纳米Al2O3增强铝基复合材料的制备技术和发展方向

纳米颗粒具有极高的增强效率,能够显著提高铝基复合材料的综合性能.纳米Al2 O3/Al复合材料作为其中的代表,具有高弹性模量、高强度和低密度等优势,得到长期的关注和研究.详细介绍了纳米Al2O3/Al复合材料的制备方法,分析了各制备方法的优点和缺点,并对纳米Al2O3/Al复合材料的发展前景进行了展望.     

纳米Al2O3增强铝基复合材料制备技术及力学性能研究进展

纳米Al₂O₃/Al复合材料作为轻质高性能结构材料,可实现轻量化节能减排,在航空航天、汽车工业、船舶制造、国防及5G电子通讯等领域具有广阔的应用前景。本文主要介绍高能球磨粉末冶金法、超声辅助铸造法、搅拌摩擦法、增材制造法、原位反应法等国内外纳米Al₂O₃/Al复合材料制备技术。总结分析纳米Al₂O₃增强体、增强体与铝基体的界面微结构、增强体的尺寸和含量、铝基体的晶粒尺寸、增强体的分散性和微观构型设计对纳米Al₂O₃/Al复合材料力学性能的影响。概述了纳米Al₂O₃/Al复合材料中主要的强化机制。最后,展望了纳米Al₂O₃/Al复合材料未来在高增强体体积分数的大尺寸制备技术、非均质构型优化以及高强耐热结构功能一体化等方面的发展方向。     

亚微米级Al2O3颗粒增强LD2铝合金复合材料的拉伸性能与强化机制

为克服颗粒增强铝基复合材料的强度低、脆性大、机械加工难等问题, 选用平均直径为0.15Lm, 细小且接近圆形的Al₂O₃颗粒增强LD2铝合金, 对其铸态材料和挤压材料的室温及高温拉伸性能进行了考察和组织分析, 结果发现: 颗粒尺寸小到亚微米级之后, 材料的组织中极难观察到位错, 增强机制也有所变化。在30～ 40% 体积率的挤压材上得到了640～ 760M Pa 拉伸强度和8. 6～2% 的延伸率, 增强率达到了212% , 获得了高强度、高塑性、易加工性的复合材料。      

原位自生纳米Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的力学性能

将纳米ZnO粉末和Al粉球磨后冷压成Al-ZnO预制块,然后将其加到Al-Zn-Cu熔体中进行Al-ZnO原位反应,制备出纳米Al₂O₃颗粒增强Al-Zn-Cu基复合材料。能谱面扫描分析和透射电镜观察结果表明,复合材料由纳米Al₂O₃颗粒和Al₂Cu析出相两种颗粒/析出相组成。纳米Al₂O₃颗粒通过异质形核和晶界钉扎,细化了Al-Zn-Cu合金晶粒组织和Al₂Cu析出相。原位纳米Al₂O₃颗粒的生成提高了基体合金的拉伸性能,轧制+热处理使Al₂O₃/Al-Zn-Cu复合材料的拉伸强度比相同处理的基体合金提高约100%,总伸长率提高约98%。     

多孔Al2O3f/Al2O3复合材料研究进展

作为20世纪90年代兴起的一类连续陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料,连续氧化铝纤维增韧氧化铝(Al₂O_3f/Al₂O₃)复合材料已经发展为与C_f/SiC、SiC_f/SiC等非氧化物复合材料并列的陶瓷基复合材料。以多孔基体实现基体裂纹偏转成为Al₂O_3f/Al₂O₃复合材料主要的增韧设计方法,形成的多孔Al₂O_3f/Al₂O₃复合材料具有优异的抗氧化性能和高温力学性能,可在高温富氧、富含水汽的中等载荷工况中长时服役,是未来重要的热结构材料。经过近30年的发展,多孔Al₂O_3f/Al₂O₃复合材料已被应用于航空发动机、燃气轮机等热端部件。本文综述了多孔Al₂O_3f...     

Al2O3颗粒增强纯铝基复合材料的研究

本文探讨了用粉末冶金法,采用常规的冶金加工设备和工艺,制造Al₂O₃颗粒增强纯铝基复合材料的可行性。研究了不同Al₂O₃体积含量复合材料的显微组织及力学性能。初步试验了二次热挤压变形对颗粒分布和对基体强化的影响。结果表明,Al₂O₃颗粒与纯铝粉混合,加压烧结制备的复合材料,组织致密,颗粒分布均匀,随Al₂O₃含量增加,复合材料强度、硬度及弹性模量大大提高,Al₂O₃含量小于10%时,塑性不降低。二次热挤压有助于提高颗粒分布的均匀性;并使基体显著强化。     

