层密度较低而里层密度较高的变密度无纬布/网胎层针刺炭纤维预制体。对制得的变密度预制体和恒密度预制体,通过用排水法测试比较预制体的实际密度和孔隙率,用扫描电子显微镜(SEM)分析变密度预制体预制体的切面结构,用毛管流动孔隙仪分析比较预制体孔径分布,通过万能力学强力仪测试比较预制体弯曲力学性能,并对其在CVI制备C/C复合材料过程中的优点进行了展望。     

“龟裂”纳米纤维片/玻纤织物复合预制体的层间渗流特性

结合静电纺丝技术和高温煅烧方法制备了“龟裂”TiO₂纳米纤维/玻纤织物复合预制体,使用光学显微镜对TiO₂纳米纤维片的制备工艺进行了优选,采用径向法测量了含有不同厚度TiO₂纳米纤维片复合预制体的渗透率,重点分析了层间“龟裂”纳米纤维片对玻纤织物预制体渗流模式的影响。结果表明,纺丝溶胶液用量为1.0~4.0 mL时可在玻纤织物表面制备出成型良好且附着力强的“龟裂”纳米纤维片;与空白玻纤预制体相比,复合预制体的主渗透率增加了2~3个数量级;复合预制体表现出的各向异性程度随溶胶液用量的增加呈增大的趋势,宏微观流动存在同步性,且随注入时间的延长,同步性更加显著。     

废纸浆纤维增强淀粉基复合发泡材料的制备及其性能

以NH4HCO3为发泡剂,废纸浆纤维为增强体,玉米淀粉、PVA为基质,甘油和尿素作为复合增塑剂,辅以其它的各种助剂,利用挤出发泡法制备出一种可生物降解的复合发泡材料。并分别讨论该发泡材料的密度、发泡倍率、吸水性、回弹性以及泡孔形态。研究结果显示,材料的密度随着发泡剂含量的增加先减少后增加,当发泡剂含量为1.2%时,材料的密度最小为0.16g/cm3;发泡倍率、吸水率、线性尺寸变化量均随着发泡剂含量的增加先增加后减少,且在发泡剂含量为1.2%时,均达到最大值;随着发泡剂含量的增加,材料泡孔数量先增加后减少,孔径逐渐增大;当废纸浆含量为20%时,材料的泡孔数量多,孔径较小且分布比较均匀;当复合增塑剂含量为30%时,淀粉与废纸浆相容性较好,材料泡孔数量较多,且泡孔大小分布均匀。     

放电等离子烧结WC/Fe复合材料摩擦磨损性能

采用放电等离子烧结技术制备了WC质量分数为40%的WC/Fe复合材料,研究了不同烧结温度条件下WC/Fe复合材料的致密度、组织、硬度及干摩擦磨损性能。利用SEM和XRD分析了不同烧结温度条件下存在的物相;采用销-盘摩擦磨损试验机(盘试样选用~80μm的Al2O3砂纸,滑动距离约为950m)测量了马氏体耐磨钢和WC/Fe复合材料在不同载荷下相对磨损率;用SEM观察磨损形貌,确定WC/Fe复合材料的磨损机制。结果表明:烧结温度为1080℃时,WC/Fe复合材料实现完全致密,WC陶瓷颗粒均匀分布在基体中并与基体界面结合良好;随着WC/Fe复合材料完全致密化,其硬度及耐磨性能逐渐提高;WC/Fe复合材料的耐磨性能远优于马氏体耐磨钢。WC/Fe复合材料磨损机制主要为氧化磨损和磨粒磨损。在低载荷条件下,颗粒脱离基体造成氧化膜破裂,促使材料表面受损;较高载荷条件下,WC陶瓷颗粒破碎加速氧化膜破裂,加快了材料的磨损。     

激光熔覆WC/H13-Inconel625复合材料的冲击韧性与磨损性能

针对传统颗粒增强复合材料韧性较差的问题,以WC/H13为增强区材料,Inconel625为韧化区材料,采用激光熔覆的方法制备空间夹层分布的结构韧化复合材料。借助光学显微镜、超景深三维显微镜、扫描电子显微镜分析复合材料及其冲击断口的微观结构与组织,利用夏比冲击试验机、摩擦磨损试验机研究复合材料的冲击韧性与磨损性能。结果表明:增强区为20%(体积分数,下同)WC/H13复合材料,以WC颗粒和反应生成的碳化物M_6C为主要增强相;韧化区为Inconel625合金,主要组织为柱状晶、树枝晶和沉淀相。Inconel625平均硬度为230.5HV,WC/H13硬度由强韧界面向中心区域逐渐升高到402HV。结构韧化复合材料的平均冲击功为13.8J/cm^2,是传统10%WC/H13复合材料的5.5倍。在室温干滑动磨损条件下,结构韧化复合材料的耐磨性达到传统10%WC/H13复合材料相同水平,是淬火态H13钢的5倍,结构韧化复合材料的平均摩擦因数为传统10%WC/H13复合材料的81%,淬火态H13钢的80%,具有良好的减摩效果与耐磨性。结构韧化可以在保证优异耐磨性的同时,大幅度提高颗粒增强复合材料的冲击韧性。     

