1、内蒙古工业大学本科毕业论文二 X X 年 X 月本 科 毕 业 论 文题 目 ： 原位 Al2O3P/Al 复合材料的组织观察学 生 姓 名 ： 学 院 ： 材 料 科 学 与 工 程系 别 ： 材 料 与 冶 金 工 程专 业 ： 材 料 物 理班 级 ： 指 导 教 师 ： 内蒙古工业大学本科毕业论文摘要原位反应析出颗粒增强铝基复合材料的研究如火如荼地进行，相比铝合金而言，颗粒增强复合材料抗拉强度高、耐磨性好、热稳定性好等优良综合力学性能。其中增强体颗粒弥散分布，具有各向同性，而且可加工性强，在航空航天、军工、汽车发动机等领域都显示出广阔的应用前景。因此，颗粒增强铝基复合材料已越来越备受瞩
2、目。氧化铝颗粒尺寸越小，分布越均匀，材料的综合性能更好。本文利用氧化铜粉和铝粉反应生成氧化铝颗粒和铜的原理，通过原位搅拌法和粉末烧结法成功制备出铝基复合材料。并对制备的试样进行微观组织分析，包括氧化铝颗粒的尺寸、分布，Al 2Cu 相的分布，铝的扩散，共晶 Al(Cu)-Al2Cu 相的形态、分布。得出以下结论：粉末烧结试验中，保温 60min 的复合材料基体连续性要比保温 30min 好。氧化铝含量在 5和 10生成的氧化铝颗粒最大直径 3-5m，且保温时间越长，颗粒分布越均匀、Al 2Cu 相有较大的延伸，相反保温 30min 时氧化铝颗粒分布在粉体接触面间隙，阻止了扩散的进行，即反应也受
3、阻。原位搅拌法试验中，随着浇铸温度的降低，制备的试样的晶粒越细小。关键词：铝基复合材料；氧化铝颗粒；原位反应；搅拌铸造；粉末烧结内蒙古工业大学本科毕业论文AbstractParticle reinforced aluminium matrix composites is now the most popular research， its than strength， stiffness and modulus， low density and good high temperature performance， fatigue resistance and wear resistance，
4、low thermal expansion coefficient of excellent comprehensive mechanical properties and operational performance. Dispersion strengthening of aluminium matrix composites， which not only isotropic features prominent， and machinability of strong， price is low. In aerospace， advanced weapons systems， aut
5、omotive， electronic packaging and sports equipment and other fields are showing broad application prospect， as a result， the particle reinforced aluminium matrix composites has become a aluminum matrix composites research in the field of one of the most important and the most commonly used materials
6、. From the theory analysis， the smaller the particle， the dispersion of the composite reinforcement， the better， the performance of the composite material， the better.This paper， by using copper oxide powder and aluminum powder reaction of alumina particles and the principle of copper， success was p
7、repared by in-situ mixing method and powder sintering process using the aluminum matrix composites. And microstructure analysis was carried out on the preparation of samples， including alumina particle size， distribution and Al2Cu phase distribution of the diffusion of copper， eutectic Al (Cu) - Al2
