石墨烯增强铝基纳米复合材料的研究

采用球磨和粉末冶金方法成功制备出石墨烯增强铝基纳米复合材料,命名为铝基烯合金。首次发现石墨烯纳米片的添加在保持材料良好塑性的同时,显著提高了其强度。利用OM,SEM和TEM对铝基烯合金微观组织结构进行表征,并测试其拉伸性能。结果表明:石墨烯纳米片均匀分布在铝合金基体中,与基体形成良好的结合界面,且石墨烯纳米片与铝合金基体未发生化学反应,并保留了原始的纳米片结构;铝基烯合金中石墨烯纳米片含量为0.3%(质量分数)时,铝基烯合金的平均屈服强度和抗拉强度分别达到322MPa和454MPa,较未添加石墨烯纳米片的合金分别提高58%和25%,且伸长率略有提高。基于石墨烯纳米片特殊的二维褶皱结构,讨论铝基烯合金的增强增韧行为。     

TiC含量对碳纤维编织物增韧的WC-TiC-Ni层状陶瓷刀具性能的影响

采用真空热压烧结技术,在1 500℃下制备了不同TiC含量的连续碳纤维编织物增韧的WC/TiC层状陶瓷刀具样品。研究了TiC的含量对连续碳纤维编织物增韧的WC/TiC层状陶瓷刀具材料微观组织和力学性能的影响,结果表明,随着TiC含量的增加,陶瓷刀具材料的抗弯强度、断裂韧度和硬度不断减小;当TiC含量为20%(质量分数)时,材料的致密度较高,晶粒尺寸较小,因此力学性能较好;此时,抗弯强度为516.896 MPa,断裂韧度为8.3871 MPa·m~(1/2),硬度为17.341GPa。     

梯度结构Al_2O_3-(W,Ti)C-TiN-Mo-Ni纳米金属陶瓷刀具材料的设计及制备

基于对高速硬切削时刀具应力和温度分布,以及刀具内部疲劳裂纹扩展仿真分析,提出一个组分含量分布和微观结构具有梯度特征的设计模型。通过韧性相的添加和梯度结构的引入,实现疲劳裂纹扩展速率的减缓,从而提高刀具寿命。采用二阶段热压烧结工艺制备出具有梯度结构的Al_2O_3-(W,Ti)C-TiN-Mo-Ni纳米复合刀具材料,并对其微观结构和力学性能进行研究。结果表明:所制备的梯度结构金属陶瓷材料表层硬度、内层的断裂韧度和抗弯强度分别达到19.258GPa,10.015MPa·m~(1/2)和1017.475MPa,满足高速硬切削刀具的性能要求。材料的断口出现韧窝和黏结相撕裂形成的断裂棱,有利于断裂韧度和抗弯强度的增强,从而提高刀具抗疲劳裂纹扩展能力。     

石墨烯/纳米Al2O3增韧Ti(C,N)基金属陶瓷的力学及摩擦磨损性能

采用真空热压烧结工艺制备了石墨烯(GNPs)和纳米Al₂O₃增韧的Ti(C,N)基金属陶瓷复合刀具材料(TAG)。研究了GNPs和纳米Al₂O₃对复合陶瓷材料微观结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响。研究表明,GNPs和纳米Al₂O₃的添加对复合陶瓷材料的力学性能有明显的提高,当GNPs和纳米Al₂O₃含量(质量分数)为1%和5%时,复合刀具陶瓷材料(TA5G1)综合力学性能最优,其硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为21.50 GPa、810.80 MPa和10.51 MPa·m^1/2。研究了复合刀具材料的摩擦磨损性能和磨损机理,研究结果表明,在TAG复合刀具材料中,TA5G1的摩擦磨损性能最优,其摩擦系数和磨损率分别为0.338和4.921×10^-6 mm³/(N·m),复合刀具材料的主要磨损形式为磨粒磨损和黏着磨损。     

凝胶注模成型技术制备氧化石墨烯/HA复合材料的研究

以氧化石墨烯和纳米羟基磷灰石(HA)粉体为原料,采用凝胶注模成型技术制备了氧化石墨烯/HA复合材料。研究了有机单体、浆料固相含量和石墨烯含量对氧化石墨烯/HA浆料粘度的影响,观察了陶瓷浆料的凝胶固化过程并测量了固化后生坯的密度和抗压强度,分析了氧化石墨烯含量对烧结后复合材料抗弯强度和断裂韧性的影响,观察了试样断口的显微组织。研究结果表明,有机单体含量为15%(质量分数,下同),固相含量为45%,氧化石墨烯含量为1.5%时,氧化石墨烯/HA浆料的粘度最佳,为362.9mPa·s,浆料的分散性良好,固化后生坯具有较高的密度和抗压强度。随氧化石墨烯含量的增加,复合材料的抗弯强度和断裂韧度均先增加后降低。当氧化石墨烯含量为1.5%时,1 150℃烧结样品的抗弯强度为81.5MPa,断裂韧性为1.52MPa·m1/2,分别比HA基体提高了151.8%和74.7%,因此添加氧化石墨烯后的HA复合材料的力学性能更佳。     