WC体积分数对WC_p/Fe复合材料组织及压缩性能的影响

为研究WC体积分数对WC_p/Fe复合材料组织、界面及压缩性能的影响,采用粉末烧结法制备了不同WC体积分数的WC_p/Fe复合材料。结果表明:在不同WC体积分数的WC_p/Fe复合材料中,WC颗粒发生了不同程度的溶解,其与基体间均呈冶金结合。随着WC体积分数的增加,WC_p/Fe复合材料的界面等效宽度呈现递减趋势,当WC体积分数为50%时,界面等效宽度最小,为39.8μm;复合材料的压缩强度呈先增大后减小趋势,当WC体积分数达到45%时,压缩强度达到最大值;复合材料的断裂方式由准解理断裂逐渐转向纯解理断裂,当WC体积分数达到50%时,WC_p/Fe复合材料的断裂方式为纯解理断裂。     

WCP/Fe-C 复合材料的界面反应和基体合金化研究

利用离心铸造成型碳化钨颗粒(WCP ) 增强Fe-C 基体合金的复合结构空心圆柱体, 采用宏观测量、X 射线衍射分析和扫描电镜(SEM ) 与能谱(EDS) 的微观分析, 对WCP/Fe-C 界面反应和基体合金化研究。结果表明, 在转速800～ 1200 r/m in离心铸造机上获得了外径167mm , 内径87mm , 高67mm 的空心圆柱体, 其表面层为16～ 20mm 大断面WCP/Fe-C 复合材料, 芯部为Fe-C 基体合金。铸造碳化钨颗粒(CTCP ) 的表面被高温Fe-C 基体合金熔融体部分溶解, 甚至解体; 原位( in2situ) 自生成细小短棒状WC 和W₂C 先共晶析出相; 远离CTCP , 分布游离的细小颗粒状和网状WC、W ₂C、Fe₃W ₃C₂Fe₄W ₂C、Cr₇C₃ 和Fe₃₂C 碳化物。由于CTC_P 部分溶解和扩散作用, 复合结构空心圆柱体的Fe-C合金基体被不同程度合金化。      

Ti诱导反应熔体无压浸渗法制备(W,Ti)C/Fe复合材料

研究了一种Ti诱导反应熔体无压浸渗制备复合材料的方法: 通过凝胶注模成型工艺, 以蔗糖为造孔剂制备了多孔Ti-WC陶瓷骨架预制体, 真空状态下, 在1370℃以Fe-Cr-C合金熔体无压浸渗该预制体, 经过原位反应制备了(W,Ti)C/Fe复合材料。利用SEM-EDS、 XRD对复合材料的组织结构、 元素组成及相组成进行了测试和分析。采用旋转圆盘式摩擦试验机以SiC砂浆为磨料研究了(W,Ti)C/Fe复合材料的耐磨性。结果表明: 在浸渗过程中骨架中的Ti元素的溶解析出与C元素的原位反应促进了浸渗过程的进行, 在1370℃保温1 h, 金属液即渗透整个多孔骨架, 并且在浸渗过程中仍然维持着骨架的形状, 浸渗过程中Ti-C-WC原位反应生成具有芯-壳结构的中间富Ti、 边缘富W的(W,Ti)C增强相。摩擦磨损实验结果表明, (W,Ti)C/Fe复合材料具有优异的抗磨粒磨损性能, 其耐磨性优于工业用耐磨铸铁。     

Y_2O_3含量对38CrMoAl钢表面激光合金化WC/Ni金属陶瓷组织与性能的影响

采用激光合金化技术,在38CrMoAl钢表面制备不同Y_2O_3含量的WC/Ni合金化层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、显微硬度计和摩擦磨损试验机,系统研究合金化层的相组成、显微组织、显微硬度及摩擦磨损性能随Y_2O_3含量的变化规律。结果表明:不同Y_2O_3含量的合金化层皆是由γ-(Fe,Ni)、基体马氏体、M3C及WC相组成,其中纳米WC颗粒主要分布在合金化层上部的枝晶间,而微米WC颗粒则分布于合金化层底部边缘区,且在颗粒边缘形成有明显的外延生长层。随着Y_2O_3含量的增加,具有亚共晶形貌特征的凝固组织逐渐细化,γ-(Fe,Ni)和M3C数量增多,基体马氏体数量略有减少。但当Y_2O_3含量(质量分数,下同)超过1.0%时,凝固组织开始有所粗化。随Y_2O_3含量增加,合金化层硬度呈先增后降、摩擦因数和磨损失重呈先减后增的变化趋势。当Y_2O_3含量为1.0%时,合金化层硬度(781HV0.2)最高,为基体的2.4倍;摩擦因数和磨损失重最小,分别为基体的17%和8.9%。     

