碳/Al基非晶复合材料微观结构及性能研究

摘要

近年来，铝基非晶合金由于较高的比强度、低密度等优异性能越来越受到人们的广泛关注，但块体铝基非晶合金玻璃形成能力低和室温塑韧性差等性质限制了其在工程中的应用。本课题通过机械合金化法制备Al85Fe15非晶合金为研究基体，通过机械混合的方法成功制备了碳（石墨烯、碳纳米管和石墨）/Al85Fe15非晶基复合材料，研究了其热稳定性和不同碳材料与基体的界面结合；利用放电等离子烧结和传统粉末冶金法制备了块体Al基非晶复合材料，并对烧结块体的显微组织和力学性能进行了分析。研究结果如下：
　　(一)机械合金化Al85Fe15非晶合金形成的研究。结果表明，在一定球磨条件下，经过200 h，球磨产物为含少量面心立方(fcc)Al的非晶合金粉末，增加球磨时间至290 h球磨产物仍保持非晶结构。初始晶化温度随着球磨时间增加而逐渐增大，晶粒尺寸先减小后趋于稳定。
　　(二)机械混合制备碳（石墨烯，碳纳米管，石墨）/Al85Fe15非晶复合材料。结果表明，混料4、6和8h后，产物仍保持着非晶结构，其初始晶化温度随着混料时间的延长而降低，且低于基体合金的Tx值(1306 K)。混料8 h可将0.3 wt.％碳纳米管很好的分散于Al85Fe15非晶基体中并与基体发生机械结合，而且还可避免过多碳纳米管的折断。依据对碳纳米管/Al85Fe15非晶复合材料粉末的研究，将0.3 wt.%石墨烯和石墨直接球磨混合10 h发现，也可均匀分散于基体中并发生机械结合。掺杂石墨烯和石墨的合金其Tx值分别为1300 K和1303 K，也低于基体合金的值。对四种合金进行晶化激活能计算，掺杂石墨的初始晶化温度激活能最大。
　　(三)放电等离子烧结制备块体Al基非晶复合材料。结果表明，块体合金已完全晶化，掺杂不同碳材料的显微硬度明显降低，而相对密度明显提高。SEM分析表明，块体合金的颗粒表面出现融化现象，颗粒间发生了部分融合，但试样仍含有较多的气孔。
　　(四)传统粉末冶金法制备块体Al基非晶复合材料。结果表明，相同预压力下成型的块体在不同温度下烧结，温度低于1273 K时，块体合金为部分晶化的非晶复合材料，温度提高块体合金完全晶化，块体合金的密度随温度的增加而提高，其显微硬度在烧结温度为1173 K时达到最大(363 HV)。不同预压力下成型的块体在相同温度下烧结，试样亦为部分晶化的非晶复合材料，块体试样的密度和显微硬度均随预压力的增加而提高。将掺杂石墨烯、碳纳米管和石墨的合金粉末在1.875 GPa的压力下成型后，在1173 K进行高温烧结，成功制备了碳/Al基非晶复合材料，并且烧结样品的显微硬度明显提高。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 非晶态合金

1.2 Al基非晶合金的研究

1.3 非晶复合材料

1.4 非晶复合材料中第二相与基体的界面结合

1.5 粉末烧结成型的方法

1.6 本文的研究目的及意义

第二章 试验材料及研究方法

2.1 试验材料

2.2 试验工艺流程

2.3 试验设备

2.4 试验分析测试仪器

第三章 Al85Fe15非晶合金粉末的制备与表征

3.1 机械合金化法Al85Fe15非晶合金结构和热稳定性研究

3.2 球磨条件对Al85Fe15非晶形成的影响

3.3 本章小结

第四章 机械混合制备碳/Al85Fe15非晶复合材料的研究

4.1 机械混合制备CNTs/Al85Fe15非晶复合材料的研究

4.2 机械混合制备Gr/Al85Fe15和C/Al85Fe15非晶复合材料的研究

4.3 本章小结

第五章 放电等离子烧结制备Al基非晶复合材料的初步探究

5.1 引言

5.2 SPS烧结块体Al基复合材料的形貌及相对密度分析

5.3 烧结块体Al基复合材料的微观组织研究

5.4 本章小结

第六章 传统烧结法制备块体Al基非晶复合材料的初步探究

6.1 引言

6.2 传统烧结法制备Al85Fe15块体非晶合金的探究

6.3 传统烧结法制备块体碳/Al85Fe15非晶复合材料的探究

6.4 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

附录