无压浸渗SiCp/Al复合材料干摩擦磨损性能研究

采用无压浸渗法制备了不同SiC颗粒体积分数以及不同SiC颗粒粒度的Al基复合材料.以硬质合金(80%WC 20%Co)为对摩试样进行了干摩擦试验,研究了颗粒体积分数(15%,25%,35%,45%,55%)、颗粒粒度(110μm,63μm,45μm)以及载荷(196N,392N)对SiCp/Al复合材料干摩擦磨损性能的影响.采用SEM和EDS分析了铝合金基体、复合材料的磨损表面及磨损机理.研究结果表明,颗粒体积分数在15%～35%之间时,复合材料的耐磨性明显优于铝合金基体.载荷为196N时,铝合金的磨损率是15%,25%,35%SiCp(110μm)/Al复合材料的2.16,2.76,2.07倍.SiCp/Al复合材料的磨损率随着颗粒粒度的增加、载荷的减小而降低.SiC颗粒的体积分数对铝基复合材料的磨损率和磨损机制有显著影响:SiC颗粒体积分数存在一个最佳值(25%),此时复合材料的磨损率最小,耐磨性能最好.当体积分数小于25%时,复合材料磨损率随着体积分数的增加而下降,磨损机制以磨粒磨损为主,而当体积分数大于25%时,复合材料磨损率随着体积分数的增加而上升,磨损机制以表层剥落磨损为主,同时伴有磨粒磨损.     

高体积分数SiCp/Al复合材料高温压缩界面研究

采用无压浸渗制备出高体积分数SiCp/Al多功能复合材料。对该复合材料进行了高温(高于基体熔点)压缩实验。利用XRD和TEM观察了SiCp/Al复合材料的界面结构,分析了高温压缩对复合材料界面的影响,研究了复合材料的复合机理。结果表明:高温压缩后的SiCp/Al复合材料的界面过渡层连续且厚度均匀,过渡层宽度减小了一个数量级;复合材料SiCp/Al界面结合机制包括扩散、位向和反应结合机制,复合材料SiCp/Al界面的这些结合机制,导致了增强相与基体之间很强的界面结合;复合材料的断裂方式为颗粒断裂,SiC增强颗粒与Al基体结合良好。     

无压浸渗法制备SiCp / Al 电子封装基板及其性能

采用无压浸渗法制备出电子封装用高体积分数SiCp/Al复合材料基板,研究了主要合金元素对浸渗过程的影响和SiC体积分数对复合材料热物理性能的影响.结果表明:合金中Mg元素能促进界面润湿,Si元素能减小有害界面反应的发生;随着SiC体积分数的增加,复合材料的热导率和线胀系数都呈下降趋势,当SiC体积分数为65%左右,热导率下降幅度减缓;当SiC体积分数为68%左右时,线胀系数显著降低.     

颗粒增强铝基复合材料微观损伤仿真及实验研究

SiCp/A356复合材料的宏观力学行为与其微观损伤机理密切相关.随着温度的升高,材料力学性能明显下降,SiCp/A356复合材料表现出的微观损伤机理不同.本文建立了球形SiC颗粒与铝基体组成的复合材料单元体计算模型,采用该模型对复合材料的微观损伤机理进行了仿真研究,分析得到的复合材料微观损伤机理与实验观测结果相吻合.在常温下复合材料的裂纹萌生以基体撕裂和颗粒断裂为主;高温下其裂纹萌生机制以颗粒脱离和基体撕裂为主.     

2.5D编织复合材料细观结构及弹性性能

基于对2.5D编织复合材料细观结构的观察,提出了结构上更稳定的三维力学模型,反映了2.5D编织复合材料的结构.针对该模型,推导了纤维体积分数与几何参数之间的关系,并采用刚度平均法和有限元法预测了2.5D编织复合材料的等效力学性能,分析了弹性常数随纤维体积分数以及经密、纬密的变化规律.两种方法的预测结果均表明,倾斜角对弹性性能影响并不显著,但对材料内部的细观应力场有较大影响.理论预测与有限元结果吻合较好,从而验证了模型的有效性.     