8、Cu phase morphology， distribution. The following conclusions:The insulation of the powder sintering， 60 min matrix continuity is better than heat preservation for 30 min. Copper oxide content in 5% and 5% alumina particles generate maximum 3-5 microns in diameter， and the longer the holding time， pa
9、rticle size distribution more uniform， Al2Cu phase have bigger extension， on the contrary insulation 30 min alumina particles distribution in powder contact clearance， black copper oxide powder， powder clearance prevents the diffusion of the reaction is also blocked. Mixing method in situ experiment
10、, with the loss of the pouring temperature, small grains, the preparation of the sample.Key words: aluminum matrix composites； Alumina particles； In situ reaction； Stirring casting； Powder sintering内蒙古工业大学本科毕业论文目录第一章 绪论 .11.1 铝基复合材料 .11.1.1 铝基复合材料的发展 .11.1.2 铝基复合材料的特点 .11.1.3 铝基复合材料的增强相 .21.2 颗粒增强铝基
11、复合材料 .31.2.1 颗粒增强铝基复合材料的概念 .31.2.2 颗粒增强铝基复合材料的组分及特点 .31.2.3 颗粒增强铝基复合材料的界面及结合机制 .41.2.4 颗粒增强铝基复合材料的强韧化机制 .41.2.5 颗粒增强铝基复合材料的发展 .51.2.6 颗粒增强铝基复合材料的制备方法 .51.3 原位合成颗粒增强铝基复合材料的制备方法 .61.3.1 原位搅拌法 .61.3.2 原位烧结法 .71.3.3 液态搅拌工艺参数的选择 .81.4 试验内容及意义 .9第二章 试验过程与研究方法 .102.1 试验材料 .102.1.1 试验原料 .102.1.2 试验所用仪器设备 .1
12、02.2 试验过程 .102.2.1 粉末烧结的步骤 .102.2.2 搅拌铸造的步骤 .12第三章 结果与分析 .143.1 粉末烧结法制备的复合材料的组织 .143.1.1 氧化铜质量分数为 5的试样 .143.1.2 氧化铜质量分数为 10的试样 .163.1.3 氧化铜质量分数为 15的试样 .17内蒙古工业大学本科毕业论文3.1.4 氧化铜质量分数为 20的试样 .193.2 原位搅拌工艺且不同浇铸温度的组织 .21结论 .22参考文献 .23致谢 .25内蒙古工业大学本科毕业论文1第一章 绪论1.1 铝基复合材料1.1.1 铝基复合材料的发展在科学技术高速发展的 21 世纪，人类对
13、于材料的需求达到了前所未有的高度。各种各样的新型材料如雨后春笋一样纷纷涌现出来，复合材料就是其中一种，复合材料具有基体的主要特性，又通过复合获得一种或几种材料作为增强体的新性能。现代冶金技术的不断发展，催生了许多制备复合材料的新工艺。材料的单一性质不再能够满足消费者的需求，制备复合材料成了必经之路。复合材料拥有多种特性，在不同环境、载荷下使用。航空航天的发展要用到复合材料，因为对极端环境下的工作设备要求苛刻，海洋的开发也暴露了合金材料的缺点，复合材料的高强度、高模量和热稳定性以及某些特殊性能恰好弥补其中的不足。金属基复合材料(MetalMatrixComposite ，MMCS) 是由金属材料
