新型复式连通SiC_390Al复合材料的制备和性能.pdf

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1、第卷第期年月材料研究学报新型复式连通复合材料的制备和性能赵龙志曹小明胡宛平张劲松中国科学院金属研究所摘要以空心多孔泡沫陶瓷为增强体,用挤压铸造法制备了新型复式连通双连续相复合材料,研究了泡沫陶瓷骨架筋的结构对复合材料的影响,以及复合材料中的界面对力学性能的影响结果表明,空心多孔泡沫陶瓷与复合后形成了复式连通双连续相复合材料,具有独特的互穿式界面结构,材料界面的结合优异随着复合材料界面结合的加强和泡沫增强体的复合韧化,复合材料的屈服强度、压缩强度和弯曲强度明显提高,韧性显著增强关锐词复合材料,空心多孔泡沫陶瓷,复式连通,界面结合,力学性能分类号文章编号一一一玩亡亡。亡亡,人饭。,仇絮云,叼仰,卜

2、四妙,勿而,而,而,而复合材料具有优异的物理性能和力学性能,是航空航天、汽车工业以及其他许多应用的理想材料比,而陶瓷增强体的不连续性和陶瓷与金属的不润湿使陶瓷颗粒很难均匀地分布年月日收到初稿年月日收到修改稿本文联系人张劲松,研究员,沈阳市,中国科学院金属研究所材料研究学报蜷在金属基体中,影响了其性能的提高,陶瓷相的不连续性也使顺粒增强金属基复合材料很难应用于多功能材料 双连续相复合材料由于其特有的拓扑结构填补了这项空白双连续相增强体通常包括微孔陶瓷和泡沫陶瓷,微孔陶瓷的制备成本较高,而使用泡沫陶瓷作为增强体将会大大降低双连续相复合材料的制备成本,愉化材料的制备工艺金属与脚瓷的不润摄影响着复合材

3、料的连续性闷,因此双连续相复合材料的界面连续性成为人们研究的一个重点目前,人们对微孔陶瓷增强金属基复合材料研究比较多低,但是关于泡溥询瓷增强金属基复合材料的报道比较少 本文制备出了空心多孔泡沫陶瓷增强的新型复合材料,研究其界面对力学性能的影响实验方法实验用泡沫陶瓷增强体是采用反应烧结法制备的图,包括实心致密泡沫骨架和空心多孔陶瓷骨架骨架的体积分数都为,泡沫陶瓷的孔径约为,骨架筋的葺径约为复合材料的基体叨铝合金的成分为卜,一,复合材料的坯料是直径为厚的圆盘材料复合的主要工艺参数为骨架预热温度为,保压时间为,自然卸压时间为,复合压力为,浇注温度为,模具预热温度为材料在复合出模后,在保温,然后随炉冷

4、却至室温用线切割机将复合材料切成尺寸为的试样,在一方能实验机作压缩试验,加载速度为。弯曲样品的尺寸为,弯曲实验在一万能实验机上进行,载荷为,加载速率为,跨距为在扫描电子显微镜和金相显微镜下观察材料的形貌结 果 与 讨 论增强相的结构和形貌特征复式连通双连续相复合材料的增强相为空心多孔泡沫陶瓷,与实心泡沫陶瓷在形貌有很大的区别图虽然在宏观上两者都具有泡沫连通网络结构,但是它们的筋的结构和形貌明显不同实心致密泡沫陶瓷的一根筋可以看成一个实心致密的陶瓷棒图,空心多孔的图泡沫陶瓷增强体期赵龙志等新型复式连通复合材料的制备和性能泡沫陶瓷的筋却是一根空心多孔的陶瓷管图在形貌上,实心致密的泡沫陶瓷的筋的表面

