1、青海省自然科学基金项目申 报 书资助类别： 面上项目 青年项目 项目名称：申报单位：青海大学申 请 人：李丽荣通讯地址：西宁市宁大路 251 号邮 编：810016联系电话：13897117427传 真：电子邮箱：申报日期：青海省科学技术厅二一一 年制2填 写 要 求一、 本申报书仅适用于申报省自然科学基金的项目填写；二、 请严格按表中要求填写各项，封面“资助类别” 选项须与“项目申报基础信息表”中的“ 资助类别” 选项一致；三、 对于“项目申报基础信息表”中的选择栏目，采用在所选项空格内打方式确定；四、 基地名称限填国家基地(实验室)及省基地(实验室) ，注明批准或认定部门；五、 申报书文本
2、中外文名词第一次出现时，要写清全称和缩写，再出现同一词时可以使用缩写；“主题词”栏中的中、英文主题词数量均为 3 个，主题词之间用“/”分隔；六、 申报书文本请采用标准 A4 幅面纸，于左侧装订成册，填报内容中项目申报基础信息表可在网上录入并打印，其它一律请采用四号宋体字打印。对于篇幅不够的栏目可自行加页；七、 科技查新报告等附件须与申报书文本幅面相同并与申报书装订成一册。3一、项目申报基础信息表项目名称 硼酸镁晶须增强铝基复合材料性能研究资助类别 面上项目 青年项目 经费预算 总额 20 万元，其中申请补助 15 万元 起止年限 2011-2013基地名称申请领域（代码）01 数理科学；02
3、 信息科学； 03 化学与化学工程；04 农业与生物技术； 05 医药科学；06 资源与环境；07 工程与材料科学； 08 新能源； 09 其它07名称青海大学所在地西宁通讯地址西宁市宁大路 251 号邮 编810016申报单位单位类别科研院所 大专院校 事业单位企业 其它隶 属 中直 省直其它名称所在地参加单位 1 参与方式合作 协作参加单位 2名称所在地4参与方式合作 协作姓 名 李丽荣 性别 女 出生 1961 年 01 月学历/ 学位 学士 职务 院长 职称 教授电 话 0971-5311665 手机 13897117427工作单位 青海大学 E-mail 通讯地址 西宁市宁大路 25
4、1 号项目负责人研究领域姓 名 金培鹏 性别 男 出生 1961 年 1 月学历/ 学位 博士 职务 副院长 职称 教授项目负责人及主要参加人第一参加人工作单位 青海大学摘 要（限 400 字 ）硼酸镁晶须是一种非常便宜的且性能较佳的增强材料，其性能与碳化硅晶须类似，但价格只有碳化硅晶须的五十分之一左右，因此硼酸镁晶须增强铝基复合材料在性价比上具有极大的优势, 是一种非常有应用前景的铝基复合材料，项目拟采用搅拌铸造法制备硼酸镁晶须增强的铝基复合材料，并对其进行高温机械性能、尺寸稳定性以及摩擦磨损性能的研究，并与用于高温部件的其他金属材料进行对比研究，得到其使役环境范围，该种复合材料的外部因素以
5、及内部因素对复合材料磨损机制的影响，具有一定的理论价值，可以丰富金属基复合材料摩擦磨损方面的内容，同时上述研究结果对指导该复合材料的应用具有实际价值。本项目的研究将能延长青海省相关企业的产业链，将同时对推动民用硼酸镁晶须增强铝基复合材料的产品设计和产业化进程以及扩大盐湖资源的利用范围等方面具有重要意义。主题词 硼酸镁晶须；铝基复合材料；高温机械性能；磨损机制预期成果 国际领先 国际先进 省内领先 省内先进5二、报告正文参照以下提纲撰写，要求内容翔实、清晰，层次分明，标题突出 。（一）立项依据与研究内容（不少于 3000 字）：1. 项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合
6、科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）(1) 研究意义铝基复合材料具有高比强度和比模量、低热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、较高的高温机械性能以及抗疲劳、耐磨损等优良性能。 与钢相比，铝基复合材料的密度仅为钢的三分之一，耐磨性则与铸铁相当；与铝合金相比，导热率与其基本相当，抗拉和抗压强度及弹性模量大幅提高，热膨胀系数有较大幅度的降低。在铝基复合材料中，由晶须作为增强体的复合材料不仅强度和刚度远高于一般的短纤维和颗粒增强的铝基复合材料，而且在价格和生产工艺等方面比纤维、颗粒增强铝基复合材料更具优势。在民用产品中晶须增
