熔渗型自润滑复合材料基体的微孔结构设计与仿真分析

摘要

熔渗型自润滑复合材料是运用仿生摩擦学知识研究出的一种自润滑材料。该复合材料的制备过程可以分为两个部分：(1)烧结制备具有微孔结构的网络基体；(2)真空压力熔渗固体润滑剂。在工作过程中，要求微孔基体具有足够的强度，以承受载荷；而润滑剂的主要作用是降低摩擦界面的摩擦系数，以保证润滑性。微孔基体的微观结构是保证复合材料润滑性的前提，因为微孔结构（如微孔大小、分布及形状）是决定浸渗固体润滑剂的数量、润滑剂分布的均匀性及在摩擦界面是否能够形成润滑膜的关键。
　　本文以熔渗型自润滑复合材料基体的微孔结构为研究对象，基于均匀化理论和有限元分析方法，建立微孔单胞模型，对孔隙度、微孔结构进行仿真分析。基于熔渗型自润滑复合材料的性能要求，研究了孔隙度、微孔形状、孔径分布等结构特征参数对复合材料宏观性能的影响；根据复合材料基体的设计原则，进行基体材料的组分组成及组分比设计，采用粉末冶金烧结法制备出微孔基体，对其进行了微观结构和性能表征。
　　根据对熔渗型自润滑复合材料微孔基体的理论分析结果可知，孔隙度是复合材料的一个重要结构特征参数，其与强度、硬度和自润滑性能有着紧密的联系。孔隙度与组成基体材料的粉末颗粒直径无关，只与粉末颗粒的形貌及排列方式有关，且当颗粒形貌为非球形时，烧结体的孔隙度较小；随着特征值的不断增大，孔隙度逐渐增加，而相对密度逐渐减小；随着孔隙度的不断增大，复合材料的相对弹性模量逐渐减小，泊松比逐渐增大，而抗压强度呈指数下降。为保证复合材料力学性能和自润滑性能的要求，微孔基体的孔隙度应控制在15％-30%范围内。
　　单胞模型的有限元仿真分析表明：微孔形状分别为圆形、三角形、四边形及六边形时，随着载荷的不断增大，各种微孔形状的单胞模型产生的Mises等效应力值和应变值不断增大，但增大的速率均不同，即圆孔增大速率较慢，六边形较快；当位移载荷相同时，随着孔隙度的增大，单胞模型产生的等效应力增大，而等效应变减小。综合分析可知，微孔形状为圆形和方形时综合性能最好。
　　以 FeCrWMoV合金粉末为金属相，TiC粉末为陶瓷相，同时添加一定体积分数的复合造孔剂，采用粉末冶金烧结法制备出微孔基体。结果表明：烧结体微孔形状规则（主要呈圆形或方形），孔隙分布均匀，且互相贯穿成网络状；随着复合造孔剂体积分数的增加，烧结体的孔隙度不断增大；随着孔隙度的不断增大，烧结试样的压溃强度逐渐降低；保温时间影响烧结试样的微孔形状，当保温时间为60min时得到试样的微孔形状主要呈圆形和方形，且压溃强度较高。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2高温自润滑金属陶瓷复合材料研究

1.3多孔材料研究进展

1.4高温自润滑复合材料结构优化设计研究

1.5课题研究的目的和意义

1.6课题的主要研究内容和技术路线

第二章 熔渗型自润滑复合材料的设计理论

2.1 引言

2.2熔渗型自润滑复合材料的性能要求

2.3熔渗型自润滑复合材料基体的结构特征参数

2.4熔渗型自润滑复合材料基体的组分设计

2.5本章小结

第三章 熔渗型自润滑复合材料基体的胞体模型研究

3.1 引言

3.2 胞体模型的建模理论

3.3 胞体模型的结构特征参数对物理性能的影响

3.4本章小结

第四章 微孔胞体模型的有限元仿真分析

4.1 引言

4.2复合材料各项性能参数的确定

4.3微孔胞体模型的有限元分析过程

4.4 结果分析与讨论

4.5 本章小结

第五章 熔渗型自润滑复合材料基体的制备与表征

5.1 引言

5.2 微孔基体的制备

5.3微观结构和性能表征

5.4 试验结果与分析

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2展望

参考文献

致谢

附录