Al_2O_3(YAG)/LaPO_4层状陶瓷复合材料研究

选择Al2O3(YAG)作为基体片层材料,LaPO4作为界面层材料,采用凝胶注模成型技术制备出基体层材料的坯片,然后在基体层坯片上采用浸渍或喷涂工艺附着界面层材料,最后将坯片叠置于模具中热压烧结.制备的陶瓷复合材料微观结构均匀,基体片层厚度为110-150μm,界面层厚度为10～30μm,实测层厚比为11.重点研究工艺参数及界面层成分对层状陶瓷复合材料室温性能的影响.结果表明,氧化物基层状陶瓷复合材料的抗弯强度比基体材料略有下降,但室温断裂韧性达到了13.52MPa·m1/2,是基体材料断裂韧性的3倍.对比氧化物基层状陶瓷复合材料与基体材料在断裂过程中裂纹扩展路径的差异.     

纤维C涂层对SiC_f/Ti6Al4V界面及拉伸性能的影响

通过对SiC纤维增强Ti6Al4V复合材料的拉伸试件断口与界面观察,研究了SiC纤维C涂层对基体与纤维元素扩散、界面反应层厚度与成分、拉伸断口的影响。结果表明,与纤维无C涂层的SiCf/Ti6Al4V相比较,有纤维C涂层的SiCf/Ti6Al4V界面结合强度较弱、反应层厚度较厚,涂层能有效防止纤维性能在复合过程中下降,提高了复合材料拉伸强度。     

基体合金相组成对硼化物增强镁锂基复合材料组织和性能的影响

采用原位合成法制备了硼化物增强Mg-Li基复合材料。针对基体为Mg-14Li-1Al-1Y的复合材料力学性能仍不能满足工业应用需求的缺陷,以Mg-9Li-1Al-1Y镁锂合金为基体制备了硼化物增强镁锂基复合材料(其成分为(Mg-9Li-1Al-1Y)-6B_4C)。研究了Li含量对基体合金和复合材料组织和性能的影响。试验结果表明:合金Mg-9Li-1Al-1Y与合金Mg-14Li-1Al-1Y相比,其双相区组织晶粒更加细小,各力学性能均有所提高。(Mg-9Li-1Al-1Y)-6B_4C复合材料与Mg-9Li-1Al-1Y合金相比,硬度提高了66%,抗拉强度提高了31.33%,伸长率降低了15.5%。(Mg-9Li-1Al-1Y)-6B_4C与(Mg-14Li-1Al-1Y)-6B_4C相比,屈服强度降低了15.4%,硬度提高了29.3%,抗拉强度和伸长率基本保持不变。以上试验结果表明:随着Li含量的降低复合材料的力学性能没有得到提高,没有实现基体合金强度增加从而相应复合材料强度增加的试验预期,说明相比镁锂基复合材料强化机制中第二相强化与细晶强化的作用,基体强化作用较弱难以体现。     

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。     

二维叠层C/SiC复合材料低能量冲击损伤实验

C/SiC复合材料是航空航天器中的耐高温材料,其服役环境存在低能量冲击源且关于此类冲击事件的研究相对较少。本文主要采用落锤冲击系统性地揭示2D叠层C/SiC复合材料平板的抗低速低能量冲击性能,通过改变冲击能量考核不同单层厚度和平板厚度的抗冲击性能变化,并利用CT技术进行冲击后无损检测,分析结构内部细观损伤。结果表明：冲击载荷下,C/SiC复合材料按冲击载荷变化可分为线性、屈服和回弹3个阶段;典型冲击损伤形式包含局部压溃、分层、纤维断裂及基体微裂纹;同等结构厚度,单层厚度越大C/SiC复合材料平板冲击变形和冲击损伤越小,冲击阻抗值越高;同等单层厚度下,结构总厚度较大的C/SiC复合材料平板冲击损伤较小,冲击阻抗较大。因此,C/SiC复合材料的预制体层数与结构厚度对低能量冲击源较为敏感,且减小单层厚度及增加结构总厚度可明显提高其抗冲击性能。     

Al2O3/YAG共晶自生复合陶瓷的激光熔凝实验研究

开展了Al2O3/YAG共晶自生复合陶瓷的激光熔凝制备技术的实验研究,研究结果表明(1)激光扫描速率与功率密度的匹配对激光熔凝实验起着决定性的作用.调整工艺参数,可以获得表面光滑、平整、致密的熔凝层,且无宏观孔隙及裂纹.随扫描速率的增大,熔凝层变薄;(2)激光熔凝Al2O3/YAG共晶自生复合陶瓷由Al2O3相和YAG相两相组成,具有典型的快凝层状共晶组织,共晶间距非常细小.     