TiC含量对WC-TiC-TaC硬质合金材料微观组织及力学性能的影响（英文）

本研究采用真空热压烧结技术,在1600℃下制备了WC-TiC-TaC硬质合金材料,研究了TiC含量对其微观组织及力学性能的影响。结果表明,随着TiC含量的增多,硬质合金材料的晶粒显著增大。当TiC的含量从10wt%增加到25wt%时,硬质合金材料的硬度逐渐增大,最高可达19.81 GPa,这是由于TiC的硬度高于基体WC的硬度;与此同时,硬质合金材料的抗弯强度和断裂韧度逐渐减小。当TiC的含量为10wt%时,材料的抗弯强度有最大值,其值为1147.24 MPa,这是由于在材料内部形成了均匀、细小的晶粒组织;在此含量下,复合材料的增韧机理为细晶增韧、裂纹偏转、裂纹分支、裂纹桥接和韧窝增韧,其断裂韧度有最大值,为14.60 MPa·m~(1/2)。     

氧化石墨烯纳米片/环氧树脂复合材料的制备与性能

氧化石墨烯(GO)是石墨烯重要的衍生物之一,通过氧化和超声波分散制备了GO纳米片/环氧树脂复合材料。采用XRD、拉曼光谱、FTIR和TEM表征了GO纳米片的结构与形貌,研究了GO纳米片用量对GO纳米片/环氧树脂复合材料热稳定性、力学性能及介电性能的影响。结果表明:GO纳米片的加入提高了GO纳米片/环氧树脂复合材料失热稳定性;随着GO纳米片填充量的增加,GO纳米片/环氧树脂复合材料的冲击强度和抗弯性能先提高后降低,其介电常数和介电损耗则先减小后增加。GO纳米片填充量为0.3wt%的GO纳米片/环氧树脂复合材料的失重5%时的热分解温度由纯环氧树脂的400.2℃提高到424.5℃,而冲击强度和弯曲强度分别在GO纳米片填充量为0.2wt%和0.3wt%时达到最大,冲击强度由纯环氧树脂的10.5kJ/m2提高到19.7kJ/m2,弯曲强度由80.5 MPa提高到104.0 MPa。     

Ce0.85Fe3CoSb12/rGO热电纳米复合材料的制备及其力学性能

p型填充方钴矿材料的力学性能相对于n型较差, 成为方钴矿热电器件集成设计的薄弱环节。本工作利用氧化石墨烯(GO)良好的润湿性和亲水性, 通过液相分散实现了GO对Ce_0.85Fe₃CoSb₁₂基体颗粒的网状包覆与均匀分散。利用放电等离子烧结技术同时实现了致密化和对GO的原位还原, 获得了2~5 nm厚还原氧化石墨烯(rGO)三维网状包覆的Ce_0.85Fe₃CoSb₁₂基纳米复合材料。该三维网状结构利用桥接作用增加了裂纹扩展额外功, 实现了对基体材料的增强增韧。当rGO含量为2.8vol%时, Ce_0.85Fe₃CoSb₁₂/rGO复合材料的抗弯强度和断裂韧性相对于纯基体材料分别提高40%和33%。但进一步提高rGO含量会增加基体晶界处的rGO厚度, 进而弱化其增强增韧效果。     

TiC含量对WC-TiC-TaC硬质合金材料微观组织及力学性能的影响

本研究采用真空热压烧结技术, 在1600℃下制备了WC-TiC-TaC硬质合金材料, 研究了TiC含量对其微观组织及力学性能的影响。结果表明, 随着TiC含量的增多, 硬质合金材料的晶粒显著增大。当TiC的含量从10wt% 增加到25wt%时, 硬质合金材料的硬度逐渐增大, 最高可达19.81 GPa, 这是由于TiC的硬度高于基体WC的硬度; 与此同时, 硬质合金材料的抗弯强度和断裂韧度逐渐减小。当TiC的含量为10wt%时, 材料的抗弯强度有最大值, 其值为1147.24 MPa, 这是由于在材料内部形成了均匀、细小的晶粒组织; 在此含量下, 复合材料的增韧机理为细晶增韧、裂纹偏转、裂纹分支、裂纹桥接和韧窝增韧, 其断裂韧度有最大值, 为14.60 MPa·m^1/2。     

