仪表级SiC/Gr/Al复合材料制备与性能研究

摘要

本文以惯性仪表为应用背景，在SiC/Al复合材料的基础上以易加工、高比刚度、低膨胀、高阻尼及高尺寸稳定性等性能为目标进行了材料设计，通过添加3％～7%，1μm～70μm的鳞片状石墨的手段获得上述性能。采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、体式显微镜、摩擦磨损试验机、原子力显微镜(AFM)、切削力测试仪、热膨胀仪、电子拉伸机、硬度计、X射线衍射仪(XRD)和内耗仪等手段研究了石墨的加入对SiC/Gr/Al复合材料微观组织、力学性能、加工性能和尺寸稳定性的影响，并深入探讨了其影响机理。
　　根据化学稳定性和润滑性能要求，选择具有固体润滑性质的石墨作为添加颗粒，并采用固体润滑的相关理论分析了减磨机制。通过H-S模型和混合定律确定了石墨润滑剂的上限值7.2%。定性分析了影响复合材料尺寸稳定性的的各种因素。综合考虑石墨对加工性能、力学性能和尺寸稳定性的影响，提出了SiC/Gr/Al复合材料的设计原则。
　　TEM观察表明，SiC-Al和Gr-Al界面都未观察到界面反应物，这与制备工艺相关，同时Gr-Al界面未生成界面反应物与高的石墨化率相关。石墨与基体为弱界面结合，且片层间容易滑移，在材料制备和热处理过程中石墨可以释放微观应力，这使得SiC/Gr/Al复合材料中位错密度较低或形成亚晶界；同时，依赖位错形核的析出相密度也相应降低。
　　SiC/Gr/Al复合材料的热膨胀系数介于11.5～13×10-6/℃之间，可以与轴承钢的热膨胀系数(12～13×10-6/℃)较好的匹配，阻尼性能达到铝合金的2～6倍左右，满足仪表级复合材料对热膨胀匹配及高阻尼性能的需求。
　　石墨体积分数增加，颗粒间距减小，基体连续性破坏，SiC/Gr/Al复合材料的拉伸强度显著降低。SiC/Gr/Al复合材料的断裂方式以石墨片层间或石墨/基体界面的脆性断裂为主，但SiC+Al基体中具有一定的塑性变形特征；根据断口分析将SiC+Al看成基体，石墨作为增强体，采用H-S模型SiC/Gr/Al复合材料的弹性模量进行预测，准确度可达到实际值的93.5%。
　　通过摩擦磨损试验对刀具/复合材料摩擦副切削过程中的摩擦状况进行分析，揭示了SiC/Gr/Al复合材料表面磨擦过程中固体润滑膜的生成是其摩擦系数和磨损率降低的主要原因。进一步通过润滑理论对减磨机理进行分析，认为在摩擦副之间既使润滑膜不完整或极薄也能起到减磨作用.
　　石墨添加通过降低复合材料的强度和硬度，有利于切屑形成及石墨的固体润滑性质三种机制改善SiC/Gr/Al复合材料的加工性能。刀具磨损与石墨加入的体积分数相关，与粒径关系不大，但切削力的大小受石墨粒径影响较大。石墨的加入没有改变SiC/Al复合材料切削过程背向力大于主切削力的特点。
　　尺寸稳定性的研究表明:石墨的加入有利于材料的尺寸稳定提高，主要原因粒径为6μm,体积分数为5%石墨颗粒的加入使SiC/Al复合材料的宏观应力降低30%，微观应力降低20%，满足应力的稳定性，同时石墨的加入促进了位错结构的稳定化。无负载下的尺寸稳定性和微屈服强度综合考虑，确定A+TCC(0)为提高SiC/Gr/Al复合材料尺寸稳定性的最佳热处理工艺。
　　本文基于仪表级复合材料的性能要求设计了SiC/Gr/Al复合材料，并找到了合适的热处理工艺。在添加高纯石墨颗粒(粒径:6μm，体积分数:5%)的SiC/Gr/Al复合材料，刀具寿命提高40%，弹性模量保持在150GPa，σ0.0001达到333MPa，变温的尺寸性稳定性低于0.61×10-6，满足惯性仪表材料的性能需求。