5、致密,没有任何孔隙图,减少了界面的结合面积,对机械结合的界面非常不利空心多孔结构的泡沫陶瓷表面具有复杂的结构 图,既增加了复合材料的界面接触面积,又使复合材料的宏观界面转变成复杂的微观界面空心多孔结构泡沫陶瓷筋的整体为疏松多孔结构图,可以使基体和增强体真正地复合为一个整体,是材料复合时所需要的理想结构图泡沫陶瓷增强体筋的表面形貌即图泡沫陶瓷增强体筋的横截面复式连通双连续相复合材料的形貌复式连通是指基体合金不但在陶瓷骨架的泡沫孔内是连通的,而且在骨架筋的中心孔内也是连通的由图可知,在空心多孔的泡沫陶瓷中充满了合金,形成了复式连通双连续相复合材料空心多孔泡沫骨架具有特殊的筋结构,整个筋为疏松多孔的

6、结构,各个孔又连续贯通图,图材料复合以后,陶瓷骨架的筋本身即为复合材料 复式连通双连续相复合材料研究学报卷材料的界面结合良好同由于陶瓷筋的多孔结构,基体合金填满了骨架的微观孔洞,使得复合材料的宏观界面变成了微孔洞之间的微观界面,形成了独特的互穿式界面基体的膨胀系数比增强相热膨胀系数大,在这种微观的包夹结构的界面上陶瓷受到压应力因此,陶瓷受到基体合金的包夹作用,从而使得机械结合的界面更加牢固图复合材料的宏观形貌即一复式连通双连续相复合材料的力学性能复合材料的压缩性能从表可以看出,复合材料的力学性能比基体的力学性能都有不同程度的提高,其中复式连通复合材料提高的幅度最大从热力学的观点分析,复合材料的

7、基体与增强体之间可能发生界面反应,但基体氧化膜的保护作用成了反应的动力学障碍同时,由于挤压铸造法复合材料时时间很短大约,界面的保护膜来不及破坏,因此由该方法制备的复合材料的基体与增强体之间,既不相互反应,也不互相溶解,形成的界面徽观上是平整的,只有分子层厚度 在界面中除了原有的物质外,没有其它物质这种界面的结合为机械结合,主要依靠增强体粗糙表面的机械锚合力和基体的收缩力包紧增强体产生摩擦力而结合复式连通复合材料的泡沫增强体的筋具有特殊的多孔结构图,使得原本的宏观界面转化为微观界面,增加了界面的接触面积,增大了界面处的摩擦力,加强了界面结合复式连通复合材料较强的界面结合使泡沫陶瓷增强体和基体铝合

8、金形成一个整体增强体泡沫陶瓷在宏观上是三维连通的,使增强体自身可以承受载荷,这是任何弥散增强体所不具备的条件因此,复式连通复合材料承载时,增强体不但能传递载荷,还能承受载荷,而弥散增强复合材料中的增强体只能传递载荷不能承载由于金属基体与增强体膨胀系数的不匹配、弹性性能的差别,在制备过程中,复合材料界面上会产生大量的残余应力 这种残余应力使界面附近基体的微观结构和性能发生明显的变化,严重降低了材料的宏观力学性能泡沫陶瓷增强体与基体复合后形成的互穿式界面缓解了应力集中,使复合材料的屈服强度明显提高对于普通连通复合材料,由于界面结合没有复式连通复合材料界面结合得好图,材料在承载过程中界面是相对薄弱的

9、区域,容易在界面处首先被破坏,增强效果没有复式连通复合材料的明显期赵龙志等新型复式连通复合材料的制备和性能图复合材料的界面一于表材料的力学性能恤就一芍一几马山八,占毗幻。卜毗卜毗复式连通复合材料的变形方式与普通连通复合材料也明显不同在变形第一阶段图中直线部分,材料处于弹性变形阶段,材料内部的变形基本相同,只是弹性模量稍有偏差,这与复合材料的界面结合有关,良好的界面使得增强体陶瓷高模量得到了体现由于属于脆性材料,材料没有明显的屈服阶段材料屈服后,经过很短的塑性变形阶段达到强度极限达到强度极限后,材料的变形就明显不同普通连通复合材料在达到强度极限以后,应力应变曲线迅速下降,即材料失效应变小复式连通