石墨烯纳米片/聚四氟乙烯复合材料的制备及磨损性能研究

以石墨烯纳米片、聚四氟乙烯(PTFE)为原料,制备了石墨烯纳米片/聚四氟乙烯复合材料。研究了不同石墨烯纳米片含量(0,0.25%,0.50%,0.75%,1.00%,1.25%(质量分数))对复合材料导热性能、力学性能、摩擦磨损性能的影响。结果表明,随着聚四氟乙烯中石墨烯纳米片含量的增加,复合材料的微观结构趋于无序,其导热系数逐渐增大,导热性能逐步增强;当石墨烯纳米片含量为0.75%(质量分数)时,复合材料的抗拉强度和断裂伸长率最佳;当石墨烯纳米片含量为1.25%(质量分数)时,复合材料的摩擦系数最小,为0.195,磨损量最低,仅37 mg。磨损实验前后复合材料的碳结构发生了变化,磨损后复合材料的缺陷增大,石墨化程度大大降低,石墨烯纳米片/聚四氟乙烯复合材料具有良好的耐磨损性能。     

INFLUENCE OF MICROSTRUCTURE ON WEAR RESISTANCE PARAMETER OF CERAMIC CUTTING TOOLS

This report examines the role of microstructure of a new type of cutting tool material on an existing relationship between its abrasion wear resistance, fracture toughness (K_IC), and hardness (H). Three alumina-silver composites with different amounts of metal particles have been prepared, and their hardness and fracture toughness properties have been determined together with the assessment of their microstructural features such as volume fraction of the second phase, porosity, etc. The mechanical wear on the flanks of cutting tool inserts, made from the developed composites, has also been estimated by machining experiments against 0.45% carbon steel. The results indicate that flank wear resistance of these silver toughened ceramic cutting tool inserts is not proportional to an existing wear resistance parameter K_IC^3/4H^1/2. A modified relation between flank wear resistance, hardness, and fracture toughness has been suggested here for these cutting tool materials. The modification incorporates consideration of the volume fraction of the second phase and the porosity in the developed metal toughened ceramics.     

基于切削可靠性的新型陶瓷刀具材料的研制

建立了切削可靠性和刀具力学性能之间的关系模型,根据切削可靠性和断裂韧性的要求设计并制备出了颗粒和晶须协同增韧的陶瓷刀具JX-2,其力学性能与晶须增韧陶瓷刀具(JX-1)相当,但成本低,且抗扩散磨损的能力强.将JX-2、JX-1和硬质合金刀具YG6X进行对比切削电铸纯镍实验,JX-2的切削速度最高,磨损寿命最长,其抗磨损能力最强,是加工纯镍或高镍合金等材料的理想刀具.     

粉末表面涂层陶瓷的硬质合金刀具材料

使用溶胶－凝胶法在硬质合金粉末表面涂覆了一层氧化铝陶瓷,涂层粉末经热压烧结后,制得一种新型的涂层刀具材料,这民具材料的耐磨性与陶陶瓷材料接近,并且具有较高的强度和韧性,在切削高硬度材料时表出良好性能,具有广阔的应用前景。     

颗粒级配对固相烧结碳化硅陶瓷的影响

通过粗细碳化硅粉体的颗粒级配实现了致密固相烧结碳化硅(S-SiC)陶瓷的增强增韧, 系统研究了粗粉(~4.6 µm)加入量对烧结试样的致密化、微结构与力学特性的影响。结果表明: 当粗粉加入量不超过75wt%时, 可制备出相对密度≥98.3%的致密S-SiC陶瓷, 烧结收缩率低至14.5%;引入的粗粉颗粒产生钉扎作用, 显著抑制了S-SiC陶瓷中异常晶粒生长, 形成细小的等轴晶粒, 进而提高了S-SiC陶瓷的抗弯强度。同时, 粗粉颗粒的引入导致S-SiC陶瓷的断裂方式由穿晶断裂转变为穿晶-沿晶复合断裂, 使得S-SiC陶瓷的断裂韧性增强。对于粗粉引入量为65wt%的S-SiC陶瓷, 抗弯强度与断裂韧性分别为(440±35) MPa与(4.92±0.24) MPa•m^1/2, 相比于未添加粗粉的S-SiC陶瓷, 分别提升了14.0%与17.1%。     