Al2O3@Y3Al5O12纳米短纤维对铝合金基复合材料的增强作用

采用一种具有芯-壳结构的复合纳米纤维增强铝合金复合材料,可以在提高抗拉强度的同时增加塑性。通过真空热压烧结技术制备了Al₂O₃@Y₃Al₅O₁₂复合纳米短纤维增强2024铝合金复合材料。研究了纤维添加质量分数对复合材料致密度、硬度、抗拉强度及延伸率的影响;并探究了芯-壳结构在复合材料增韧中的作用。结果表明:Al₂O₃@Y₃Al₅O₁₂纳米短纤维具有良好的分散性,在超声分散及机械搅拌混粉后均匀吸附在铝合金颗粒表面,无分层及团聚现象;经热压烧结后,Al₂O₃@Y₃Al₅O₁₂纳米短纤维以短纤维形态均匀分散在铝合金基体内,少量添加Al₂O₃@Y₃Al₅O₁₂纳米短纤维起到了桥联和孔洞填充作用,使复合材料致密度和硬度提高;添加质量分数为1wt%时,抗拉强度和延伸率取得最大值,由铝合金的249.3 MPa、2.9%增加到299.1 MPa、4.3%。Al₂O₃@Y₃Al₅O₁₂纳米短纤维的添加可以细化晶粒,阻碍裂纹扩展,且在拔出/断过程中Al₂O₃@Y₃Al₅O₁₂纳米短纤维芯-壳结构的塑性变形起到了增强增韧作用。      

原位Al2O3/Al-Cu复合材料的制备与组织研究

采用原位反应近液相线铸造方法制备含有3.6%(质量分数)原位Al2O3颗粒的Al-6.8Cu基复合材料,在基体合金的固液两相区选择580,590,600℃和610℃进行二次加热保温实验,淬火固定其半固态组织。通过光学显微镜及透射电镜观察合金的组织结构,研究Al2O3原位颗粒对材料组织的影响。结果表明:原位Al2O3颗粒对Al-6.8Cu合金的铸态组织具有一定的细化作用,但没有明显的球化作用。在半固态二次加热过程中原位Al2O3颗粒对晶粒长大行为具有抑制作用和球化作用,与基体合金相比,在相同的二次加热条件下晶粒尺寸减小20~40μm。     

原位纳米Al2O3颗粒增强铝基复合材料的制备与微结构研究

开发了新型反应体系,以硼砂( Na2B4O7·10H2O)和K2ZrF6粉剂为原料采用熔体直接反应法,在铝熔体中成功制备了原位纳米Al2O3颗粒增强铝基复合材料.借助于扫描电镜( SEM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等测试方法,对复合材料的相组成和微观组织进行了分析,结果表明反应生成了纳米级γ-Al2O3...     

三维网络Al2O3增强球墨铸铁基复合材料摩擦磨损性能

采用SRV摩擦磨损试验机研究了球墨铸铁及三维网络Al₂O₃增强球墨铸铁基复合材料的干摩擦磨损性能, 测量了球墨铸铁和复合材料在不同摩擦频率及载荷下的摩擦系数和磨损率; 用扫描电镜观察磨损表面形貌, 并分析了三维网络Al₂O₃对复合材料磨损机制的影响。结果表明: 陶瓷与金属基体之间具有良好界面结合的三维网络Al₂O₃/球墨鋳铁复合材料, 其摩擦系数随载荷和摩擦频率的变化保持稳定; 复合材料的耐磨性能远优于球墨铸铁, 而且随着摩擦频率和载荷的增加, 复合材料的抗磨损性能明显提高。这是由于复合材料中陶瓷与金属相之间三维空间结构和良好的界面结合有利于摩擦载荷的传递; 金属基体中的石墨减摩作用保持摩擦系数的稳定; 三维陶瓷骨架在磨损表面形成硬的微突体并起承载作用, 制约了基体的塑性变形和高温软化, 有利于磨损表面氧化膜的留存。     

颗粒增强2024Al复合材料的微屈服性能研究

为了明确亚微米颗粒增强铝基复合材料微塑性变形行为的规律和机制,利用微屈服强度测试和透射电镜分析,研究了亚微米级Al2O3颗粒增强2024Al复合材料的微屈服性能及尺寸稳定化热处理工艺对微屈服性能的影响。研究结果表明：复合材料的显微组织在稳定化热处理前后均呈现位错稀少的特点,有助于材料微屈服强度的提高;复合材料中尺寸细小,密集分布的S′相和亚微米颗粒本身对位错运动的有效阻碍也能改善材料的微屈服强度;时效后采用不同的冷热循环处理工艺,使得复合材料基体中S′相的尺寸和分布都发生一定的改变,进而呈现出不同的微屈服性能。     

