双连续相Ti3AlC2/Cu复合材料的制备及摩擦学性能研究

摘要

三元层状碳化物陶瓷材料Ti3AlC2具有金属和陶瓷的优良性能，将其以某种方式与Cu进行复合，有望制备综合性能优良的Cu基复合材料。本论文首先探索制备了高纯多孔Ti3AlC2预制体，并通过研究无压浸渗工艺，制备了高性能的双连续相Ti3AlC2/Cu复合材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)等手段研究了不同工艺下制备的复合材料的相组成及微观结构变化，测试了其力学性能及摩擦学性能，并初步探讨了复合材料显微结构与性能之间的关系。
　　研究结果表明:
　　(1)以Ti粉、TiC粉、Al粉和Sn粉为原料，通过原位反应烧结法，在1380℃和1450℃烧结温度下保温10min，制备出高纯度的多孔Ti3AlC2预制体。两种工艺下制备的预制体显气孔率分别为54％±3.2％和42％±2.1％。
　　(2)在1170℃，不同保温时间下对多孔Ti3AlC2预制体进行无压浸渗Cu，得到了高致密的双连续相Ti3AlC2/Cu复合材料。无压浸渗过程中，Cu与Ti3AlC2在高温下将部分发生反应，部分Ti3AlC2颗粒分解生成了TiCx颗粒，而Al则进入基体Cu中形成Cu(Al)固溶体，TiCx与Cu(Al)基体形成强结合界面。复合材料中陶瓷骨架和金属骨架相互交错，各自呈三维网络连续分布，二者界面结合牢固。
　　(3)采用无压浸渗方法制备得到的双连续相Ti3AlC2/Cu复合材料具有良好的力学性能。其中，气孔率为54％的多孔Ti3AlC2预制体在1170℃浸渗Cu液，保温时间为2.5h得到的双连续相Ti3AlC2/Cu复合材料的抗压强度达到了1033MPa，断裂应变为25.3％，弯曲强度也达到了810.48MPa，断裂韧性KIC值为15.02 MPa·m1/2。
　　(4)浸渗保温时间及预制体气孔率对复合材料有显著的影响。浸渗时间较短时，熔融的Cu不能充分浸入Ti3AlC2预制体的孔隙。随着浸渗保温时间的延长，材料的致密度逐渐增加，综合性能也随之提高;气孔率增大，复合材料更多地偏向金属特性;反之，则偏向陶瓷特性。
　　(5)双连续相Ti3AlC2/Cu复合材料具有优良的摩擦磨损特性。特别是在高速30m/s滑动速度下，其摩擦系数为0.35左右，而磨损率不超过2.5×10-6mm3/N·m。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 铜基复合材料的研究现状

1．2．1 金属基复合材料简介

1．2．2 铜基复合材料简介

1．2．3 铜基复合材料的分类及性能

1．2．4 铜基复合材料的制备方法

1．3 Ti3AlC2材料的研究现状

1．3．1 Ti3AlC2材料的简介

1．3．2 Ti3AlC2材料的制备工艺

1．3．3 Ti3AlC2陶瓷材料增强铜基复合材料的研究

1．4 双连续相金属陶瓷复合材料的研究现状

1．4．1 双连续相金属陶瓷复合材料的制备方法

1．4．2 双连续相金属陶瓷复合材料的性能研究

1．5 研究目标与内容

1．5．1 研究目标

1．5．2 研究内容

2 实验方法

2．1 材料的制备

2．1．1 实验原料

2．1．2 多孔Ti3AlC2预制体的制备

2．1．3 双连续相Ti3AlC2／Cu复合材料的制备

2．2 相组成与显微结构分析

2．2．1 相组成分析

2．2．2 显微结构分析

2．3 性能测试

2．3．1 气孔率测试

2．3．2 密度测试

2．3．3 硬度测试

2．3．4 压缩性能测试

2．3．5 弯曲强度测试

2．3．5 断裂韧性测试

2．4 摩擦磨损试验

2．4．1 实验设备及条件

2．4．2 摩擦表面的观察与分析

3 多孔Ti3AlC2预制体的制备

3．1 相组成与显微结构分析

3．1．1 相组成分析

3．1．2 显微结构分析

3．2 预制体气孔率的测试与分析

3．3 本章小结

4 双连续相Ti3AlC2／Cu复合材料的制备与显微结构表征

4．1 相组成分析

4．2 显微结构分析

4．2．1 浸渗保温时间对复合材料显微结构的影响

4．2．2 不同气孔率的预制体浸渗后复合材料的显微结构

4．3 本章小结

5 双连续相Ti3A1C2／Cu复合材料的性能研究

5．1 力学性能

5．1．1 密度测试与分析

5．1．2 硬度

5．1．3 压缩特性

5．1．4 弯曲特性

5．1．5 断裂韧性

5．2 摩擦磨损特性

5．2．1 法向载荷和滑动速度对复合材料摩擦磨损性能的影响

5．2．2 摩擦面微观形貌分析

5．3 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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