POE-g-MAH对尼龙6的增韧改性

采用马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-MAH)对两种尼龙6树脂增韧改性,制备了不同增韧剂含量的增韧尼龙6材料。通过力学性能测试和SEM研究了增韧剂质量分数对其力学性能的影响,观察了POE-g-MAH/尼龙6复合材料冲击断面形貌。结果表明,随着增韧剂含量的增加,尼龙6的韧性显著提高,强度下降;且随着增韧剂的增多,在尼龙基体中形成有效的增韧剂聚集相起到改善韧性的作用;在两种流动性差异较大的尼龙6基体中,POE-g-MAH均表现优异的增韧效果。     

SiC晶须增韧Al_2O_3陶瓷组成优化及其断裂行为的研究

对ＳｉＣ晶须增韧Ａｌ_２Ｏ_３陶瓷刀具材料的晶须配比进行了理论分析，提出了最佳晶须配比的原则，导出了晶须含量与界面最大剪应力对基体最大正应力比值的关系。采用ＳＥＭ和有限元法分析了该材料的断裂模式。结果表明晶须含量为２０～３０Ｖｏｌ％时增韧效果最佳，在此配比范围内的ＳｉＣ晶须增韧Ａｌ２Ｏ３陶瓷材料的断裂过程为：晶须和基体界面拉伸开裂→晶须基体界面剪切分离→晶须或基体断裂。     

Research Progress of Laminated Composite Ceramic Cutting Tools

The design of the lamination structure based on bionic shell pearl layer is a successful method for toughening ceramics. Lamination with strong bonding interfaces is used to improve the mechanical property and low fracture toughness of ceramic cutting tools. Based on the idea of demand–design–preparation–analysis–failure, the development and research progress of laminated ceramic tools are reviewed herein. The research status of design, interlayer diffusion reaction, residual stress, toughening mechanism, and crack propagation path of the biomimetic laminated ceramic composite tool materials is mainly introduced. The major topics of current research include the creation of material systems, the evolution of microstructure, and the assessment of macroscopic mechanical properties. The entire mechanical properties of laminated ceramic tools are significantly influenced by the multicomposition design of the ceramic material system and the optimization design of structural parameters of layer number and layer thickness ratio. However, the research on the practical cutting application of laminated ceramic tools is limited. Cutting tool wear characteristics vary between laminated and homogeneous ceramic tools. The development of useful laminated ceramic cutting tools can greatly benefit from the study on failure mechanisms of laminated ceramic tools.     

Mechanical properties of ultra-fine grained zirconia ceramics

The mechanical properties of tetragonal zirconia (TZP) materials doped with Y, Ce or Ti were studied as a function of temperature and grain size. Fine grained Y-TZP (grain size < 0.3 m) shows values for fracture toughness and strength at room temperature, which are comparable with the coarse grained transformation toughened materials, despite lacking transformation toughening. The morphology of the fracture surface points to crack deflection as the most important toughening mechanism. At 800 °C fracture toughness and strength are higher than in coarse grained Y-TZP materials. Doping Y-TZP with Ce or Ti results in a similar trend in mechanical properties, for fine grained material, as for the Y-TZP materials.     

增强体含量对SiC_W/SiC层状陶瓷复合材料强韧性的影响

采用流延-化学气相渗透(TC-CVI)工艺制备SiC晶须(SiC_W)/SiC层状陶瓷复合材料,研究了SiC_W含量对层状陶瓷复合材料力学性能和微观结构的影响,探讨了SiC_W/SiC层状陶瓷复合材料的强韧化机制。结果表明:TC-CVI工艺能够有效提高复合材料中晶须含量(40vol%),减少制备过程对晶须损伤,所制备的SiC_W/SiC层状陶瓷复合材料具有合适的层内及层间界面结合强度。随着SiC_W含量增加,层状陶瓷复合材料的密度和力学性能均有明显提高。含40vol%晶须的SiC_W/SiC层状陶瓷复合材料的密度、弯曲强度和断裂韧性均比含25vol%晶须的分别提高了8.4%、30.8%和26.7%。断口形貌中能够观察到层间及层内的裂纹偏转,层内的裂纹桥接和晶须拔出等,这些为主要的增韧机制。高含量SiC_W及合适的层间和层内界面结合强度,对提高SiC_W/SiC层状陶瓷复合材料强韧性有明显作用。