14、基体和增强体通过特定的结合方法复合而成的一种具有特殊性能的复合材料，是以合金或纯金属为基体，将纤维、晶须和颗粒等作为增强相外加或自生分散到基体中，使材料得到强化并兼有金属的塑性、韧性、导电性、导热性等性能和增强相的高硬度、高模量 1。航天、航空、先进武器的发展推动了材料的发展，而颗粒增强铝基复合材料重量轻、比强度高、热稳定性好、导电性好等特点，恰好作为这些高精尖设备的材料。太空卫星减重的同时，火箭推进器将减少燃油耗费；发动机内的活塞是能量转换效率的关键，热能转换为机械能，活塞越轻，能量转换效率越高。汽车高强度铝板，冲压出的零件精度高，车身更轻，节能减排。太空探测器在阳光照射面和背面的温度差别很
15、大，只有热稳定性好的轻材料才能胜任，现在主要用 B/Al 复合材料。集成电路要求散热好、低膨胀。汽车发动机要求耐热、耐磨、成本低、抗疲劳性好。但在实际生产中，有些制备工艺较为复杂，尤其是制备过程中的颗粒分布的均匀性影响复合材料的性能。1.1.2 铝基复合材料的特点主要由基体和增强物的分布、含量、特性等决定。(1) 良好的导电、导热性对于电子、航空、信息等领域的构件要求较好的尺寸稳定性，因此良好的导热性非内蒙古工业大学本科毕业论文2常重要。而导电性对于一些集成电路板和电子封装器件尤为重要。(2) 良好的高温力学性能这对于需要在高温下工作的结构件至关重要，如航空发动机叶片、汽车发动机、能源转换设备
16、等。(3) 高比强度、比模量金属基复合材料的增强物如纤维、颗粒、晶须等具有高强度、模量、低密度，因此显著提升复合材料的比强度和比模量。该类结构材料多用于航天、航空领域。(4) 热膨胀系数小、尺寸稳定性好可作为卫星天线部件，保证在交替变化的温度下不发生热变形。(5) 良好的摩擦磨损性能被广泛的用在汽车、机械工业中，如刹车盘、活塞、发动机等，使得部件的性能和寿命提高。(6) 疲劳性和断裂韧性良好阻止裂纹产生和扩展，是理想的结构材料1.1.3 铝基复合材料的增强相铝基复合材料的通过添加增强相使得性能更加优良，增强体为性能和形态不相同的晶须、纤维、颗粒等。一般选取高熔点、高弹性模量、高硬度的陶瓷颗粒作
17、为增强体，主要有碳化物、硅化物、氧化物等，使用范围也由之前的航空航天工业扩大到包括电子、信息、汽车制造等行业。通常以外加或通过化学反应生成的方式向铝合金中添加陶瓷、金属间化合物或金属等増强相。铝基复合材料的增强物有纤维 2，球形颗粒，如 SiC、Al 2O3 常被用作增强相添加到金属基体中制备复合材料，而氧化铝颗粒的形状变化多端，有近球形、尺寸较大的棱角颗粒。Al 2O3 颗粒，具有 型和 型两种变体和四种同素异构体。Al 2O3具有很高的沸点和熔点，这是因为 - Al2O3 有很大的晶格能，三价铝离子对称的分布在负二价氧离子周围形成八面体配位中心，负二价的氧离子在晶格中六方紧密堆垛。而且 A
18、l2O3 硬度高、来源丰富、较好的高温稳定性、低廉的价格，与铝基体不会发生化学反应，用 Al2O3 作为增强体制备出的铝基复合材料有非常好的耐磨性，同时兼顾较高的硬度、强度以及不错的导电、导热性，硬度仅次于金刚石，熔点高、耐酸碱。由于 Al2O3 具有很高的热稳定性，使得此种铝基复合材料的高温力学性能优良。铝基复合材料由于具有密度小，氧化铝价格低廉，制备工艺简单，具有高比模量、抗拉强度高、耐磨性好等特点被广泛应用于金属基复合材料的增强相。传统生产中，铝锭表内蒙古工业大学本科毕业论文3面的氧化铝一般作为杂质被除去，一旦如果能控制氧化铝的形状和尺寸，可以起到强化作用。原位反应产生的颗粒内生于基体之
19、中，严学华认为 3增强体在铝基体内原位形核、长大，避免了由于增强体在加工时产生的表面无污染，与基体间有良好的相容性，界面结合良好。不同的原位反应颗粒生成不同的增强体，反应温度、保温时间则会影响颗粒在金属基体中的形态、分布、尺寸。有些颗粒能达到 5m，它们有一定的棱角容易成为裂纹尖端，产生应力集中。但是如果能很好地控制以上因素，确保颗粒能以亚微米级弥散，那么原位颗粒增强铝基复合材料就会显现出良好的综合性能。如果原位生成增强体的尺寸较大，也会割裂基体，成为裂纹萌生源，外加载荷达到极限时，增强体颗粒便失去弥散强化的作用；原位反应生成的颗粒作为异质形核的基体增加了形核率，细化晶粒，通过细晶强化增加基体
20、的强度。1.2 颗粒增强铝基复合材料1.2.1 颗粒增强铝基复合材料的概念颗粒增强铝基复合材料是以纯铝或铝合金为基体，通过外加、原位自生，达到添加增强体的目的。颗粒增强铝基复合材料具有密度小、高比模量、抗拉强度高、耐磨性好、耐腐蚀、热稳定性好、强韧性好且成本低廉等特性，使得该复合材料备受关注。基体是主要承载物，基体的强度对于复合材料的强度起决定性作用。因此，需要选择高强度的金属材料作为基体材料。金属基复合材料有晶须强化和颗粒强化两种。纤维在基体内的方向性排列使复合材料的性能具有各向异性，而颗粒分布的随机性使其各项同性。纤维是主要承受载荷的组元，且自身强度高，因为纤维具有方向性，可以对其排布方向
