快速自发浸渗法制备铝基复合材料及其反应和浸渗机理研究

摘要

现代科学技术的发展对材料性能的要求越来越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的发展，使得单一材料难以满足实际工程的要求，这促进了金属基复合材料的迅猛发展。与传统金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度、比刚度和耐磨性;与树脂基复合材料相比，金属基符合材料具有优良的导电、导热性，高温性能好，可焊接;与陶瓷基复合材料相比，金属基复合材料具有高韧性和高冲击性能，线膨胀系数小等优点。本文中研究的是铝基复合材料，增强体颗粒加入到铝合金后，引起基体合金微观机构的变化，同时使材料的性能发生改变。 本文通过Al-Ti-B4C-CuO混合粉末冷压制备的预制体，直接放入熔化的铝液中，预制体在铝液中发生燃烧合成反应并且引起了铝液的浸渗。铝液填充了预制体的孔隙，并且由混合粉末冷压制备的预制体在熔体中反应浸渗后仍然维持原来的形状，没有出现裂解或者变形，从而得到了与预制体形状一致，高体积分数颗粒增强的铝基复合材料。结合高体积分数颗粒增强铝基复合材料的优良性能，如果能够制成某种复杂电子封装零件形状的预制体，反应浸渗后便可直接使用，不但性能优异，而且免去了后续的加工工序。 本文还研究了预制体在铝熔体中未裂解的原因和铝热剂CuO的添加对Al-Ti-B4C体系燃烧合成反应的影响，从而确立了能够成功制备该铝基复合材料的最优成分区间。反应过程中，预制体中稳定的RVF(固体颗粒的体积分数)值对于维持预制体的形状非常重要。初始粉末中的Al粉和Ti粉，特别是预制体底部与熔体接触的部分，非常容易裂解到铝液中，导致预制体底部的裂解。铝热剂CuO的添加，有助于Al-Ti-B4C体系在铝熔体中发生完全的燃烧合成反应。合适的原料配比对运用Al-Ti-B4C-CuO体系，快速自发浸渗法制备铝基复合材料时，自维持预制体自始至终的形状至关重要。 另外，研究了Al-Ti-B4C体系中，Ti/B4C摩尔比对燃烧合成反应产物的影响，并从热力学角度进行了证明。同时对Ti/B4C摩尔比小于2时的反应机理进行了阐述。在Al-Ti-B4C体系中，当Ti/B4C摩尔比小于2，产物为TiB2和Al3BC，以及少量的Al4C3。当Ti/B4C摩尔比大于2，主要产物为TiC和TiB2。在Al-Ti-B4C体系中，当Ti/B4C=0.75时，反应机理如下:3Al(l)+Ti=Al3Ti;Al3Ti=3 Al(l)+Ti;3Al(l)+B4C=Al3BC+3B;Ti+2B=TiB2 同时，研究了Al-Ti-B4C-CuO体系快速自发浸渗法制备铝基复合材料的浸渗机理，根据浸渗现象，提出了新的浸渗模型。浸渗过程可分为两部:大孔隙的浸渗和小孔隙的浸渗。大孔隙的浸渗发生在预制体原来的孔隙中，小孔隙的浸渗发生在因燃烧合成反应体积收缩生成的孔隙中。根据新的模型，从而准确的计算了该实验的浸渗动力学。铝熔体中Mg的添加有助于降低燃烧合成反应的预热时间和引燃温度，但是，Mg的添加对于毛细管作用力为驱动力的浸渗起负作用。反应机理和浸渗机理的研究对于Al-Ti-B4C-CuO体系快速自发浸渗法制备高体积分数的铝基复合材料提供了理论基础。 最后，对最优成分配比Al-Ti-B4C-CuO制备的铝基复合材料的性能进行了测试，其具有较高的致密度、硬度、弹性模量和断裂韧性，较低的热膨胀系数。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题意义

1．2 铝基复合材料的发展概况

1．2．1 铝基复合材料简介

1．2．2 铝基复合材科的主要性能

1．2．3 颗粒增强铝基复合材料的发展与应用

1．3．铝基复合材料的制备方法

1．3．1 搅拌铸造法

1．3．2 粉末冶金法

1．3．3 浸渗铸造法

1．3．4 喷射成形法

1．3．5 燃烧合成法

1．3．6 各种制备铝基复合材料方法的总结

1．4 浸渗工艺理论研究：理论模型

1．5 Al-Ti-B4C体系CS反应机制研究现状

1．6 铝热反应在铝基复合材料制备中的应用

1．7 研究内容

参考文献

第二章 实验材料与实验方法

2．1 实验材料

2．2 研究方法及技术路线

2．2．1 研究方法

2．2．2 技术路线

2．2．3 样品成分设计

2．3 样品表征

2．3．1 X射线衍射分析

2．3．2 金相显微镜，扫描电镜和能谱分析

2．3．3 透射显微镜

2．4 性能测试

2．4．1 硬度测试

2．4．2 热传导率测试

2．4．3 热膨胀系数测试

2．4．4 弹性模量测试

2．4．5 断裂韧性测试

第三章 Al-Ti-B4C体系燃烧合成热力学

3．1 Al-Ti-B4C体系中反应吉布斯自由能的计算

3．2 Al-Ti-B4C体系绝热燃烧温度的理论计算

3．3 铝热剂CuO的添加对Al-Ti-B4C体系绝热温度的影响

3．4 本章小结

参考文献

第四章 Al-Ti-B4C体系快速自发浸渗法制备的铝基复合材料的宏观和微观组织

4．1 Al-Ti-B4C体系快速自发浸渗法制备的铝基复合材料的宏观组织

4．2 Al-Ti-B-C体系快速自发浸渗法制备的铝基复合材料的微观组织

4．3 Al-Ti-B4C体系在铝液中反应后预制体维持自身形状的原因

4．3．1 复合材料外观膨胀的原因

4．3．2 复合材料底部裂解的原因

4．4 铝热剂对Al-Ti-B4C体系CS反应的影响

4．4．1 CuO的添加对燃烧合成反应引发的影响

4．4．2 CuO的添加对燃烧合成反应蔓延的影响

4．5 本章小结

参考文献

第五章 Al-Ti-B4C体系燃烧合成反应机理

5．1 Al-Ti-B4C体系在DTA中的反应(不同Ti／B4C摩尔比)

5．2 Al-Ti-B4C体系在铝熔体中的反应(不同Ti／B4C摩尔比)

5．3 Ti／B4C摩尔比影响Al-Ti-B4C体系反应产物的热力学解释

5．4 Al-Ti-B4C体系燃烧合成反应的反应机理

5．4．1 Al-Ti-B4C体系燃烧合成反应的反应顺序(Ti／B4C=0．75)

5．4．2 Al-Ti-B4C体系燃烧合成反应的反应机理(Ti／B4C=0．75)

5．5 本章小结

参考文献

第六章 Al-Ti-B4C体系在铝熔体中快速自发浸渗动力学

6．1 浸渗动力学初计算

6．2 新的浸渗模型的建立

6．3 添加镁对浸渗动力学的影响

6．4 本章小结

参考文献

第七章 快速自发浸渗法制备的铝基复合材料的性能

7．1 Al-TiB2-Al3BC-B4C铝基复合材料的物理性能分析

7．2 Al-TiB2-Al3BC-B4C铝基复合材料的力学性能分析

7．3 复合材料的断裂韧性和断口组织观察

7．4 本章小结

参考文献

第八章 结论

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文目录

参与科研项目及获奖情况