TiAl合金表面激光重熔Al_2O_3-13wt%TiO_2复合陶瓷涂层组织结构

采用等离子喷涂和激光重熔复合工艺在TiAl合金表面制备了Al2O3-13wt%TiO2复合陶瓷涂层.为了减少重熔层裂纹等缺陷,采用较低的激光功率和能最密度进行重熔.用扫描电镜(SEM),能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析了涂层形貌、微观结构和相组成.结果表明,经过激光重熔处理后,陶瓷涂层颗粒细化,片层状组织得以消失,致密性提高,获得了基本没有裂纹等缺陷的重熔层;激光重熔亚稳相γ-Al2O3转变为稳定相α-Al2O3;由于陶瓷材料导热系数较低的影响,激光重熔时无法使整个陶瓷层实现重熔,重熔后的陶瓷涂层形成了晶粒细小的等轴品重熔区、烧结区以及片层状残余等离子喷涂区.     

Al_2O_3-ZrO_2-MgAl_2O_4三元纳米复相陶瓷的微观组织和力学性能

采用溶胶-凝胶法制备Al2O3-ZrO2-MgAl2O4纳米复合粉体.利用真空热压烧结技术制备了Al2O3-30mol%ZrO2-30mol%MgAl2O4(AZ30S30)三元纳米复相陶瓷.微观组织研究表明:所得纳米复相陶瓷是一种典型的"晶间/晶内"复合型纳米结构,基体氧化铝和第二相均为等轴状,氧化铝晶间散布着氧化锆和尖晶石第二相晶粒,同时有大量的球形氧化锆小颗粒分散在基体氧化铝晶粒内.对不同晶粒尺度复相陶瓷的断裂韧性测试及纳米压痕实验表明:微米级复相陶瓷的最大硬度为22GPa,而纳米复相陶瓷具有更好的力学性能,其硬度随着晶粒尺寸的减小而增加,最大可达35GPa.微米级复相陶瓷的断裂韧性为8.9MPa·m1/2,而纳米复相陶瓷的断裂韧性为10.04MPa·m1/2,其增韧机理主要为ZrO2相变复合增韧、"内晶"型纳米颗粒韧化以及细晶韧化.     

ZrO2对C/Al2O3陶瓷多功能复合材料性能的影响

采用基体改性的方法,向AlCl3溶胶中添加ZrO2粉,制得含ZrO2的C/Al2O3复合材料,探讨了添加ZrO2对C/Al2O3多功能复合材料性能的影响.结果表明添加少量的ZrO2,可产生基体的相变及在基体内产生微裂纹,这可改善C/Al2O3陶瓷基体间界面性能,提高材料强度,降低材料热导率.同时对ZrO2添加量进行了优化处理,最终确定ZrO2的最佳含量为1%(质量分数),使材料强度值提高39%,材料热导率降低至0.902 W/(m·K)以下.     

γ-TiAl金属间化合物合金激光表面合金化组织与摩擦学性能

分别利用预涂活性碳粉和 Ti C粉 2种方法对γ-Ti Al基合金 Ti-4 8Al-2 Cr-2 Nb进行激光表面合金化,制得了无裂纹、表面光滑、内部组织致密、厚度可达 1.6mm以上的、以硬质 Ti C树枝晶为增强相的快速凝固“原位”金属基耐磨复合材料表面改性层,分别采用 OM,SEM,EDS,XRD等方法分析了激光合金化耐磨表面改性层的显微组织,分别在销 -环滑动磨损、Si C纤维刷式高速滑动磨损及微动磨损条件下评价了激光表面改性层的摩擦学性能。结果表明 :采用上述 2种方法所获激光表面合金层组织均匀、与基体间结合为完全冶金结合,合金层硬度及在 3种磨损条件下的耐磨性均大幅度提高。激光表面合金化是提高γ-Ti Al合金摩擦性能的一种很有前途的表面改性方法     

准静态加载下陶瓷基复合材料层合板应力-应变曲线的模拟

采用细观力学方法来模拟纤维增强陶瓷基复合材料层合板在准静态加载下应力-应变行为.采用层合板修正剪滞模型分析复合材料出现损伤时的细观应力场,通过临界基体应变能准则、Nair脱粘准则确定基体裂纹间隔和界面脱粘长度.最后结合剪滞模型和损伤机制模拟陶瓷基复合材料层合板应力-应变曲线,并与试验数据进行比较,结果吻合较好.      