21、、形态进行设计，进而制备出符合不同需求的复合材料。但是此种材料价格昂贵、制备工艺复，而且增强体与铝基之间的界面反应和湿润性问题阻碍了连续纤维增强铝基复合材料。微观组织不均匀，性能受影响，一直未得到广泛应用。而颗粒增强铝基复合材料是将增强颗粒原位自生进入基体中 4，颗粒的弥散分布使得的材料各向同性，微观结构均匀。颗粒承受外力，基体变形会减小。由于制备简单，且材料的刚度、耐磨性、强韧性均有较大提升，RPA 具有良好的发展前景。内蒙古工业大学本科毕业论文41.2.2 颗粒增强铝基复合材料的组分及特点颗粒增强铝基复合材料的组分包括基体、界面、增强体。基体的作用是 5：固结增强材料、传递载荷。颗粒增强铝
22、基复合材料的主要承载部分是基体。载荷主要由基体承担，基体将载荷在材料内部进行重新分配，将载荷传递给增强体，增强粒子也承受载荷并约束基体的变形，基体与增强材料之间的相互作用将影响裂纹在材料中的扩展。颗粒阻碍位错运动能力越强，增强效果越好。无基体时，增强体直接受力，增强体之间无法传递力。结合强度很高时：裂纹直接穿过增强体和基体，材料表现为脆性断裂，断口光滑、平整。结合强度很低时：材料中的载荷不能得到有效地传递，材料内部受力不均匀，复合材料的性能较差。中等结合度：裂纹在材料中扩展时，基体的变形吸收部分能量，当裂纹遇到增强体时将沿着增强体表面扩展，裂纹扩展需要绕过许多增强体颗粒，而颗粒阻碍位错运动，需
23、要吸收更多的能力，故材料的强度较高。非氧化物颗粒：碳化物顆粒（SiC、TiC 等），硼化物顆粒（TiB 2、MgB 2 等 )，氮化物顆粒（AlN 等）。它们的特点是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很强。由于价格相对较低、制备工艺较为成熟，而且不存在纤维増强复合材料中如纤维受损、组织不均匀等问題使得近年来发展快速。氧化物颗粒：最常用到的是 Al2O3 颗粒。地壳中含量最高；密度小（ 2.7)；导电好（仅次于银、铝）；导热好；延展性佳；性质活泼；耐腐蚀性强；银白色光泽；光反射率高；良好的吸音性能；耐低温。1.2.3 颗粒增强铝基复合材料的界面及结合机制复合材料的界面是指在铝合金基体与颗粒之间化
24、学成分有显著变化、构成彼此结合、并能起载荷传递作用的微小区域。在复合材料中，基体与颗粒之间的界面性能会对材料的力学性能产生重要影响，材料的强化在很大程度上是利用界面把载荷由基体传递给增强体来实现。要使颗粒与基体之间的界面能够有效地传递载荷并阻止裂纹扩展，必须具有较强的界面结合。颗粒与基体之间的润湿性和界面反应是影响界面结合状态及强度的主要因素。高温时界面反应会产生脆性相，割裂基体材料。因此，通常要抑制界面反应。界面的结合力有三类，即机械结合力，物理结合力以及化学结合力 2。机械结合力就是颗粒表面与基体之间的机械咬合。化学结合力就是通过电子转移形成化学键，在界面上有固定的晶体学位向关系。三种结合
25、力基本可以构成以下三种界面类型：机械内蒙古工业大学本科毕业论文5结合；共格和半共格结合；化学结合。1.2.4 颗粒增强铝基复合材料的强韧化机制当材料受到较强应力时，裂纹尖端处的颗粒发生显著变化 5，如晶型转变、体积变化、微裂纹的产生和扩展等。颗粒的变形消耗能量，提高了材料的韧性；材料中的氧化铝颗粒使裂纹的扩展路径发生改变，如裂纹偏转、弯曲、分叉和交割等，从而产生增韧的效果。由于微粒阻碍基体的位错运动而产生强化，属于弥散强化。以及粒子的均匀分布造成的位错钉扎。具体的过程是：在外加切应力的作用下，材料中运动着的位借线遇到沉淀相粒子时，位错线会产生弯曲，并最终绕过沉淀粒子，结果在该粒子周围留下一个位
26、错环，这就造成了所需切应力的增加，提高了材料的强度；使位错继续运动取决于绕过颗粒障碍的最小曲率半径 d/2，这个强化机制称为 Orowan 机制，该机制与沉淀粒子的分布有关，粒子越细，分布越弥散，强化效果越好。图 1-1 Orowan 机制1.2.5 颗粒增强铝基复合材料的发展使用传统制备工艺制备的铝基复合材料通常有基体和増强体之间界面湿润性差、物理化学相容性差、成本较高、增强体容易发生偏聚等问题。而对于原位反应来说，由于增强体在基体中反应生成并且形核、长大，因而热力学稳定，与基体晶格匹配性好、相容性好、结合牢固。增强体污染少，因而和基体湿润较好，界面强度高，可得到亚微米级弥散分布的增强体，原位反应技术不需要预先合成增强体，这样大幅简化了制备工艺，降低了制备成本，在工业化，新型复合材料开发上前景广阔。颗粒増强铝基复合材料逐步进入人们的视野并受到重视，现在此种材料作为结构件已经被广泛用在汽车活塞、汽车铝板，输送管道等。1.2.6 颗粒增强铝基复合材料的制备方法(1) 粉末冶金法作为最常用的方法其制备工艺较为成熟，制备而成的复合材料性能较好，但其成本
