第 1 章 緒論

近年來，人們對于 SiC 陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究主要偏向于微米尺寸 SiC 顆粒。許多學(xué)者已證實(shí)，微米 SiC 陶瓷顆粒在顯著提高鋁基復(fù)合材料室溫強(qiáng)度的同時(shí)，明顯犧牲了材料的塑性，同時(shí)對高溫力學(xué)性能的提升也難以達(dá)到理想的效果。此外，當(dāng)微米 SiC 顆粒添加超過一定量后復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度會(huì)顯著下降，使其工業(yè)化應(yīng)用受到了很大程度的限制，因此成為困擾 SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料多年而一直未能攻克的瓶頸難題[28-31]。近幾年有些學(xué)者提出，降低陶瓷顆粒增強(qiáng)體的尺寸至亞微米級(小于 1 mm)甚至納米級(小于 100 nm)可以在一定程度上解決上述問題。特別是當(dāng)增強(qiáng)體粒子尺寸為納米數(shù)量級時(shí)，制得鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性、耐磨性、導(dǎo)電及導(dǎo)熱等性能較之微米尺寸顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料均有很明顯的改善，其優(yōu)良的機(jī)械和物理性能引起了諸多學(xué)者的興趣[32-34]

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第 2 章 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的原材料主要為：2014Al 合金粉和納米 SiC 顆粒。表 2.1 給出了原材料的相關(guān)參數(shù)及生產(chǎn)廠家。表 2.2 給出了 2014Al 基體合金的化學(xué)組成。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖 2.1 給出的是實(shí)驗(yàn)所采用的溶劑輔助分散+機(jī)械球磨法制備 SiC/2014Al 復(fù)合材料粉末的示意圖，該方法包括納米 SiC 的超聲分散、2014Al 合金粉末懸濁液和納米 SiC 懸濁液的混合攪拌、靜置干燥和機(jī)械球磨四個(gè)過程。實(shí)驗(yàn)采用的混料設(shè)備為武漢產(chǎn)球磨機(jī)（如圖 2.2 所示），球料比為 8:1，球磨轉(zhuǎn)速為 100 rpm。為避免混合粉末在球磨時(shí)發(fā)生冷焊和粘罐，向其中添加 1.0 wt.%硬脂酸（PCA）作為過程控制劑。

第 3 章 納米 SiCp/2014Al 復(fù)合材料的制備、組織及強(qiáng)化機(jī)制 ...........33

3.1 引言...33

3.2 納米 SiC 的溶劑輔助分散...33

3.3 納米 SiC/2014Al 復(fù)合材料的顯微組織...... 36

3.4 納米 SiC 對復(fù)合材料彈性模量、顯微硬度和室溫性能的影響.......38

第 4 章 納米 SiC 對 SiCp/2014Al 復(fù)合材料時(shí)效行為的影響 ...............57

4.1 引言...57

4.2 熱處理實(shí)驗(yàn)過程.......58

4.3 熱處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果.......58

第 5 章 納米 SiCp/2014Al 梯度復(fù)合材料的制備及磨損性能 ...............73

5.1 引言...73

5.2 納米 SiC/2014Al 梯度復(fù)合材料的設(shè)計(jì)...... 73

5.3 納米 SiC/2014Al 梯度復(fù)合材料的組織.......... 74

5.4 納米 SiC 體積分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料壓縮性能的影響規(guī)律.............76

5.5 納米 SiC 體積分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響規(guī)律......77

