碳纳米管增强铝基复合材料的制备及摩擦磨损性能

采用粉末冶金常压烧结与高温模压和热挤压相结合的工艺制备了碳纳米管增强铝基复合材料,以探索复合材料的低成本制备技术。采用扫描电镜、万能材料试验机和摩擦磨损试验机研究了碳纳米管的添加量对复合材料力学性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明,随着碳纳米管含量的增加（质量分数0～2％）,复合材料的硬度逐渐升高,抗拉强度先升高后下降。当碳纳米管含量为1．5％时抗拉强度达370 MPa,硬度和抗拉强度分别比纯铝提高了433％和236％。当碳纳米管含量为2％时,复合材料的摩擦因数和磨损量分别比纯铝降低了63％和14％。     

碳纳米管增强铝基复合材料的研究现状

描述了碳纳米管和碳纳米管增强铝基复合材料的基本特征,讲述了碳纳米管铝基复合材料的制备方法和制备过程中存在的问题及解决方法。最后对碳纳米管增强铝基复合材料今后的研究动向进行了分析。     

粉末冶金法制备粉煤灰/铝基复合材料的研究

采用粉末冶金法制备粉煤灰增强铝基复合材料。粉煤灰颗粒大多为球形，密度为2．75g／cm^3，颗粒直径主要集中在5～60μm，主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3，三者质量分数总和超过85％。SEM分析表明铝基粉煤灰复合材料中存在着颗粒团聚，并有少量气孔产生。随粉煤灰颗粒含量的增加，复合材料的显微硬度相应减小。     

钛对碳纳米管增强铝基复合材料组织与性能的尺寸效应

通过粉末冶金的方法,制备了致密和较高强度的CNT/Al复合材料,并系统地研究了在制备粉末阶段时引入不同粒径的钛粉后,对复合材料的组织结构与力学性能的影响。结果表明,在一定范围内,钛颗粒尺寸与制备的CNT-Ti/Al复合材料力学性能成反比。当加入的钛颗粒粒径为80 nm时,CNT-Ti/Al复合棒材力学性能最佳。其主要原因包括两个方面:一是钛颗粒有助于碳纳米管的分散,同时自身作为一种第二相强化基体;二是制备过程的热反应,使复合材料组织中生成了一种核壳结构,极大地增强了其界面结合与碳纳米管的载荷转移。     

搅拌摩擦加工法制备铝基复合材料组织与性能研究

用搅拌摩擦加工法制备碳纳米管增强铝基复合材料,并对其组织及硬度进行了分析。结果表明:搅拌摩擦中心区晶粒尺寸与轴肩变形区相似,晶粒比较细小;搅拌摩擦区边界的晶粒组织发生了明显的塑性变形,晶粒被扭曲拉长。碳纳米管在搅拌摩擦中心区均匀分散,和基体结合良好。碳纳米管对基材有明显的强化作用,搅拌摩擦中心区硬度在55 HV左右,是纯铝的2倍。     

铝基体上碳纳米管原位均匀合成及其复合材料的性能

采用负载于铝粉上的镍催化剂,成功地在650℃通过化学气相沉积法在钳基体中原位合成碳纳米管。结构农征表明,所合成的碳纳米管具有较高的石墨化程度和平直的石墨壳层。通过该方法实现铝粉中碳纳米管的弥散分布,其分散效果优于传统机械混合方法。利用所合成的碳纳米管／铝原位复合粉末,采用粉末冶金工艺制备碳纳米管／铝基复合材料。性能测试表明,制备的复合材料的力学性能和尺寸稳定性得到显著提高,其原因在于铝基体中碳纳米管的均匀分散和碳纳米管－铝基体之间良好的界面结合。     

碳纳米管/球墨铸铁复合材料制备及组织性能的研究

研究了利用消失模铸造工艺把碳纳米管加入到球墨铸铁铁液中,制备碳纳米管/球墨铸铁复合材料试样的工艺方法,并研究了不同CNTs含量对球墨铸铁显微组织及布氏硬度的影响.结果表明,采用含碳纳米管的消失模铸造工艺可以有效地把碳纳米管加入到铸铁中.随着CNTs的加入,球墨铸铁显微组织中的石墨球数增多,球径减小,铁素体含量、珠光体含量基本不变,布氏硬度增大;加入量过多时,会出现偏聚.     

