硼酸镁晶须增强铝基复合材料的制备及性能研究

摘要

随着国民经济和国防工业的快速发展，国防、民用等各大行业对金属结构材料提出了更多的要求，金属基复合材料由于比强度、比刚度和热稳定性方面具有良好的性能，引起了人们的广泛关注。本文以硼酸镁晶须为增强体，采用挤压铸造法制备了硼酸镁晶须增强铝基复合材料(简写为MBOw/Al)。针对材料的制备以及力学及热膨胀性能开展系统性研究，探讨其制备工艺及变形机理，揭示了影响复合材料工艺性能与材料性能的因素，并对复合材料的高温塑性变形行为和热膨胀变形行为进行了研究。
　　采用化学沉淀法实现了硼酸镁晶须表面氧化物涂覆改性，有效提高了硼酸镁晶须预制体的抗变形能力。微观组织分析结果表明，硼酸镁晶须在复合材料中保持了完整的晶须形态，从而对基体实现了良好的增强效果。涂覆在晶须表面的金属氧化物有效的提高了晶须预制体的强度，随着涂层含量的增加预制体的强度也随之增大。合适的金属氧化物涂层能够提高复合材料的工艺性能与材料性能，从而优化挤压铸造法制备复合材料的工艺。
　　制备的硼酸镁晶须增强铝基复合材料的抗拉强度最高达到330MPa、弹性模量为107GPa，相比基体纯铝有了较大提高。通过不同时间的退火处理可以有效提高硼酸镁晶须增强铝基复合材料的拉伸性能。不同热处理工艺的复合材料断裂机制相同，均为晶须从基体中拔出和脱粘的形式断裂，但是，热处理可以有效松弛复合材料中的残余拉应力，从而使材料抗拉强度提高，不过随着热处理时间增加基体晶粒会逐渐长大，又会导致复合材料抗拉强度略有下降。
　　硼酸镁晶须增强铝基复合材料的高温压缩实验表明，复合材料的流变应力受到变形温度和应变速率的共同影响，随着变形温度的升高和应变速率的降低，流变应力呈下降趋势。复合材料整体的塑性变形行为主要为铝基体的塑性变形以及晶须转动时的相互协调作用，当晶须因为应力持续增大而发生折断时，复合材料的塑性变形行为发生明显变化，即应变软化现象，这种现象受温度影响明显，温度越低应变软化现象越明显，相应的当复合材料热变形温度较高时，由于基体软化导致晶须转动变的容易，晶须折断率降低，应变软化程度也明显降低。
　　硼酸镁晶须增强铝基复合材料的热膨胀实验表明，基体内部残余应力是影响硼酸镁晶须增强铝基复合材料热膨胀系数的重要因素。当温度升高的时候，复合材料基体金属发生软化现象，材料内部残余应力得到松弛，热膨胀系数升高，在100℃左右趋于稳定，热膨胀系数值约为15×10-6/℃，随后呈现缓慢增长的趋势，在350℃时复合材料的热膨胀系数约为18×10-6/℃。但是当对复合材料采取长时间退火工艺时，由于基体晶粒会随温度升高而长大，在残余应力和热应力的共同作用下，复合材料的热膨胀系数又出现降低的趋势。由于热应力是随外界温度变化而自然改变的因素，因此复合材料内部的残余应力是影响硼酸镁晶须增强铝基复合材料热膨胀变形规律的重要因素。

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第1章绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 金属基复合材料研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章实验材料与方法

2.1 硼酸镁晶须预制体

2.2 硼酸镁晶须增强铝基复合材料

2.3 硼酸镁晶须增强铝基复合材料高温压缩行为

2.4 硼酸镁晶须增强铝基复合材料热膨胀行为

2.5 结构表征与性能测试

第3章硼酸镁晶须增强铝基复合材料的制备及力学性能

3.1 硼酸镁晶须预制体的制备及力学性能

3.2 硼酸镁晶须增强铝基复合材料的力学性能

3.3 硼酸镁晶须增强铝基复合材料微观组织

3.4 硼酸镁晶须增强铝基复合材料的织构演变

3.5 本章小结

第4章硼酸镁晶须增强铝基复合材料的高温压缩变形研究

4.1 硼酸镁晶须增强铝基复合材料的高温压缩变形

4.2 硼酸镁晶须增强铝基复合材料高温压缩的微观组织演变

4.3 硼酸镁晶须增强铝基复合材料的热变形本构方程

4.4 本章小结

第5章硼酸镁晶须增强铝基复合材料的热膨胀行为研究

5.1 温度对硼酸镁晶须增强铝基复合材料热膨胀行为的影响

5.2 晶须对硼酸镁晶须增强铝基复合材料热膨胀行为的影响

5.3 硼酸镁晶须增强铝基复合材料的热膨胀机理

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及科研成果

致谢