7、强铝基复合材料的应用前景看好，研究开发十分活跃，晶须增强铝基复合材料的新工艺、制作方法以及应用有都有着极大的发展空间。在晶须增强铝基复合材料的研究中，SiCw 由于非常昂贵，由其制备的铝基复合材料主要应用于航天航空领域，在民用产品上的应用较少。Al18B4O33w 增强的铝基复合材料由于其界面发生了严重的界面反应，生成了脆性相 MgAl2O4，同时界面反应对硼酸铝晶须有很大损伤，界面反6应的控制非常复杂，因而也不利于产业化生产。相比 SiC 晶须及硼酸铝晶须增强铝基复合材料，硼酸镁晶须增强铝基复合材料有着其独特的优势。虽然硼酸镁晶须性能较碳化硅晶须略差，但硼酸镁晶须可以利用盐湖资源合成，其成本
8、十分低廉，仅为碳化硅晶须的五十分之一，硼酸铝晶须的三分之一。截止目前为止的研究表明，硼酸镁晶须在增强镁铝基复合材料中无界面反应发生，这便于对界面进行控制和优化，同时，硼酸镁晶须在长度方向的热膨胀系数更加接近于铝合金的热膨胀系数，这将大大降低在制备过程中在近界面区产生很高的残余热应力，从而有效的降低应力集中，避免复合材料在低应力下的脆断。这些都为该类铝基复合材料在汽车工业中的应用创造了条件；硼酸镁晶须增强铝基复合材料必将在汽车工业得到更多的应用。表 1 为硼酸镁晶须增强铝基复合材料的潜在应用前景。表1 硼酸镁晶须增强铝基复合材料应用前景应用部件 制造方法 特性要求螺栓，真空用腔体 压铸，挤压成型
9、 耐热性高，强度高，极低的脱气性连接部件，人造卫星 压铸，轧制成型 比强度高，低热膨胀，耐腐蚀叶片，旋转式压缩机 压铸 重量轻，耐磨性，低热膨胀自行车架 粉末冶金，HIP，模锻重量轻，刚性大，强度高活塞，海洋用柴油发动机压铸 重量轻，耐热性，耐磨性高尔夫球杆头 压铸，锻造 重量轻，强度，耐磨性高尔夫球杆头 压铸 重量轻，强度，耐磨性活塞，雪地车 压铸 重量轻，耐热性，耐磨性活塞，汽车发动机 压铸 重量轻，耐热性，耐磨性为了进一步提高性能、改善工艺性能、加工性能、降低成本和扩大应用，因此进一步开展铝基复合材料的应用基础研究和应用研究十分必要。7本项目针对研究硼酸镁晶须增强铝基复合材料在摩阻部件上
10、的应用，开展摩擦磨损性能的基础研究，为拓展其应用提供理论依据。(2) 国内外研究现状及发展动态分析 铝基复合材料的摩擦磨损性能作为摩阻部件的刹车盘、刹车轂是各种交通工具（飞机、火车、汽车摩托车等）制动装置的重要构件之一，它的可靠性、耐久性关系到交通运输业的发展和生命财产的安全。随着高速公路的发展，铁路运输的提速，对制动构件的材料提出越来越高的要求。为了保证制动系统安全可靠，摩阻材料必须有稳定的摩擦系数，而且在高速、重载、频繁的工作条件下，摩擦系数的降低要小。另外，摩擦副必须耐磨，以保证制动装置一定的使用寿命。由于铝基复合材料既有铝合金比重小、导热快、热容量大的优点，又有铸铁的耐磨特性，因而成为
11、研制新一代耐磨材料的首选。从已有的研究现状来看，对铝基复合材料的摩擦磨损性能的研究主要集中在 SiC 颗粒及硅酸铝短纤维增强铝基复合材料上；而基体铝合金根据不同的研究情况而有所变化。毕敬等研究了 SiC 粒子增强铝基复合材料的耐磨性能，不同体积分数的 SiC 粒子的体积分数增强铝基复合材料的耐磨性测试在 ML-10 磨料磨损试验机上进行，磨料为 600#棕刚玉砂纸，由表 2 可以看到，随着复合材料的增强相体积分数增加，复合材料的耐磨性提高，而同一种复合材料，则随着磨损压力的增大，复合材料的磨损率增加。在同样的体积分数下，磨损抗力随粒子直径减小而增加。8表 2 2024 铝合金和 SiC 粒子增