机械球磨法制备CNTs/Al复合粉末

研究了机械球磨法制备CNTs/Al复合粉末的工艺过程,发现球磨工艺能形成良好的CNTs/Al复合粉末.研究了不同含量的碳纳米管量复合效果,发现不同含量的碳纳米管经过球磨工艺都能形成良好的CNTs/Al复合粉末.而对球磨时间的研究中发现,球磨需要一定的时间才能够把缠绕的碳纳米管球磨成短杆状,使碳纳米管均匀的分布在铝基体中.球磨工艺为制备CNTs/Al坯料提供了前提条件.     

粉末冶金制备铝及其复合材料的组织与性能

采用粉末冶金的方法分别在Ar气氛保护下及真空炉中制备铝及其复合材料，探讨了坯块的压制压力、烧结温度与时间对粉末冶金铝及其复合材料的影响，并研究了其显微组织与性能。结果表明，只有在足够高的压力和温度条件下（压应力700N/mm^2，温度640℃。700℃），才能获得外形完好、组织致密的铝及其复合材料；铝基复合材料比基体具有更高的致密度，真空炉中烧结的铝基复合材料的致密度达97．20％，其弹性模量、抗拉强度和屈服强度分别为67600N/mm^2、345．7N/mm^2和206．2N/mm^2。     

粉末液相模锻法制备BN增强Al-Cu基复合材料

采用粉末液相模锻技术制备出近全致密Al-5.3%Cu-3.0%h-BN(质量分数,下同)复合材料,研究了该技术制备的复合材料的致密化及界面结合状况。采用SEM、XRD、TEM等分析手段对球磨前后粉末形貌、复合材料显微结构及物相组成进行表征,利用布氏硬度计对复合材料硬度进行测试。结果表明:在大量液相存在的情况下,施加外力可有效促进复合材料的致密化。粗铝粉(35μm)制备的复合材料晶粒呈细条状,具有方向性,T6热处理后发生原位再结晶;细铝粉(2μm)制备的复合材料晶粒细小,晶粒形貌不明显。复合材料界面由Al/Al2O3/BN组成,清晰可见,结合紧密。复合材料与基体合金相比,硬度提高近15%,细铝粉制备的复合材料硬度比粗铝粉略高。     

碳纳米管在铝基复合材料中的热稳定性研究

将碳纳米管与铝合金粉末均匀混合,通过DSC、XRD、TEM和XPS试验研究碳纳米管在铝中的热稳定性。试验结果表明:当温度超过铝合金熔点时,碳纳米管在铝中是不稳定的,部分碳纳米管容易与铝发生反应生成Al4C3相;碳纳米管与铝反应生成的Al4C3相均匀分散在铝的晶界处,一部分也位于铝晶粒的内部,针状的Al4C3相平均直径在20nm~40nm。     

粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的组织与性能

以浓硫酸处理过的粉煤灰颗粒为增强体,Al-20%Si合金粉为基体.采用粉末冶金法制得粉煤灰颗粒增强铝基复合材料,并对复合材料的微观形貌及力学性能进行了分析.结果表明:粉煤灰颗粒表面被腐蚀,比表面积大大增大;在复合材料中粉煤灰颗粒分布较均匀,有少量气孔存在;随着粉煤灰含量的提高,该材料硬度逐渐增大,而密度逐渐减小.     

粉末冶金CNTs增强铝基复合材料的界面设计与性能调控研究进展

碳纳米管(CNTs)增强铝基复合材料(AMCs)因综合了铝基体和CNTs的优异特性,而具有高的比强度、比模量及优良的耐蚀性和导电导热等功能特性,近年来在快速发展的航空航天、轨道交通及汽车构件轻量化等领域展现出广阔的应用前景。然而在CNTs增强AMCs的研究中面临着CNTs不易分散均匀、与铝基体间的润湿性较差、Al-CNTs易发生界面反应生成易水解的Al₄C₃硬脆相等瓶颈问题。如何解决CNTs分散均匀性的同时,抑制有害界面反应并改善其界面润湿性和界面结合,促进CNTs在AMCs中强化效果的充分发挥已成为该领域目前的主要研究方向。本文梳理并综述了近年来国内外研究人员针对上述问题所提出的解决思路,从界面设计角度总结分析了不同界面调控策略对复合材料界面结合、界面反应以及力学性能的影响,为基于界面结构设计的CNTs增强AMCs的组织与性能调控提供了实验和理论参考。     

粉末布法制备SiC/Ti基复合材料

用粉末布法制备了低成本SiC/Ti基复合材料.结果表明,采用合适的轧制参数即可容易地获得厚度合适、均匀的粉末布;热失重分析和热解残余物分析指出用来制备粉末布的有机粘结剂的去除过程分成两个阶段,合理除气后,基本没有残余物.使用真空热压工艺制备的SiC/Ti基复合材料,纤维分布基本均匀,纤维与基体的界面结合良好.     