多重纳米结构轻质高强铝基复合材料的制备和组织性能

为了研究多重纳米结构对块体材料强化和变形能力的影响机制,采用粉末冶金法制备了多重纳米结构的B4C颗粒增强铝基复合材料,并对复合材料的强化和形变破坏机制进行了定量和定性的讨论。由100%球磨复合粉末制备的块体复合材料的室温压缩强度为670MPa;当加入10vol%气雾化态的Al2024粉末后,复合材料的室温压缩强度升高到1.115GPa;之后随着气雾化态Al2024粉末含量的增加,复合材料的强度逐渐下降,但是没有产生明显的塑性变形;当气雾化态Al2024粉末的含量增加到50vol%时,复合材料的压缩强度下降到580MPa,断裂前变形率达到了10%。扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)的分析结果显示,亚微米级的B4C颗粒、位错以及纳米晶基体分别通过Orowan强化、位错强化和细晶强化机制对复合材料进行强化;粗晶Al2024区域与复合结构区域的比例显著影响复合材料的形变及破坏机制。     

含裂纹板的复合材料胶贴修补分析

 对以纤维增强复合材料为补钉的含裂纹金属板的胶贴修补采用8结点等参元计算了胶贴修补后裂纹前缘应力强度因子及胶层剪应力分布等,并就补钉位置、刚度比及胶层厚度等因素对止裂效果的影响作了分析研究。通过修补前后裂纹扩展速率对比试验,验证了本文计算方法的正确性。方法及结论为实际结构的复合材料胶贴修补提供了理论依据。     

Cf/Al复合材料化学镀Ni-P的研究

采用化学镀Ni-P合金的方法在Cf/Al复合材料表面镀覆一层防腐蚀镀层,用SEM、EDS、XRD,镀层结合力测试考察了镀层质量,用3.5%（质量分数）NaCl溶液浸泡测试腐蚀速率。结果表明,二次浸锌的化学镀前处理工艺,可在Cf/Al复合材料表面镀上均匀的Ni-P合金镀层;镀层结合力测试表明镀层与基体结合良好;镀层成分主要是镍元素,含有少量磷,磷元素主要以Ni3P方式存在;3.5%NaCl溶液浸泡腐蚀实验表明,没镀镍的Cf/Al复合材料的腐蚀严重损伤了基体,而镀镍的Cf/Al复合材料腐蚀发生在镀层表面,不会造成基体损伤。在Cf/Al复合复合材料表面镀覆一层防腐蚀的Ni-P镀层可以在原电池反应中阻挡金属铝的离子导电路径,铝电离的可能性大大减小,明显延缓碳和铝之间的电化学反应发生,提高了Cf/Al复合材料的防腐蚀能力,延长了C/Al复合材料的使用寿命。     

13Cr4Mo4Ni4VA钢复合硬化层的表征研究

对渗碳硬化13Cr4Mo4Ni4VA钢进行渗氮处理后形成复合硬化层,采用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射、透射电镜、高分辨电镜、电子探针及显微硬度测试等方法对复合硬化层进行表征。结果表明,复合硬化13Cr4Mo4Ni4VA钢渗层碳氮浓度呈梯度分布,从表面到心部组织性能也呈梯度变化,表现出异于传统硬化工艺的组织结构特性。复合硬化层为双层硬化结构,渗氮层组织优异,少无沿晶化合物,析出细小的片状的Mo2N、周期性层状分布的Mo2C以及Cr2(C,N)等合金碳(氮)化合物,在析出相沉淀硬化和碳氮原子固溶强化共同作用下,使复合硬化层表面硬度达到超硬化(70HRC),有效硬化层维持很大的层深,具有优异的硬度梯度及残余压应力场。     

