颗粒尺寸对B4C增强铝基中子吸收材料界面反应与力学性能的影响

采用粉末冶金真空热压法制备了B₄C质量分数为31%、平均颗粒尺寸分别为6.5 μm、9.3 μm、17.3 μm、28 μm、39.5 μm的纯Al和6061Al基体的复合材料。对复合材料进行微观结构和力学性能检测,结果表明:所有复合材料的B₄C颗粒在基体中都均匀分布,且致密度都达到99%以上;对于纯Al基复合材料,随着颗粒尺寸增加,其致密度和塑性逐渐增加,强度逐渐下降;对于6061Al基复合材料,致密度随着颗粒尺寸的增加稍有降低,其强度和塑性受颗粒尺寸和热压温度共同影响,当热压温度610℃时,界面反应严重,随B₄C颗粒尺寸增加,强度先下降后上升,塑性先上升后下降;当热压温度580℃时,界面反应轻微,复合材料强度逐渐下降,塑性逐渐上升。颗粒尺寸、界面反应和基体材料等均影响B₄C增强铝基复合材料的力学性能。      

界面反应产物对B4C/Al复合材料颗粒润湿性及界面强度的影响机制

采用搅拌铸造法制备了B₄C/Al复合材料,利用实验分析结合第一性原理计算的方法,探讨了界面反应产物Al₃BC和TiB₂对B₄C/Al复合材料颗粒润湿性及界面结合强度的影响机制。结果表明,界面反应产物为Al₃BC时,B₄C颗粒润湿性没有得到实质性改善,存在明显的颗粒团聚现象,界面结合强度较低且过度的界面反应使B₄C颗粒分解损耗严重,导致B₄C颗粒增强效果不明显;而通过添加Ti元素使界面反应产物为TiB₂时,颗粒润湿性明显改善,B₄C颗粒团聚现象显著减少,界面结合强度较高,力学性能得到显著提高。这主要是由于不同终端的Al（111）/TiB₂（0001）界面黏附功均大于Al（111）/B₄C（0001）的界面黏附功,表明界面反应产物TiB₂可以提高B₄C颗粒的润湿性,而界面反应产物Al     

双屏蔽(B4C-W)/6061Al层状复合板设计与性能

基于B₄C和W良好的屏蔽中子和γ射线性能,采用6061铝合金作为基体,设计了一种新型双屏蔽(B₄C-W)/6061Al层状复合材料,通过放电等离子烧结后加热轧制成板材,对制备的复合材料微观组织和力学性能进行了研究。结果表明,屏蔽组元B₄C和W颗粒均匀地分布在6061Al基体中,层界面、B₄C/Al、W/Al异质界面之间结合良好,无空隙和裂纹。在颗粒与基体界面处形成扩散层,扩散层的厚度约为6 μm (W/Al)和4 μm (W/Al)。轧制态的(B₄C-W)/6061Al层状复合板的屈服强度(109 MPa)和极限抗拉强度(245 MPa)明显优于烧结态的复合材料,但断裂韧性降低。强度提高的原因主要是轧制后颗粒的二次分布、均匀性及界面结合强度提高,基体合金的晶粒尺寸减小,位错密度增加。层状复合板的断裂方式为基体合金的韧性断裂和颗粒的脆性断裂。      

微/纳B4C增强6061Al复合材料微观结构及力学性能

采用先进粉末冶金技术(放电等离子烧结+热挤压)制备了三种体积分数(3vol%、5vol%、7vol%)的微/纳B₄C增强6061Al复合材料,对不同制备阶段复合材料的微观组织(SEM、TEM、EBSD)进行观察分析,对复合材料的纳米压痕行为及拉伸性能进行测试。结果表明:烧结后B₄C颗粒在基体中呈“网状”分布;挤压变形后B₄C颗粒在基体实现弥散均匀分布。挤压变形后,纳米B₄C在晶内及晶界均有分布,纳米B₄C对位错的钉扎作用使得基体积累大量位错,提供驱动力并越过动态回复,使内部再结晶比例高达74%。当B₄C体积分数为3vol%时,挤压态B₄C/6061Al复合材料的抗拉强度、屈服强度及延伸率为219 MPa、88 MPa和22.5%,断裂形貌中呈现大量韧窝。      

