多孔SiC及其增强铝基复合材料制备与表征

摘要

贝壳珍珠层独特的砖泥层状结构使其具有优异的强度和韧性以及独特的增韧机制，例如文石层中的波浪状弯曲层表面，这种结构能够使其在断裂过程中在有机物层产生一定的塑性变形，实现增韧效果。此外，天然贝壳珍珠层的文石层间存在矿物桥，这种结构能在材料断裂过程中增强裂纹扩展的偏转效果以及对裂纹扩展形成周期性阻力。本文利用冰模板法和无压浸渗法制备了SiC/Al层状复合材料以模仿贝壳珍珠层的砖泥结构，同时研究了该复合材料的力学性能和增韧机制。 为了模仿贝壳珍珠层的增韧机制，本文主要做了以下研究： 1）采用冰模板法由粒径为80nm SiC颗粒和烧结助剂颗粒混合成的SiC陶瓷浆料制备了层状多孔SiC陶瓷骨架，它的陶瓷层表面具有枝晶状凸起和陶瓷桥，在结构上类似于贝壳无机层的表面粗糙和矿物桥。多孔SiC陶瓷骨架经1100℃氧化处理，骨架的压缩强度随氧化时间而变化。氧化2h时，陶瓷骨架具有最高的压缩强度。 2）采用冰模板法由粒径为40nm SiC颗粒和烧结助剂颗粒混合成的SiC陶瓷浆料制备了具有空心陶瓷球结构的层状多孔SiC陶瓷骨架。空心球具有密闭结构，它们的存在降低了多孔陶瓷骨架的开孔孔隙率，但对陶瓷骨架的总孔隙率影响不大。作为一有益结果，它们降低了陶瓷骨架的密度，提高了陶瓷骨架的比强度。 3）设计了一种―拉伸-压缩‖法制备了具有波浪状弯曲层状结构的SiC多孔陶瓷，以模拟贝壳中的波浪状弯曲的层界面。通过控制拉伸量，可以实现对SiC多孔陶瓷层结构中―波浪‖的峰高和密度的调控。 4）多孔SiC陶瓷经1100℃氧化处理后与Al合金通过液相浸渗的方式复合，制备了陶瓷-金属复合材料，在液相浸渗过程中，复合材料内部原位生长了AlN晶须增强体。对陶瓷骨架经过1h，2h，4h表面氧化处理后所制备的复合材料进行弯曲强度和断裂韧性测试，结果表明，氧化2h后所制备的复合材料强度和韧性最好，其弯曲强度和韧性分别为593.23Mpa和11.1Mpa*m0.5。经氧化2h的SiC骨架制成的复合材料中形成的AlN晶须含量最多，这被认为是造成该复合材料力学性能最优的一个重要原因。 5）研究了SiC/Al复合材料的韧性强化机制，结果表明，该复合材料具有裂纹偏转、裂纹分叉、界面脱粘、金属相桥连和晶须拔出等多种强韧化方式。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 仿贝壳复合材料概述

1.3冰模板多孔陶瓷研究进展

1.3.1多孔陶瓷的研究现状

1.3.2冰模板法制备多孔陶瓷的基本原理

1.3.3 冰模板工艺的影响因素

1.4浸渗工艺的分类

1.4.1压力浸渗

1.4.2无压浸渗

1.4.3负压浸渗

1.5 SiC陶瓷及其复合材料的研究概况

1.6论文的研究内容

2 实验方法

2.1 实验原料

2.2 实验装置

2.2.1 定向冷冻装置

2.2.2 真空干燥装置

2.2.3 高温处理装置

2.3 实验的技术路线

2.3.1冰模板法制备多孔SiC陶瓷的具体流程

2.3.2 SiC多孔陶瓷骨架的氧化处理

2.3.3 SiC/Al复合材料制备的具体流程

2.4 样品表征

2.4.1陶瓷浆料的稳定性测试

2.4.2多孔陶瓷孔隙率、密度、及复合材料密度的测定

2.4.3微观结构及物相分析

2.4.4弯曲性能，压缩性能和断裂韧性的测试

2.5 本章小结

3 SiC多孔陶瓷的制备及其性能表征

3.1 SiC多孔陶瓷的组织结构

3.2 高温氧化处理对多孔SiC陶瓷组织结构影响

3.2.1 高温氧化处理对多孔SiC陶瓷微观结构的影响

3.2.2 SiC的氧化理论及氧化增重行为分析

3.2.3 氧化时间对多孔SiC骨架物相组成的影响

3.3 氧化时间对SiC多孔陶瓷压缩性能的影响

3.4 具有弯曲层状结构的SiC多孔陶瓷的制备

3.5 本章小结

4 SiC/Al复合材料的制备及其性能表征

4.1 Al合金与SiC陶瓷之间的润湿性

4.2 SiC/Al复合材料的制备及物相分析

4.2.1 SiC/Al复合材料的浸渗工艺

4.2.2 SiC/Al复合材料的物相分析

4.3 SiC/Al复合材料的性能

4.4 SiC/Al复合材料的韧化机制

4.5 合金层的取向对SiC/Al复合材料力学性能的影响

4.6 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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