第 5 章 納米 SiCp/2014Al 梯度復(fù)合材料的制備及磨損性能

5.1 引言

以往人們在設(shè)計(jì)、制備及評價(jià)鋁基復(fù)合材料時(shí)，主要偏向于追求組分分布均勻以使材料的每個(gè)區(qū)域具備相同的性能。均質(zhì)鋁基復(fù)合材料有很多優(yōu)點(diǎn)，比如密度低、強(qiáng)度高、耐磨損、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等，已經(jīng)在航空、航天和交通運(yùn)輸?shù)群芏囝I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而在某些特定環(huán)境下，往往要求材料的不同部位滿足耐高溫、耐磨損和耐腐蝕等不同的性能要求，比如交通運(yùn)輸中的高速列車、汽車以及海洋船舶等的制動(dòng)部件只是表面摩擦層對耐磨損或耐腐蝕性能有很高的要求，表面層以下需要保持金屬自身的韌性及導(dǎo)熱性。功能梯度材料（FunctionallyGraded Materials，簡稱 FGMs）可以很好的解決上述問題。

5.2 納米 SiC/2014Al 梯度復(fù)合材料的設(shè)計(jì)

圖 5.1 給出了粉末冶金工藝制備層狀納米 SiC/2014Al 梯度復(fù)合材料的示意圖。首先按第三章中介紹的溶劑輔助分散+機(jī)械球磨的分散工藝制出納米 SiC 體積含量分別為 0、1%、3%、5%和 7%的 SiC/2014Al 復(fù)合材料粉末。稱取 10 g 左右2014A合金粉末平鋪于不銹鋼模具底層，用壓頭于140 MPa壓強(qiáng)下冷壓2 min，，移開壓頭，鋪入第二層 1 vol.%SiC/2014Al 復(fù)合材料粉末，140 MPa 壓強(qiáng)下保壓 2min，以此類推，直至五層不同 SiC 體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料粉末全部放入并冷壓成坯。隨后層狀坯料轉(zhuǎn)移至自制真空爐中加熱至 520 ℃，保溫 50 min，然后以 140MPa 壓強(qiáng)熱壓燒結(jié) 10 min，自然降溫。冷卻后的圓柱狀梯度復(fù)合材料于 502 ℃固溶 2 h，淬火，自然時(shí)效 4 天。含不同納米 SiC 體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料層依次用2014Al、SC1、SC3、SC5 和 SC7 表示。圖 5.2 給出了梯度復(fù)合材料不同層的光鏡組織照片。由圖 5.2（a）和（b）表明，納米 SiC 顆粒主要分布在體積分?jǐn)?shù)分別為 1%和 3%的 SC1 和 SC3 復(fù)合材料層的晶界處，且分散相對比較均勻；而在納米 SiC 體積含量為 5%的 SC5 梯度層中，能夠明顯觀察到納米 SiC 增強(qiáng)體的團(tuán)聚，如圖 5.2（c）所示。5.2（d）給出的是典型的層狀梯度復(fù)合材料不同層的界面區(qū)域組織圖，圖 5.2（d）表明不同層之間的界面是緊密連續(xù)的，沒有斷裂或者解綁產(chǎn)生，這表明層狀梯度功能材料不同層之間有著較好的結(jié)合強(qiáng)度。

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第 6 章 結(jié) 論

1）提出了一種溶劑輔助加機(jī)械球磨的新方法以改善納米 SiC 陶瓷顆粒在2014Al 基體中的分布均勻性，為納米顆粒在金屬基體中的均勻分散提供了借鑒；揭示出納米 SiC 體積分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料室溫及高溫拉伸性能的影響規(guī)律，優(yōu)化出較佳拉伸性能（室溫屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為 378 MPa、573 MPa 和 9.0%，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別比 2014Al 基體合金提高 68 MPa 和 60 MPa，提高幅度為 21.9%和 11.7%，延伸率較之 2014Al 合金略有下降；473 K 下屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為303 MPa、409 MPa 和 12.7%，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別比 2014Al 基體合金提高 30 MPa 和 43 MPa，提高幅度為為 11.0%和 11.7%，延伸率與2014Al 合金基本相近）所對應(yīng)的納米 SiC 體積分?jǐn)?shù)為 0.5%；實(shí)現(xiàn)了在提升鋁基復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的同時(shí)，不顯著犧牲室溫塑性的設(shè)計(jì)思路。

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參考文獻(xiàn)（略）