热轧高含量B4C颗粒增强Al基复合材料的成形性能

高含量B₄C (B₄C≥30wt%)颗粒增强Al基(B₄C_P/Al)复合材料具有优异的结构和功能特性,尤其是具有优异的中子吸收性能,在核防护领域被用做屏蔽材料使用。但由于高含量B₄C颗粒的加入,使B₄C_P/Al复合材料变形困难。采用ABAQUS数值模拟方法对不同变形量下B₄C_P/Al复合材料的热轧过程进行数值模拟分析,在480℃温度下对热压烧结的B₄C_P/Al复合材料坯料进行轧制,并对其微观组织和力学性能进行分析。数值模拟结果表明,热轧变形量达到60%以上时,B₄C_P/Al复合材料板材表面中间区域应力较小,侧面应力较大,在板材边缘容易产生残余应力。研究结果表明,随轧制下压量的增加,B₄C_P/Al复合材料中B₄C颗粒分布明显均匀,位错密度增加。当轧制变形量达到70%时,B₄C_P/Al复合材料的屈服强度提高至249.46 MPa,极限抗拉强度提高至299.56 MPa。在拉伸过程中,B₄C颗粒优先断裂,但并未与基体界面脱黏,B₄C颗粒承受了主要载荷,Al基体发生塑性流动,从而提高了B₄C_P/Al复合材料的强度。      

CF-B4C/Al中子吸收复合材料的微观组织及力学行为

基于B₄C良好的中子吸收性能和碳纤维（CF）慢化中子的性能,采用真空热压烧结方法制备了集结构与功能一体具有不同CF含量的CF-B₄C混合增强6061Al基复合材料,并对热轧后的组织形貌和力学性能进行分析。结果表明,大变形量热轧后B₄C颗粒和CF分布较均匀,没有出现大面积的聚集现象,但是少量B4C颗粒和CF在轧制压力的作用下发生了断裂。当变形量达到60%时,复合材料的抗拉强度可达（265±3） MPa,与6061Al合金的抗拉强度相比,不同厚度的CF-B₄C/Al复合材料的抗拉强度分别提高了80%和112%。随着CF含量的增加,CF-B₄C/Al复合材料的强度和延伸率均减小。当CF含量达到5wt%时,断裂的主要原因是有纤维的聚集及纤维沿断裂方向排布。     

基于SPS法B4C/6061Al中子吸收复合材料组织及性能

B₄C中B的同位素¹⁰B具有较大的热中子吸收截面,是良好的中子吸收体。采用放电等离子烧结法（SPS）制备了B₄C体积分数为10%~40%的B₄C/6061Al中子吸收复合材料,对B₄C/6061Al中子吸收复合材料的微观组织形貌及物相组成进行了观察分析,并测试了其拉伸性能。结果表明：B₄C颗粒均匀地分布在6061Al基体中,颗粒尖端放电产生的等离子体能够促进B₄C颗粒/6061Al基体界面结合,材料内部的物相主要有Al、B₄C、AlB₂和Al₃BC。随着B₄C体积分数的增加,B₄C/6061Al中子吸收复合材料的致密度降低,抗拉强度先增加后降低,断裂机制主要为6061Al基体及B₄C颗粒/6061Al基体界面的撕裂。     

重熔温度对WCP/Fe复合材料界面特征及压缩断裂机制的影响

为研究重熔温度对WC_P/Fe复合材料界面特征及力学性能的影响,采用粉末烧结法制备了WC_P/Fe复合材料,然后对其进行界面重熔,为颗粒增强金属基复合材料的界面组织设计及其工程应用提供理论指导。结果表明：随着重熔温度的升高,颗粒中WC发生相变生成W₂C;W₂C与Fe可在固态条件下发生反应生成界面相Fe₃W₃C,且界面反应区宽度呈增大趋势,界面形态由间断状变成连续环状再到锯齿状;WC_P/Fe复合材料的压缩强度先升高后下降,当重熔温度为1 300℃时,界面宽度为13.5 μm,界面形态呈完整连续环状,WC_P/Fe复合材料内部压缩裂纹不易萌生与扩展,其压缩强度达到最大值,为386 MPa。     

碳化物陶瓷颗粒对双相高熵合金基复合材料微观组织和力学性能的影响

高熵合金拓宽了复合材料中金属基体的选用范围。本文通过外加碳化物陶瓷颗粒,利用电弧熔炼技术制备Fe_49.5Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀X_0.5 (X=B₄C、ZrC和TiC)等3种高熵合金复合材料,系统研究3种碳化物陶瓷颗粒对双相高熵合金基复合材料微观组织和力学性能的影响。研究结果表明：掺杂碳化物陶瓷颗粒均可细化高熵合金基体的晶粒尺寸,稳定fcc相,抑制hcp相形成,其中B₄C陶瓷颗粒细化晶粒和稳定fcc相效果最显著。掺杂ZrC和B₄C陶瓷颗粒样品,力学性能低于高熵合金基体样品,归因于ZrC和B₄C陶瓷颗粒与基体之间的界面结合情况不佳,界面处出现孔洞性缺陷;而掺杂TiC陶瓷颗粒样品,其强韧化效果显著,归因于良好的界面结合、细晶强化、弥散强化及颗粒承载强化等。     