10、复合材料达到强度极限的应变比普通连通复合材料的应变大这可能是由于复式连通复合材料的增强体泡沫陶瓷的筋具有空心多孔结构,与金属基体复合后,筋的空心部位和微孔石一币旧,一一巾。乎。二恐拐。之罄。肥图复合材料的压缩应力应变曲线材料研究学报蜷部位都填满了基体,形成了金属一陶瓷结构,陶瓷筋成为金属陶瓷复合筋复合筋本身就是金属基复合材料,韧性明显比陶瓷筋增强因残复合材料承载时内部出现裂纹源所霭要的应变大大增加复式连通复合材料在达到强度极限以后,应变曲线有一段平台风圈唇中知七,然后材料慢慢失效,失效的应变范围比软宽叭出现该现象的原因是,泡沫增强捧的空心多孔结构使复合材料的界面发生从宏观到徽观的变化互穿式界面

11、使增强体和塞体犬牙交婚相互咬合,原本微小的界面转变为具有一定宏观尺寸的界面缓冲区,形成了独特的阻止裂续扩雇,级解界面处的应力集中,提高复合材料的韧性分过睡缓冲辱褥铆碑面能有效地因此复式迩通舞建续相脚复合材料的整体性更强材料中各组分性能更能充分发挥,使强度墓著握高具有韧性的掏瓷筋与独特的互穿式界面结合,使复合材料的韧性提高,使失效时间延长复式连通复合材并的弯曲性能表表明,复式连通复合材料的弯曲强度是普通复合材料的弯曲强度的倍多主要原因是复式连通复合材的基体与增强体之间的优异界面结合弯曲破坏分为材料下层的拉伸破坏区和上层的压缩破坏区在拉伸破坏区内基体和增强体受到拉应力,在压缩区具有明显的压缩现象因

12、此,复合材料的界面和增强体的性能具有重要的意义复式连通复合材料的陶瓷筋属于金属和陶瓷的复合物,具有一定的韧性,可以承受一定的拉应力和压应力同时,良好的互穿式界面使复式连通复图复合材料的断口一,。洲卜印,。期赵龙志等 新型复式连通复合材料的制备和性能合材料在断裂时,有平整的脆性断口图对于普通连通复合材料,尽管基体与增强体之间的界面结合也比较好,但毕竟是薄弱部位在材料发生弯曲变形时,在界面部位慢慢出现缝隙,当裂缝达到一定程度时,骨架和基体在局部区域相互分离,材料迅速破坏失效同时,泡沫陶瓷增强体的筋比较致密,很难承受较大的拉应力,材料弯曲时,上层受拉区域的陶瓷泡沫的筋容易被拉断,陶瓷筋的断裂加快了材

13、料的破坏材料破坏后的断口表现为陶瓷骨架和基体各自断裂特征,断口不平整,界面处有裂缝图,复式连通复合材料在弯曲断裂时,增强体和基体一起发生弯曲变形,直至断裂失效断裂失效时,复合材料的界面仍然保持良好的结合,没有任何撕开的迹象图,界面结合良好因为复式连通复合材料的宏观界面转化为陶瓷微观孔洞和基体铝合金之间的微观界面图,不是薄弱环节,不会在变形中破坏结论以空心多孔泡沫陶瓷为增强体的复式连通双连续相复合材料,具有独特的互穿式界面结构,界面结合优异材料的界面对材料的性能有重大的影响,随着复合材料界面结合的加强和泡沫增强体的复合韧化,材料的屈服强度、压缩强度和弯曲强度明显提高,韧性显著增强参 考 文 献,叮,刃,升,卫,鳅叮,叮,江认,、,叭,赵龙志,曹小明,田冲,胡宛平,邢宏伟,张劲松,材料研究学报,例,助,升,刀几夕那成乞云,沃丁柱,复合材并大全北京,化学工业出版社,八