铜涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料组织与性能研究

摘要

本文首先采用化学镀方法在硼酸铝晶须表面涂覆金属铜(Cu)涂层，以6061Al合金为基体，利用挤压铸造方法制备了晶须体积分数为20％的硼酸铝晶须增强铝基复合材料。用扫描电镜(SEM)，透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等分析测试手段研究了金属涂层和复合材料的微观组织结构；并且用万能电子拉伸测试机、热膨胀测试仪、硬度等方法研究了复合材料的力学性能。
　　硼酸铝晶须因其高强度、高模量、低的热膨胀系数等优点而被作为增强体制备金属基复合材料。本文用正交设计法优化了硼酸铝晶须表面化学镀铜工艺，获得了Cu包覆硼酸铝晶须，分析了施镀参数与沉积速率之间的关系，并对镀覆层形貌进行了SEM观察。结果表明，镀液的pH值及稳定剂的含量对镀速的影响最为显著，晶须分散好、镀层比较均匀。
　　为了评价这种涂覆技术，制备了未涂覆晶须和涂覆晶须增强6061Al复合材料，并且在490℃固溶处理不同的时间。结果发现，铜涂层的引入改变了晶须增强铝基复合材料的界面状态，固溶处理对涂覆晶须ABOw/Cu/Al复合材料的界面结合状态有极为重要的影响。研究表明，在固溶处理过程中CuO与铝基体之间发生界面反应，虽然铜涂层不能完全阻止镁元素从基体向晶须表面的扩散、但是能明显抑制硼酸铝晶须和6061Al基体合金之间的界面反应，减少镁元素的损耗，这对后续的时效热处理是有利的。
　　由于铜颗粒在晶须表面上分布的不均匀性，特别是在铜含量最少的1Cu-30ABOw/Al复合材料中使得涂层复合材料中仍然存在MgAl2O4反应，但是反应产物MgAl2O4的尺寸和数量较小，随着铜含量的增加，涂层抑制MgAl2O4界面反应的效果更好，在铜含量最高的1Cu-15ABOw/Al和铜含量较高的1Cu-20ABOw/Al复合材料中无论是铸态还是固溶态都没有发现MgAl2O4，说明铜含量高的复合材料更容易阻止镁元素从基体向晶须表面的扩散。
　　在铸态条件下晶须表面上的界面相是不同的，对于产物中只含有Cu与Al的界面相而言，复合材料中Cu含量越多，金属间化合物中Cu就越多。
　　固溶处理对涂覆晶须ABOw/Cu/Al复合材料的抗拉强度有重要影响，但是对不同Cu含量的复合材料的影响规律又有所不同。在本文中，制备了四种涂覆晶须ABOw/Cu/Al复合材料，铜与硼酸铝晶须之间的体积比分别为1:15、1:20、1:25和1:30，未涂覆晶须增强铝基复合材料的抗拉强度随着固溶处理时间的增加先增加而后急剧降低，用1Cu-15ABOw/Al表示铜与硼酸铝晶须体积比为1:15时晶须增强6061铝基复合材料，其他类似。1Cu-15ABOw/Al复合材料的拉伸强度随着固溶处理时间的延长先大幅度升高后略有下降，1Cu-20ABOw/Al复合材料的拉伸强度随着固溶处理时间的延长先升高然后又下降，存在一个峰值；1Cu-25ABOw/Al和1Cu-30ABOw/Al两种复合材料的拉伸强度随着固溶处理时间的增加先升高而后趋于稳定。但是，对于1Cu-30ABOw/Al复合材料而言，不仅仅在铸态条件下拉伸强度最高，而且固溶处理后，拉伸强度升高，随着固溶时间改变小，性能稳定，说明少量的铜就有提高强度的效果。

目录

铜涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料组织与性能研究

MICROSTRUCTURE AND PROPERTIESOF ALUMINUM MATRIX COMPOSITESREINFORCED BY COPPER-COATEDAl18B4O33 WHISKERS

摘 要

Abstract

目 录

CONTENTS

第 1 章 绪 论

1.1 选题意义

1.2 晶须增强铝基复合材料的制备方法

1.2.1 挤压铸造法

1.2.2 无压浸渗法

1.2.3 粉末冶金法

1.3 硼酸铝晶须/铝复合材料的界面与界面反应

1.3.1 界面与界面化学反应

1.3.2 润湿性和润湿过程的表征

1.3.3 金属/陶瓷润湿过程的分类及特征

1.3.4 改善金属润湿性的主要技术方法及其特点

1.3.5 硼酸铝晶须增强铝基复合材料的界面反应

1.4 化学镀技术及其应用

1.4.1 化学镀技术

1.4.2 化学镀应用

1.5 本文主要研究内容

第 2 章 试验材料及试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法

2.2.1 涂覆晶须和复合材料的组织形貌观察

2.2.2 X 射线物相分析

2.2.3 复合材料的热处理

2.2.4 复合材料的拉伸性能测试

2.2.5 复合材料的热膨胀性能测试

2.2.6 复合材料的硬度测试

第 3 章 晶须表面化学镀铜涂层制备与结构

3.1 引言

3.2 化学镀铜涂层工艺、机理及微观组织

3.2.1 化学镀铜的基本原理

3.2.2 化学镀铜预处理工艺及表征分析

3.2.3 化学镀铜工艺表征及分析

3.2.4 稳定剂的含量对化学镀铜反应速率的影响

3.2.5 化学镀铜废液的处理

3.3 本章小结

第 4 章 表面涂覆晶须增强复合材料的界面结构

4.1 引言

4.2 复合材料的界面及其结构

4.2.1 复合材料的界面和界面反应

4.2.2 表面涂覆晶须增强复合材料的界面反应机理

4.3 本章小结

第 5 章 表面涂覆晶须增强复合材料的力学性能

5.1 引言

5.2 复合材料的拉伸性能

5.2.1 未涂覆复合材料的拉伸性能

5.2.2 涂覆复合材料的拉伸性能

5.3 复合材料的热膨胀性能

5.4 涂覆晶须对复合材料时效的影响

5.5 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

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历