原位引入BN-SiC燃烧合成Si3N4-BN-SiC复合材料

Si₃N₄-BN-SiC复合材料以其良好的力学性能和抗氧化性能而具有良好的工程应用前景。本研究以Si、Si₃N₄稀释剂、B₄C和Y₂O₃为原料, 采用燃烧合成法成功制备了Si₃N₄-BN-SiC复合材料。通过Si、B₄C和N₂气之间的反应, 在Si₃N₄陶瓷中原位引入BN和SiC, 制备的Si₃N₄-BN-SiC复合材料由长棒状的β-Si₃N₄和空心球形复合材料组成。实验研究了空心球微结构的形成机理, 结果表明, 生成的SiC、BN颗粒及玻璃相覆盖在原料颗粒上, 当原料颗粒反应完全时, 形成空心球形微结构。并进一步研究了B₄C含量对Si₃N₄-BN-SiC复合材料力学性能的影响。原位引入SiC和BN在一定程度上可以提高复合材料的力学性能。当B₄C添加量为质量分数0~20%时, 获得了抗弯强度为28~144 MPa、断裂韧性为0.6~2.3 MPa·m ^1/2, 杨氏模量为17.4~54.5 GPa, 孔隙率为37.7%~51.8%的Si₃N₄-BN-SiC复合材料。     

(SiC,TiB2)/B4C复合材料的烧结机理

研究了在热压条件下制备 (SiC, TiB₂)/ B₄C复合材料的烧结机理。认为烧结助剂的加入使本体系成为液相烧结,同时粉料的微细颗粒对复合材料的烧结致密也有重要贡献。分析和测量了制取的复合材料的相组成、显微结构和力学性能。结果表明,采用B₄C与Si₃N₄和少量SiC、TiC为原料,Al₂O₃＋Y₂O₃为烧结助剂,在烧结温度1800~1880℃,压力30 MPa的热压条件下烧结反应生成了SiC、TiB₂和少量的BN,制取了(SiC, TiB₂)/B₄C复合材料。所形成的晶体显微结构为层片状。制得的试样的硬度、抗弯强度和断裂韧性分别可达HRA88.6、540 MPa和5.6 MPa·m1/2。      

碳化硼颗粒级配对硅反应结合碳化硼复合材料结构与性能的影响

本研究探讨了碳化硼原料颗粒尺寸对反应结合碳化硼复合材料相组成、结构与性能的影响。研究结果表明:颗粒级配可以使粉体堆积更加密实, 有效提高压制坯体的体积密度, 最终降低复合材料中游离Si的含量; 加入粗颗粒可减缓B₄C与Si的反应, 减少SiC相的生成; 当原料中粒径为3.5、14、28、45 μm的B₄C粉体按质量比为1.5 : 4 : 1.5 : 3配比时, 所制备的复合材料维氏硬度、抗弯强度、断裂韧性和体积密度分别为(29±5) GPa、(320±32) MPa、(3.9±0.2) MPa·m^1/2和2.51 g/cm³。在制备复合材料过程中减缓B₄C与Si反应速度、减少游离Si的含量和缩小Si区域尺寸是其性能升高的主要原因。     

激光增材制造镍基复合材料界面连接机制与断裂行为

基于颗粒增强镍基复合材料优异的结构/功能特性，在航空航天、核电军工和电子电工等领域有着广泛的应用前景。本文选用机械球磨混粉+激光选区熔化方法 (SLM)制备了碳化钨(WC)颗粒增强IN718复合材料(WC/IN718)，对复合材料内部异质界面连接机制、强化机制和断裂行为进行了分析。研究结果表明：随着WC颗粒含量的增加(0wt%～20wt%)，试件成形良好，WC颗粒均匀分布在基体内部，异质界面处无缺陷产生，界面处产生了贫碳的W₂C层和碳化物层，基体合金主要呈柱状晶生长。由于熔池内部能量密度分布不同，低温位置WC颗粒的断裂方式为先形成界面反应层后由热应力引起断裂，高温位置WC颗粒优先发生断裂，断裂成小尺寸颗粒，后与熔化的基体合金形成界面反应层，弥散分布在基体内部。随着WC颗粒含量的增加，复合材料的强度呈现升高的趋势，而断裂韧性降低，抗拉强度最高可达1 280 MPa，强化机制主要为载荷传递强化，断裂机制为WC颗粒的脆性断裂和基体合金的韧性断裂。     