目录

仪表级 SiC/Gr/Al 复合材料制备与性能研究

FABRICATION AND PROPERTIES OF INSTRUMENT GRADE SiC/Gr/Al COMPOSITES

摘 要

Abstract

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 惯性仪表介绍及影响精度的因素分析

1.2.1 惯性仪表概述

1.2.2 影响惯性仪表精度的因素

1.3 SiC/Al复合材料的切削加工研究现状

1.3.1 刀具材料的选择及经济性评价

1.3.2 刀具的主要失效形式

1.3.3 影响刀具磨损的因素

1.3.4 影响切削力和切削温度的因素

1.3.5 影响加工表面形貌的因素

1.4 复合材料的尺寸稳定性研究

1.4.1 尺寸稳定性的表征及影响因素

1.4.2 尺寸稳性定的热处理工艺

1.5 本文的研究目的和主要研究内容

第2章 材料和试验方法

2.1 试验用材料

2.2 热处理工艺

2.3 试验方法

2.3.1 刀具磨损测试

2.3.2 切削力测试

2.3.3 精加工测试

2.3.4 摩擦磨损测试

2.3.5 残余应力测试

2.3.6 拉伸性能测试

2.3.7 微变形抗力测试

2.3.8 尺寸稳定性测试

2.3.9 显微组织分析

2.3.10 阻尼性能测试

第3章 SiC/Gr/Al复合材料的设计制备 及显微组织特征

3.1 惯性仪表对材料性能的要求

3.2 易加工仪表级复合材料的设计

3.2.1 易加工复合材料的减磨设计

3.2.2 模量设计

3.2.3 尺寸稳定性设计

3.3 原材料的选择

3.3.1 基体的选择

3.3.2 增强体的选择

3.4 SiC/Gr/Al复合材料的制备

3.4.1 混粉工艺

3.4.2 复合材料的制备

3.5 微观组织结构

3.5.1 SEM形貌观察

3.5.2 石墨晶体结构和形貌

3.5.3 界面特征

3.5.4 基体的微观组织特征

3.6 本章小结

第4章 SiC/Gr/Al 复合材料的力学性能

4.1 引言

4.2 SiC/Gr/Al 复合材料的力学性能

4.2.1 SiC/Gr/Al 复合材料的硬度

4.2.2 SiC/Gr/Al 复合材料的拉伸强度

4.2.3 SiC/Gr/Al 复合材料的弹性模量

4.2.4 SiC/Gr/Al 复合材料的静态断裂行为

4.2.5 SiC/Gr/Al 复合材料的拉伸强度和弹性模量的关系

4.2.6 SiC/Gr/Al 复合材料力学性能的工程意义

4.3 本章小结

第5章 SiC/Gr/Al 复合材料的切削加工性能

5.1 引言

5.2 刀具/ SiC/Gr/Al 复合材料摩擦副的摩擦磨损研究

5.2.1 复合材料切削过程中的摩擦特点及研究方法

5.2.2 SiC/Gr/Al 复合材料的摩擦磨损性能

5.2.3 SiC/Gr/Al 复合材料的减磨机理

5.3 SiC/Gr/Al 复合材料易切削机理研究

5.3.1 刀具磨损

5.3.2 切削力

5.3.3 表面粗糙度

5.4 石墨改善复合材料加工性能的机理讨论

5.5 本章小结

第6章 SiC/Gr/Al 复合材料的尺寸稳定性

6.1 引言

6.2 热处理工艺对宏观残余应力的影响

6.2.1 时效工艺对宏观残余应力的影响

6.2.2 冷热循环工艺对宏观残余应力的影响

6.3 热处理工艺对微观组织的影响

6.3.1 时效工艺的微观组织特征

6.3.2 冷热循环工艺的微观组织特征

6.4 石墨对残余应力和微观组织的影响

6.4.1 石墨对宏观残余应力和微观组织的影响

6.4.2 石墨对微观残余应力的影响

6.5 SiC/Gr/Al 复合材料的尺寸稳定性及影响机制

6.5.1 冷热冲击条件下 SiC/Gr/Al 复合材料的尺寸稳定性

6.5.2 SiC/Gr/Al 复合材料的尺寸稳定性影响机制讨论

6.6 SiC/Gr/Al 复合材料的微屈服行为

6.6.1 热处理工艺对微屈服强度的影响

6.6.2 SiC/Gr/Al 复合材料微塑性变形机制分析

6.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致谢

个人简历