12、强复合材料的耐磨性磨损量/(10-4g/mm)材料10N 20N 30N2024 铝合金 6.75 11.70 16.515%SiC (3.5m)/2024Al 4.85 5.85 10.315%SiC(20m)/2024Al 3.35 4.01 5.6030%SiC(20m)/2024Al 0.25 0.70 2.85Straffelini G 等以汽车制动盘为研究对象，通过模拟台架试验，研究碳化硅粒子增强铝基复合材料的摩擦磨损机理表明，良好的基体塑性和适当的增强颗粒大小，有利于形成均匀、牢固的转移膜，从而减少复合材料的磨损量；复合材料的磨损量和铸铁相当，制动过程中温度升高低且均匀；从摩擦部
13、件表面温度升高、轻量化等方面综合考虑，铝基复合材料在制动系统中的应用有明显的优越性，是理想的制动材料。湛永钟等评述了近年来关于颗粒增强铝基复合材料的干摩擦磨损行为的研究结果，从材料因素和外部条件两个角度分析了各种因素对材料耐磨性、摩擦系数和配偶件磨损的影响，表明复合材料界面是影响摩擦磨损性能的重要因素，颗粒对复合材料干摩擦性能的增强作用是建立在良好界面结合的基础之上的。通过对粒子增强铝基复合材料组分的优化选择、增强相表面处理、基体合金化及适当的热处理工艺得选择，可以获得良好的复合材料界面，得到摩擦磨损性能优异的颗粒增强铝基复合材料。硅酸铝短纤维增强铝基复合材料的耐磨性或摩擦磨损研究中表明，硅酸
14、铝短纤维增强的铝基复合材料，很明显地改善了基体材料的耐磨性，并且磨损率随短纤维的增加而降低；由于短纤维的存在，使得耐磨性能明显提高，尤其是垂直于摩擦表面的纤维，具有更大的提高耐磨性的作用。通过 SEM 观察对比单一基体和复合材料的表面后可以看到强化纤维9具有很好的抑制犁沟的延伸和扩展作用；马鸣图等曾通过控制短纤维方向的分布来研究平行于纤维分布方向和垂直于纤维分布方向的耐磨性，研究表明纤维平行于磨面时，磨损试验时纤维容易剥落，而当纤维垂直于磨面时，则纤维不易脱落，并与阻止基体磨损的作用有关。由上面的叙述可以看到，铝基复合材料的磨粒磨损性能优于基体合金。然而，在不同条件下铝基复合材料在磨损过程中所
15、受影响因素众多，影响因素可分为复合材料的内部因素和外部因素两大类，复合材料的内部因素包括基体以及增强相的种类、大小、体积分数、形状、取向、分布等。外部因素包括正载荷、滑动速度、滑动距离、环境温度对偶件等。许多时候缺乏稳定性和可比性。由国内外研究现状及发展动态可以看到，铝基复合材料的摩擦磨损行为的系统研究甚少；而本项目的工作之一就是对采用搅拌法制备不同体积分数的硼酸镁晶须增强铝基复合材料，在MS-T3000 试验机上对其在液体石蜡润滑及干摩擦条件下的摩擦磨损性能进行研究，分析两种工况下增强晶须、试验载荷和滑动速度等参数对复合材料摩擦磨损性能的影响并对复合材料磨损性能与用于磨损类部件的其他材料的磨
16、损性能进行比较，从而为这种复合材料在耐磨件上的应用提供理论依据。综上所述，硼酸镁晶须增强铝基复合材料的研究很少，尤其是对硼酸镁晶须增强铝基复合材料的摩擦磨损性能的研究非常缺乏。因而有必要开展以硼酸镁晶须为增强体的铝基复合材料在这些方面的基础研究和应用基础研究，从而为该类复合材料的广泛应用提供基础数据和理论依据。102. 项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键科学问题。 （此部分为重点阐述内容）项目拟采用搅拌铸造法制备硼酸镁晶须增强的铝基复合材料，并对其进行摩擦磨损性能的测试分析，并与用于摩擦部件的其他金属材料进行对比研究，得到其使用范围。从材料设计角度，针对材料中的三大组元：基体组元、摩擦组元、润滑组元研究如下问题：在基体铝合金中，研究添加不同体积分数的硼酸镁晶须，达到提高材料耐摩性的目的。研究在提高摩擦系数的条件下，如何选择合适的硼酸镁晶须添加量，从而提高材料的韧性；在稳定摩擦系数和减少润滑组元含量矛盾中，研究不同的润滑条件对材料性能的损坏作用。具体研究内容如下：（1） 研究内容 不同体积分数及不同热处理机制的摩擦磨损行为1、 不同体积分数的复合材料的性能及摩擦行为的研究，选择最优体积分数（合适的韧性强度及比较好的摩擦磨损性能） ；2、 不同热处理机制，导致不同的析出相，进而对材料摩擦磨损性能的影响。 复合材料磨损行为评价和分析