SiC／Al—4%Mg复合材料的组织特征及界面分析

试验观察发现，在ＳｉＣ粒子增强Ａｌ－４％Ｍｇ复合材料中，绝大多数ＳｉＣ粒子分布于α相的晶界，呈夫规则排列，少量留在α相晶粒内。本文对其进行了理论分析，并对ＳｉＣ粒子与ＳＡｌ基体的界面进行了微观观察和分析。     

搅拌法铸造空心微珠-铝复合材料组织和性能的研究

采用半固态搅拌铸造法制备了铝-空心微珠复合材料，分别对金属型铸造和挤压铸造方法制备的铝-空心微珠复合材料的组织和性能进行了研究，并对其拉伸断口形貌进行了扫描电镜分析。结果表明：两种铸造方法制备的复合材料的抗拉强度都低于基体铝合金，随着空心微珠加入量的增加，复合材料的抗拉强度有所降低，密度减小，比强度增大，韧性降低，使复合材料的断裂形态从塑性断裂发展为脆性断裂。     

高能球磨结合粉末冶金法制备碳纳米管增强7055Al复合材料的微观组织和力学性能

采用高能球磨结合粉末冶金工艺制备了碳纳米管(CNT)含量(体积分数)分别为0、1%和3%的CNT/7055Al复合材料。采用OM、SEM、TEM以及拉伸实验等方法研究了CNT/7055Al复合材料的CNT分布、晶粒结构、近界面结构及力学性能,分析了复合材料的强化机制和各向异性。结果表明,CNT/7055Al复合材料为无CNT的粗晶区与富集CNT的超细晶区组成的双模态晶粒结构;CNT在Al基体的超细晶区中分散良好,CNT-Al界面干净清洁,界面反应产物少;3%CNT/7055Al复合材料沿挤压方向的抗拉强度达到816 MPa,但延伸率仅为0.5%。细晶强化和Orowan强化是CNT/7055Al复合材料主要的强化机制。由于CNT沿不同方向的增强效率不同以及粗晶条带组织的存在,复合材料表现出比基体合金更强烈的各向异性,在垂直挤压方向的拉伸性能要弱于沿挤压方向的拉伸性能。     

Ti对SiCp/6092铝基复合材料激光焊焊缝组织和性能的影响

采用不同厚度的Ti箔作为填充材料对SiC_p/6092铝基复合材料进行激光焊接,分析不同含量Ti元素对焊缝组织和焊接接头力学性能的影响. 结果表明,Ti箔的加入可以有效改善熔池流动性,从而减少焊缝区的工艺型气孔. 同时,填加Ti箔可以避免激光直接照射在母材上引起的低熔点元素烧损. 在激光的照射下,Ti箔完全熔化并与在热传导作用下部分熔化的母材金属发生冶金反应,Ti元素含量过少时,界面反应得不到有效抑制,焊缝中仍分布有大量的脆性相,Ti元素对焊接接头的力学性能改善不明显;Ti元素含量过多时,Ti元素在熔池中未能扩散开,富余的Ti元素与Al元素反应生成Al₃Ti. 过分长大的Al₃Ti呈片状,将对接头的力学性能不利. 因此,向熔池中加入适量Ti元素有利于改善熔池冶金反应,从而提升接头力学性能,焊接接头的最大抗拉强度可达206 MPa.     

多元氧化物和铝原位反应制备铝基复合材料的组织和性能

采用SEM、EDS、XRD、TEM和拉伸强度测试等研究Al2O3粒子增强的ZL109铝基复合材料。结果表明:多元氧化物和铝原位反应生成的Al2O3粒子尺寸细小,粒径约为0.1μm,在基体中弥散分布,与基体存在共格关系,(001)α(Al)//(010)α-Al2O3,[110]α(Al)//[001]α-Al2O3。原位反应中生成的金属间化合物经T6处理后,以Al5FeSi、FeCr、Mg2Si、Al3Ni、Al2Cu和Al7Cu4Ni相的形式存在于基体中,使得复合材料在300℃的拉伸强度达到163.4 MPa,较基体的提高7.9%。随Al2O3粒子含量的增加,25℃时,复合材料断口断裂方式由韧性断裂转变为解理断裂,再到穿晶断裂;而300℃时,断口断裂转变方式为脆性断裂到延性断裂。