爆炸压实非晶颗粒增强铝基复合材料及其力学性能研究

摘要

颗粒增强铝基复合材料具有优良的高温力学性能、低的热膨胀系数和优良的耐磨性，被广泛用作高性能结构材料，可提高结构安全性，或优化结构设计。目前广泛选用的增强体材料是陶瓷颗粒，如SiC、Al2O3、B4C及石墨等。但陶瓷增强相与金属基体的热扩散系数相差很大，与之相比，作为金属成分的非晶合金与金属基体更相容，可以形成较强的界面结合力，因此有望作为陶瓷潜在的替代品而成为颗粒增强铝基复合材料中的主要增强体。 本文采用爆炸力学中的粉末爆炸压实法成功制备了非晶颗粒增强铝基复合材料，从宏细观的角度对其制备的相关理论进行了研究，并对其准静态力学性能进行了初步的研究，得到了复合材料的应力-应变曲线，与纯铝及传统的陶瓷颗粒增强铝基复合材料相比，非晶颗粒增强铝基复合材料具有更为优良的力学性能。 第一章：介绍了本文的研究对象、研究背景和研究方法，从颗粒增强铝基复合材料的研究历史、制备方法和性能及应用等方面综述了国内外相关研究的进展。 第二章：从宏细观角度出发，对非晶颗粒增强金属基复合材料制备的相关理论进行了研究，对钨钛混合粉末进行了爆炸压实，并采用有限元方法对压实过程进行了数值仿真，基于理想流体对称碰撞模型对爆炸焊接流场驻点近区的角变形进行了计算。 第三章：非晶颗粒增强铝基复合材料的爆炸压实制备的实验研究。成功制备了非晶颗粒增强铝基复合材料，对实验结果进行了分析和测试，利用X射线衍射仪（XRD）、差热分析（DTA）及扫描电子显微镜（SEM）等分析测试方法对复合材料的成分、结构及界面结合状态等进行了检测、分析。 第四章：采用Instron3367万能材料试验机对非晶颗粒增强铝基复合材料的准静态压缩力学性能进行了研究。采用自洽理论对复合材料的等效弹性模量进行了预测；采用LS-DYNA有限元程序对非晶颗粒增强铝基复合材料的细观力学性能进行了数值模拟，理论配合数值模拟，对非晶颗粒的增强机理进行了探讨。 第五章：对爆炸压实过程中混合粉末的冲击温升及细观传热进行了计算和分析。结果表明：爆炸压实过程中，非晶颗粒整体温升不会导致晶化，但颗粒表层会有晶化层的存在。非晶颗粒的诸多优良的性能能够得到保持，证明了爆炸压实法制备非晶颗粒增强复合材料的有效性。 第六章：总结了研究结果，并给出了下一步研究工作的建议。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1颗粒增强铝基复合材料的制备方法

1.2.2颗粒增强铝基复合材料的性能及应用

1.2.3非晶颗粒增强铝基复合材料的研究进展

1.2.4爆炸压实技术的研究进展

1.3本文工作及特色

2非晶颗粒增强复合材料的爆炸压实制备的相关理论

2.1 复合材料爆炸压实制备的相关理论

2.1.1多孔材料的冲击状态方程

2.1.2爆炸粉末压实宏观机理

2.1.3爆炸粉末压实细观机理

2.2混合粉末的冲击绝热线

2.2.1多孔材料的冲击绝热线

2.2.2混合粉末的冲击绝热线

2.3粉末材料的加卸载状态方程

2.3.1粉末材料的爆炸压实加载状态方程

2.3.2粉末爆炸压实的等熵卸载方程

2.4钨钛混合粉末的爆炸压实及其数值仿真

2.4.1钨钛混合粉末的爆炸压实

2.4.2马赫孔的形成分析

2.4.3微裂纹的形成分析

2.4.4爆炸压实钨钛混合粉末的数值仿真

2.5基于对称碰撞模型的爆炸焊接流场角变形计算

2.5.1爆炸焊接理想流体对称碰撞模型

2.5.2物理变形的计算

2.5.3角变形的求解

2.5.4计算结果和讨论

2.6本章小结

3非晶颗粒增强铝基复合材料制备的试验研究

3.1 试验设计

3.1.1试验装置及试验参数

3.1.2爆炸压实装药量的计算

3.2试验过程

3.3试验结果

3.3.1爆炸压实试验结果

3.3.2试件的分析测试结果

3.4本章小结

4非晶颗粒增强铝基复合材料的力学性能研究

4.1 非晶颗粒增强铝基复合材料等效弹性模量的预测

4.2非晶颗粒增强铝基复合材料的准静态力学性能

4.3 非晶颗粒增强铝基复合材料细观力学的数值仿真

4.3.1研究进展

4.3.2有限元模型

4.3.3仿真结果

4.4非晶颗粒增强铝基复合材料的增强机理

4.5本章小结

5非晶颗粒增强铝基复合材料爆炸压实的传热分析

5.1 研究背景

5.2混合粉末的冲击温升

5.2.1粉末的冲击温升及卸载残余温度的推导

5.2.2粉末的冲击温升及卸载残余温度的计算算例

5.3 冲击温升导致单个非晶颗粒整体温升的计算

5.3.1计算模型

5.3.2非晶颗粒内部热传导的数学描述

5.3.3传热的有限差分计算结果

5.4单个颗粒细观传热的数值模拟

5.4.1有限元模型

5.4.2材料模型和状态参数

5.4.3初始条件和边界条件

5.4.4结果及讨论

5.5本章小结

6主要结论、创新点和进一步研究的方向和建议

6.1 主要结论

6.2创新点

6.3进一步研究的方向和建议

致 谢

参考文献

附录