铝合金搅拌摩擦加工原位反应生成物颗粒增强机制

在1100-H14铝合金基体表面开凹槽添加Ni粉进行搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing,FSP),利用Ni粉在搅拌过程中的碎化及其与基体的原位反应生成的高强、高硬的金属间化合物制备强化的表面复合层。结果表明,不同于添加陶瓷颗粒的FSP工艺,Ni颗粒能在搅拌过程中充分碎化,并与铝基体原位合成金属间化合物,原位自生的增强体颗粒与基体是以金属键合的方式结合在一起,因此与基体金属间具有良好的界面相容性和界面结构,能够很大程度上改善颗粒的强化效果。增强颗粒与基体结合界面的性质对复合层硬度的影响非常显著,为了提高复合层硬度,提出了通过原位反应获得颗粒/基体的高强界面的模型。     

不同基体碳对单向C/C复合材料导热性能的影响

研究了不同基体碳结构对C/C复合材料导热性能的影响.结果表明:树脂碳与光滑层热解碳相比,树脂碳与碳纤维C2结合紧密,热处理过程中应力石墨化明显,而光滑层热解碳与碳纤维C2结合疏松,存在明显的界面裂纹,热处理过程中应力石墨化不明显.随着热处理温度的升高,树脂碳基体更有利于材料的热传导.     

Al-TiO2-C系原位合成铝基复合材料高温拉伸性能及断裂机理

讨论了Al-TiO2-C反应系原位反应合成铝基复合材料的常温和高温拉伸性能及其断裂机理.当C/TiO2摩尔比为0时,增强相由α-Al2O3和Al3Ti组成,随C/TiO2摩尔比的增加,Al3Ti逐渐减少,在C/TiO2摩尔比为1时,Al3Ti基本消失.室温抗拉强度和延伸率随C/TiO2摩尔比的增加而同步提高,分别由250.4 MPa和4.0%上升到350.8 MPa和6.0%.SEM观察发现有的Al3Ti自身解理开裂,并在四周形成较大韧窝,拉伸时裂纹核可在Al3Ti棒中和基体中α-Al2O3的聚集处形成,并分别在棒的解理面和基体中扩展引起断裂.高温时,热错配应力促使裂纹核先于基体在Al3Ti棒与基体的界面萌生扩展,Al3Ti从基体中脱离,断口出现洞坑,C/TiO2摩尔比为1的复合材料在727K时,拉伸强度降为93.3MPa,延伸率升为11.0%.     

激光熔覆制备TC4基复合药型罩材料的力学性能

为了提高TC4药型罩的侵彻性能,将激光熔覆制备工艺用于TC4复合药型罩材料的制备。选用TA15+30%(质量分数,下同)TiC粉、TA15+20%Cr_3C_2粉和TA15+15%B_4C粉作为TC4基体的熔覆材料。采用XRD、扫描电镜和显微硬度测试、准静态压缩实验、SHPB动态压缩实验以及3点弯曲实验方法,研究熔覆层与基体界面处微观形貌、熔覆层硬度变化情况以及3种复合材料的力学性能。结果表明:TC4基体与3种材料都能形成完全冶金结合,TC4-(TA15+TiC),TC4-(TA15+Cr_3C_2)和TC4-(TA15+B_4C)材料的强度均高于TC4基体材料,塑性略差;TC4-(TA15+TiC),TC4-(TA15+Cr_3C_2)材料的抗弯强度分别为168 MPa,101 MPa,均高于TC4基体材料的45 MPa。     

高性能铝基复合材料的颗粒分布及界面结合

采用常规粉末冶金和高能球磨粉末冶金法制备了B4Cp/Al复合材料，研究了B4C颗粒分布与界面结合特点、形成机制以及对材料性能的影响。结果表明，17％（体积分数）B4Cp/6061Al复合材料的屈服和抗拉强度分别为415MPa和470MPa，比常规粉末冶金复合材料分别提高了69％和70％。微观分析表明，高能球磨粉末冶金复合材料中B4C颗粒均匀分布、颗粒与基体之间存在近百纳米厚度的界面层，界面层由呈带状且有序分布的微细铝晶粒和弥散分布的纳米颗粒组成。高能球磨过程中，铝粉末在钢球表面形成冷焊层，B4C不断被挤入而均匀化是实现颗粒均匀分布的主要机制；球磨过程中铝粉末表面氧化层破碎暴露出新鲜铝表面且与镶嵌与铝粉末中的B4C颗粒形成界面结合是获得良好界面结合复合材料的重要条件