纳米TiO2颗粒弱界面增强树脂基复合材料宏观力学行为有限元模拟

基于蒙特卡罗法, 编写了随机分布颗粒增强复合材料的二维代表体积单元生成程序, 建立了纳米颗粒增强树脂基复合材料的有限元模型, 其中采用双线性内聚力模型描述复合材料弱界面的应力与位移关系。通过纳米TiO₂ 颗粒增强环氧树脂基复合材料应力应变行为模拟结果与文献结果对比, 证明了模型的有效性。讨论了弱界面情况下, TiO₂颗粒质量分数与颗粒尺寸对复合材料宏观有效模量的影响, 并对复合材料弱界面渐进损伤过程进行了非线性分析。结果表明: 随着纳米TiO₂颗粒质量分数增加, 复合材料杨氏模量和断裂延伸率均有所增强, 但材料屈服强度有所降低; 相同颗粒质量分数情况下, 随着颗粒尺寸的增大, 颗粒与基体材料之间界面单元总长度减小, 复合材料断裂延伸率有所下降。     

B4C-SiC复合陶瓷的制备及其物理力学性能研究

为提升B₄C基陶瓷的力学性能,利用热压烧结工艺在不同压力(30,35,40 MPa)下制备了B₄C-20%SiC(质量分数)复合陶瓷试样,并对其物理力学性能进行了研究。利用阿基米德排水法、压痕法、三点弯曲法、单边切口梁法测定复合陶瓷的密度、气孔率、维氏硬度、弯曲强度以及断裂韧性,同时利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析并表征复合陶瓷的微观组织、物相组成、断口形貌等。研究结果表明,B₄C-SiC复合陶瓷主要由B₄C和SiC两相组成,其微观组织随着烧结压力的增大而变得更加致密;当烧结压力由30增至40 MPa时,B₄C-SiC复合陶瓷的密度由2.22增至2.64 g·cm^-3,气孔率由1.47%降至1.02%,维氏硬度由17.0升至32.6 GPa,弯曲强度由312.7提升至447.6 MPa,断裂韧性由4.79增至7.21 MPa·m^1/2。当烧结压力达到40 MPa时,复合陶瓷断裂过程中,发生裂纹偏转,这种现象与致密的微观组织以及B<...     

碳化硅增强铝基复合材料的力学性能和断裂机制

研究了碳化硅颗粒(SiCp)尺寸对用粉末冶金法制备体积分数为15%的SiCp/2009铝基复合材料力学性能和断裂机制的影响.结果表明,复合材料的强度随着SiCp尺寸的增大而减小,塑性则随着颗粒的增大而增大.当SiCp尺寸为1.5μm时,SiCp/2009A1复合材料的断裂主要以界面处撕裂和基体材料的开裂为主;当SiCp尺寸为20 μm时,复合材料的断裂主要以SiCp断裂为主;当SiCp尺寸处于两者之间时,SiCp/2009A1复合材料界面处撕裂和SiCp断裂的共同作用决定复合材料的断裂.     

CVD-SiC界面改性涂层对气相渗硅制备C_f/SiC复合材料力学性能的影响

在气相渗硅制备C_f/SiC复合材料时,界面改性涂层非常重要。良好的界面改性涂层一方面起到保护碳纤维不受Si反应侵蚀的作用,另一方面起到调节纤维和基体界面结合状况。通过在C纤维表面制备CVD-SiC涂层来进行界面改性,研究CVD-SiC界面改性涂层对GSI C_f/SiC复合材料力学性能和断裂特征的影响,并分析其影响机制。结果表明:无CVD-SiC涂层改性的C_f/SiC复合材料力学性能较差,呈现脆性断裂特征,其强度、模量和断裂韧度分别为87.6MPa,56.9GPa,2.1MPa·m1/2。随着CVD-SiC涂层厚度的增加,C_f/SiC复合材料的弯曲强度、模量和断裂韧度呈现先升高后降低的趋势,CVD-SiC涂层厚度为1.1μm的C_f/SiC复合材料的力学性能最好,其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为231.7MPa,87.3GPa,7.3MPa·m1/2。厚度适中的CVD-SiC界面改性涂层的作用机理主要体现在载荷传递、"阻挡"Si的侵蚀、"调节"界面结合状态3个方面。     