新型自润滑YBa_2Cu_3O_7/Cu复合材料的制备及性能

采用草酸盐共沉淀法制备了YBa2Cu3O7(YBCO)粉体,利用真空热压烧结法制备了不同质量分数的YBCO/Cu复合材料,测定了YBCO/Cu复合材料的密度、硬度和电导率,利用MMU-5GA磨损试验机对YBCO/Cu复合材料进行了摩擦磨损试验。采用XRD、SEM和TEM对YBCO粉体及YBCO/Cu复合材料的微观结构、磨损表面形貌及物相组成进行了表征。研究了YBCO质量分数对YBCO/Cu复合材料组织及性能的影响。结果表明:所制备的YBCO粉体物相为Y123相,其层状结构明显,粉体纯度高、杂质少,粒度达到纳米级;纳米YBCO可显著细化YBCO/Cu复合材料的基体组织,提高复合材料的摩擦学性能。随着YBCO质量分数增加,基体组织中纳米YBCO颗粒分布均匀度降低,逐渐出现团聚;YBCO/Cu复合材料的电导率和密度降低,硬度先升高后降低,摩擦系数逐渐减小。3%YBCO/Cu复合材料的摩擦磨损性能最好。YBCO/Cu复合材料强化机制为Orowan强化、热错配强化和细晶强化;其磨损机制主要为塑变磨损、磨粒磨损和疲劳剥落。     

Experimental and prediction of sintered Cu–W composite by using artificial neural networks

High-energy mechanical milling was used to mix Cu and W powders. Cylindrical preforms with initial preform density of 85% were prepared using a die and punch assembly. The preforms were sintered in an electric muffle furnace at 750 °C, 800 °C, 850 °C, and subsequently furnace cooled and then the specimens are hot extruded to get 92% preform density. Scanning Electron Microscope and X-ray diffraction observations used to evaluate the characteristics. The pore size reduction during extrusion was studied using Auto CAD 2010. Neural networks are employed to study the tribological behavior of sintered Cu–W composites. The proposed neural network model has used the measured parameters namely the weight percentage of tungsten, sintering temperature, load and sliding distance to predict multiple material characteristics, hardness, specific wear rate, and coefficient of friction. The predicted values from the proposed networks coincide with the experimental values. In addition, a relative study between the regression analysis and the networks revealed that the artificial neural networks can predict the tribological characteristics of sintered Cu and W composites better than regression polynomials within a very few percent error.     

PTFE微粉/CF改性PEEK复合材料的摩擦磨损性能

为解决核电水循环系统中鼓型旋转滤网驱动装置的耐腐蚀问题,本文研究了碳纤维和聚四氟乙烯微粉改性的聚醚醚酮复合材料在干摩擦、水润滑和油润滑条件下的摩擦磨损性能.通过机械共混、高温模压的方法,制备了不同质量分数的聚四氟乙烯(PTFE)微粉/碳纤维(CF)/二硫化钼(MoS_2)/聚醚醚酮(PEEK)复合材料.采用拉伸试验机和塑料洛氏硬度计测试其力学性能,采用摩擦磨损试验机测试了复合材料在干摩擦、水润滑和油润滑条件下的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜对其摩擦表面形貌进行分析.结果表明:复合材料在水润滑和油润滑时摩擦系数及磨痕宽度均较小,但水润滑时摩擦系数波动幅度较大且磨痕宽度略高;复合材料在干摩擦条件下的磨损机制以磨粒磨损为主,伴有疲劳磨损,油润滑时摩擦面可形成连续的润滑膜而保持光滑,水润滑时水流冲刷破坏了摩擦面上固体润滑膜的稳定性;CF质量分数增加时,复合材料的洛氏硬度和压缩强度递增,压缩强度达到164 MPa,PTFE微粉质量分数增加时,复合材料的洛氏硬度和压缩强度递减;CF质量分数增加时,复合材料的干摩擦系数及磨痕宽度下降,PTFE微粉质量分数增加时,复合材料的干摩擦系数下降,达到0.17.     

Abrasive wear of FeCr (M7C3–M23C6) reinforced iron based metal matrix composites

Abstract

The effects of volume fraction, particle size, and sintered porosity of FeCr (M₇C₃–M₂₃C₆) particulates on the abrasive wear resistance of powder metallurgy (PM) Fe alloy metal matrix composites have been studied under different abrasive conditions. It was seen that the abrasive wear rate of the composites increased with an increase in the FeCr volume fraction in tests performed with 80 grade SiC abrasive paper, but it decreased for tests conducted with 220 grade SiC abrasive paper. Furthermore, the wear rates decreased with an increase in FeCr size for composites containing the same amount of FeCr. Hence it is deduced that Fe alloy composites reinforced with larger size FeCr particles are more effective against abrasive wear than those reinforced with smaller ones. At the same time the results show that the beneficial effects of hard FeCr particulates on wear resistance far outweighed the detrimental effects of sintered porosity in the PM metal matrix composites. In addition, the fabrication of composites containing soft particles such as graphite or copper favours a reduction in the coefficient of friction, and increases the matrix hardness of the composite. For this reason graphite and copper were used in the matrix in different amounts to test their effect on the wear resistance. Increase in graphite and copper volume fraction allowed the formation of additional phases, which had high hardness and wear resistance. It was also found that the wear rate of the composites decreased considerably with graphite and copper addition.