纤维增强钛基复合材料结构强度计算模型建立与修正方法

为了对SiC纤维增强钛基复合材料结构强度进行准确预测,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,对复合材料强度进行计算。建立了复合材料层合板的有限元仿真计算模型,对复合材料层合板在横向拉伸与压缩载荷作用下的损伤演化及失效强度进行预测,并进行试验验证。建立细观力学代表体积元（RVE）模型,对模型施加周期性边界条件,实现横向拉、压载荷下基体的应力集中系数以及失效强度的计算。考虑结构实际受载中,复合材料的界面开裂对横向强度的影响,对模型进行修正,分析界面开裂的过程,计算修正后模型的应力集中系数以及失效强度,修正后的模型预测精度提升6.51%,与试验值误差为24.17%,验证了纤维增强复合材料强度计算方法的有效性。     

基于细观结构的三维机织复合材料弹性性能的分析

三维机织复合材料具有复杂的细观结构,通过采用双凸透镜的几何形状来描述被压扁的纤维束横截面,引入细观结构和几何参数,建立了基于织物细观结构预测三维机织复合材料的纤维体积分数和弹性常数的方法。通过参数分析预测了结构和几何参数对三维复合材料弹性性能的影响。开发了一个具有友好界面的三维机织复合材料弹性性能的分析软件,为复合材料结构设计者选定适合的织物增强结构提供了有效的计算工具。理论计算结果与实验值的比较,表明了分析方法的正确性。     

纤维增强复合材料力学性能预测及试验验证

针对纤维均匀排布的单向纤维增强复合材料结构力学性能预测问题,基于复合材料细观力学有限元方法,研究建立了代表体积元(RVE)模型,并施加周期性边界条件,实现了纤维增强复合材料基本力学性能的预测。通过将应用上述RVE模型所获取的B/Al纤维增强复合材料力学性能预测结果与解析解和试验数据进行对比表明,施加周期性边界条件的RVE模型的力学性能预测结果与解析解和试验数据吻合良好,验证了所建立计算模型的有效性。基于单向连续纤维增强SiC/TC4复合材料板材的力学性能测试试验,获取了不同铺层方案结构的纵向/横向弹性模量和泊松比,得到的纵向/横向弹性模量计算值与各自试验值均值的误差均小于5%,表明弹性力学性能参数基本一致,计算模型具有合理性。      

纱线规格对3D机织复合材料拉伸性能的影响

为研究纬纱规格对3D层-层斜纹机织复合材料细观结构和力学行为的影响，开展了系统的实验研究。采用光学显微镜观察了不同纬纱规格复合材料的细观纱线结构变化。开展了不同纬纱规格复合材料的拉伸实验，采用数字图像相关法获得了拉伸试样的表面应变场，结合断口形状分析了复合材料的拉伸失效机制。研究表明，随纬纱规格增大，经纱卷曲率增大，经向纤维体积分数减少，经向拉伸力学性能减弱；纬纱卷曲率减小，纬向纤维体积分数增大，纬向拉伸力学性能增强。此外，3D机织复合材料拉伸应力-应变曲线表现出了明显的“台阶”效应，承载纱线的卷曲率越大，“台阶”效应越明显。     

高体份SiC_p/Al复合材料型芯法无压浸渗近净成形制备技术

选用表面热喷涂MgO涂层的铝合金型芯成功地实现了高体份SiCp/Al复合材料的无压浸渗近净成形制备。利用SEM,EDS,XRD等手段对SiCp/Al复合材料的组织结构、断口形貌和相组成进行了分析。分析结果表明:SiCp/Al复合材料与铝合金型芯之间无明显的异质界面相存在,浸渗复合过程中紧贴型芯处的SiC颗粒堆积体未发生过坍塌、溃散,颗粒分布均匀,表面涂层的存在使型芯很好地保持了形貌。型芯的使用不仅没有给复合材料带来成分的污染,通过测试、比较距离型芯约500μm处的复合材料与远离型芯的复合材料的弯曲强度、弹性模量、密度、线膨胀系数及热导率,证实了型芯的使用没有引起复合材料性能的劣化。另外,通过对型芯尺寸的合理控制,完全能够以无压浸渗法制备出型腔尺寸较为精准、形状规则的高体分SiCp/Al复合材料制件。