激光选区熔化成形原位自生TiB2/Al-Si复合材料的微观组织和力学性能

利用激光选区熔化（SLM）技术制备了原位自生TiB₂纳米陶瓷颗粒增强Al-Si基复合材料,并对成形后的TiB₂/Al-Si复合材料进行不同的热处理。通过XRD物相分析、SEM微观组织观察、电子背散射衍射（EBSD）、EDS元素扫描分析和力学拉伸试验等对TiB₂/Al-Si复合材料的微观组织进行观察和力学性能测试。研究表明,在原位自生TiB₂纳米陶瓷颗粒和SLM快速凝固特性的共同作用下,SLM成形的原位自生TiB₂/Al-Si复合材料具有超细晶结构,平均晶粒尺寸为1.1 μm;TiB₂/Al-Si复合材料的力学性能优异,屈服强度为262 MPa,抗拉强度为435 MPa,延伸率为11.88%。对比经不同热处理的TiB₂/Al-Si复合材料,直接时效处理（150℃/12 h）的TiB₂/Al-Si复合材料性能最优,抗拉强度达到488 MPa,提高了53 MPa,延伸率降低至7.2%。     

碳化硼粒度对无压浸渗高体分铝基复合材料微观组织和力学性能的影响

选用平均粒度为2μm和38μm的碳化硼颗粒,分别制备100%(质量分数) 38μm、20%(质量分数) 2. 0μm+80%(质量分数) 38μm和100%(质量分数) 2. 0μm的碳化硼预制体,以无压浸渗法制备三种高体分B_4C/Al复合材料,研究碳化硼颗粒对复合材料的物相组成、微观组织和力学性能的影响。结果表明,三种复合材料均由Al、B_4C、Al_3BC、AlB_2和富Fe-Mn相组成。当增强相完全为大颗粒碳化硼时,复合材料内部碳化硼均匀分布于铝基体,此时界面反应程度较弱,界面产物AlB_2和Al_3BC呈随机分布的特征,且复合材料的硬度和抗弯强度分别为23. 2HRC和406 MPa。由于小颗粒碳化硼具有较高的比表面积,其与熔融状态的铝合金(以下简称"熔铝")实际接触面积较大,使得两者之间发生剧烈的界面反应。因此,当增强相中引入20%(质量分数)小颗粒碳化硼时,复合材料内铝基体消耗量增加,大颗粒碳化硼仍近乎均匀分布,颗粒间组织表现为剩余的细颗粒B_4C和铝均匀分布于界面产物内。由于初始增强相体积分数和陶瓷相界面产物含量均增加,复合材料的硬度提升至40. 02HRC,抗弯强度略有提升(425 MPa),但应变量有所降低。当增强相完全为小颗粒碳化硼时,剧烈的界面反应大量消耗铝合金基体,使得Al_3BC和AlB_2成为B_4C/Al复合材料的主要物相,微观组织呈现为剩余的小颗粒B_4C和铝均匀分布于陶瓷相基体内,复合材料硬度提升至56. 8HRC。然而,由于小颗粒碳化硼在高温烧结过程中存在封闭微孔缺陷且这些缺陷将保留于复合材料内,使得复合材料的弯曲强度降低至248 MPa。     

碳纳米管-Ti3AlC2/AZ91D复合材料的微观组织及力学性能

采用化学镀铜的方法对增强相碳纳米管(CNTs)和Ti₃AlC₂进行表面改性,热压烧结制备了CNTs-Ti₃AlC₂/AZ91D复合材料,研究了其微观组织和力学性能的变化及增强机制。结果表明:CNTs-Ti₃AlC₂/AZ91D复合材料内部主要物相为CNTs、Ti₃AlC₂、Mg和Al₁₂Mg₁₇,增强相均匀分布在基体内,在增强相与基体的界面处存在U相(MgAlCu),使二者界面结合良好。当增强相CNTs 和Ti₃AlC₂含量分别为1wt%和25wt%时,较镁合金AZ91D,CNTs-Ti₃AlC₂/AZ91D复合材料的弹性模量、拉伸强度、屈服强度和延伸率分别提高了120.30%、25.72%、126.50%和36.84%,弯曲强度和压缩强度分别为337.92 MPa和436.27 MPa。CNTs-Ti₃AlC₂/AZ91D复合材料的断裂方式表现为脆性断裂,其强化机制主要为热配错强化、Orowan强化和细晶强化机制。