CNTs添加对Cu-Al2O3复合材料耐电弧侵蚀性能的影响

Cu-Al₂O₃复合材料具有优异的传导性能和力学性能,在耐磨材料领域具有广阔的应用前景。为进一步提升电摩擦条件下复合材料的耐电弧侵蚀性能,本文采用内氧化法与粉末冶金法相结合制备了不同碳纳米管 (CNTs) 含量的CNTs/Cu-Al₂O₃复合材料,观察了CNTs/Cu-Al₂O₃复合材料中增强相的分布及其与基体界面结合情况,研究了添加不同含量CNTs对Cu-Al₂O₃复合材料传导性能和力学性能的影响,重点探究了CNTs/Cu-Al₂O₃复合材料的耐电弧侵蚀机制。结果表明：原位生成的纳米Al₂O₃颗粒钉扎位错及对CNTs分布具有调控作用,使CNTs弥散分布在铜基体中。与Cu-Al₂O₃复合材料相比,CNTs/Cu-Al₂O₃复合材料燃弧时间和燃弧能量明显降低,波动更平稳。在电弧侵蚀过程中,熔池中的CNTs会上浮至表面分散电弧,减小集中侵蚀区域;纳米Al₂O₃颗粒可以稳定熔池,减小熔融液滴的喷溅,有效减小CNTs/Cu-Al₂O₃复合材料质量损失。其中添加1.2vol%CNTs的CNTs/Cu-3.5Al₂O₃复合材料的燃弧时间和燃弧能量最低、最稳定。这一研究结果对耐烧蚀材料的研究提供有利的理论依据。     

Al2O3/铜合金复合材料的磨损特性研究

研究了冷压烧结Ａｌ２Ｏ３／铜合金复合材料在摩擦条件下的磨损特性。采用化学镀的方法在一些Ａｌ２Ｏ３颗粒表面包覆铜镍,获得了具有不同界面结合强度的Ａｌ２Ｏ３／铜合金复合材料,进而研究了界面结合强度对该复合材料耐磨性的影响。本文还探讨了颗粒大小及体积分数对其耐磨性的影响。     

纳米Al2O3对尼龙6结晶性能的影响

采用硅烷偶联剂KH-560对纳米氧化铝(nano-Al2O3)进行表面处理后与尼龙6(PA6)熔融共混制备PA6/nano-Al2O3复合材料,用扫描电镜(SEM)观察了材料断面形貌,借助差示扫描量热仪(DSC)研究了原料配比及降温速率对PA6/nano-Al2O3复合材料结晶性能影响。结果表明,nano-Al2O3在PA6结晶过程中起异相成核作用,限制了PA6分子链运动,使复合材料玻璃化转变温度及结晶度提高,非等温结晶过冷度降低,结晶速率加快;材料结晶温度、结晶焓、结晶度随降温速率增加而下降。     

电铸nano-Al2O3 / Cu 复合材料的组织与性能

采用复合电铸工艺, 在硫酸铜镀液中加入纳米氧化铝颗粒制备了纳米颗粒弥散增强铜基复合材料, 利用扫描电镜、电子透镜对复合材料的表面、拉伸断面和摩擦磨损表面的形貌以及微观组织进行了观察, 并对显微硬度、拉伸性能、磨损性能及电阻率进行了研究。结果显示, 氧化铝颗粒及其团聚体以纳米级尺寸弥散分布在铜基体中, 且与铜基体结合良好。复合材料的硬度最大增幅达42 %。氧化铝颗粒含量在1. 26 %时, 复合材料的拉伸强度和延伸率分别高达385 MPa 、26 %。相对电铸纯铜, 复合材料的耐磨性能明显提高, 而复合材料的电阻率最大增幅小于6 %。      

纳米Al2O3与SiO2的制备及在陶瓷釉料中的应用

以普通无机盐为原料采用沉淀法制备了纳米Al2O3和SiO2.XRD分析表明样品为无定形结构,SEM分析表明得到的纳米Al2O3和SiO2均为球形颗粒,直径分别为90m和300nm.将合成的纳米材料添加至陶瓷面釉进行烧结测试,结果表明,添加纳米材料釉料的烧结温度比普通釉料的烧结温度降低了30℃,釉层性能明显得到改善,釉料良好的性能源于纳米材料较大的表面积及高的烧结活性.     

Al2O3纳米粒子对镁合金阳极氧化的影响研究

通过在阳极氧化液中添加纳米Al2O3,在镁合金表面制备了复合阳极氧化膜。采用扫描电镜、能谱仪、动电位极化测试以及往复摩擦磨损实验研究了纳米Al2O3的添加量对阳极氧化过程、形貌及氧化膜性能的影响。结果表明,纳米颗粒的加入,增大了溶液电阻,从而使得成膜电压提高。纳米粉末的添加量与复合氧化膜的性能没有线性相关性。当电解液纳米颗粒的浓度为10g/L时,可以获得表面光滑平整、孔径细小均匀的复合氧化膜,此时复合氧化膜具有最优的耐蚀性和耐磨性能。