电场激活压力辅助合成技术制备AlMgB14-TiB2复合材料及其性能的研究

摘要

AlMgB14超硬材料具有较高的硬度、化学惰性、优良的耐磨性、廉价的原材料及低摩擦系数等特点，已经受到人们的普遍关注。近期研究表明AlMgB14-TiB2复合材料具有特殊的耐磨性、热传导性和韧性高等重要性能，显微硬度可达到48GPa。AlMgB14基复合材料的优点是可承受大范围的温度变化，将主要应用于金属切削、军工、林产、石油业、采矿及农业等行业的特殊机械。
　　 本文采用机械合金化(Mechanical alloying，MA)与电场激活辅助及压力烧结技术(Field-Activated and Pressure-Assisted Synthesis，FAPAS)合成了AlMgB14块体及AlMgB14-TiB2复合材料，采用扫描电镜、X射线衍射、透射电镜等手段对其结构进行表征。对AlMgB14块体及AlMgB14-TiB2复合材料的制备工艺、合成原理、力学性能和致密化等性能进行了研究;通过显微硬度压痕法对合成AlMgB14块体及AlMgB14-TiB2复合材料的断裂韧性进行表征，采用磨粒磨损试验对样品的耐磨性进行分析。实验结果表明:以单质Al粉，Mg粉，B粉为反应原料，在1500℃，加热速率为100℃/min，轴向压力60MPa，保温8-10分钟下可制得致密高硬度的AlMgB14陶瓷。硼粉退火后，能够有效控制氧化物的产生。在石墨模具中添加陶瓷管可以获得高密度电流，提高烧结效率。通过力学性能测试，制得的AlMgB14陶瓷的平均密度为2.631 g/cm3，最高硬度可达27.2GPa，断裂韧性为3MPa1/2。制得的AlMgB14-TiB2复合材料，发现添加剂TiB2与AlMgB14基体有很好的相融性，其界面结合紧密，没有生成新相，属高强界面结合。韧性及硬度提高的原因主要源于硬质相弥散强化、高强界面结合及TiB2的高弹性模量和高硬度增韧补强。添加30％TiB2后显微硬度和断裂韧性分别达到31.5GPa和3.65MPa1/2，比单一的AlMgB14提高了20％。通过微观结构表征、断口形貌及裂纹扩展路径分析，提出把TiB2的颗粒尺寸降至纳米级是提高韧性和硬度的一种有效方法。常温摩擦磨损试验表明，添加TiB2后能够显著降低磨损率，提高耐磨性。在相同载荷下，随着TiB2添加量的增加，AlMgB14-TiB2复合材料的磨损量呈降低趋势，耐磨性增强。随着所加压力的增大，AlMgB14-TiB2复合材料的划痕宽度也会增大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 超硬材料的发展背景和工业应用

1．2．1 超硬材料的发展背景

1．2．2 超硬材料的工业应用

1．3 复合超硬材料的应用和发展前景

1．4 AlMgB14的结构与性能

1．5 通过添加物制备AlMgB14复合材料

1．6 新型功能陶瓷材料的主要制备方法

1．6．1 高温常压合成(HTS)

1．6．2 机械合金化热压烧结法

1．6．3 等离子放电烧结法(SPS)

1．6．4 FAPAS法(Field-activated Pressure-assisted Synthesis)

1．6．5 AlMgB14薄膜的制备

1．7 摩擦磨损实验机理的探讨

1．8 本文的研究目标和意义

第二章 试验材料及方法

2．1 实验材料、设备及仪器

2．1．1 试验材料

2．1．2 实验设备及仪器

2．2 样品分析

2．2．1 样品的密度测定

2．2．2 样品的硬度测试

2．2．3 样品的断裂韧性测试

2．2．4 样品的X射线衍射分析

2．2．5 样品的扫描电子显微镜分析(SEM测试)

2．2．6 样品的透射电子显微镜结构分析(TEM测试)

2．3 摩擦磨损测试

第三章 AlMgB14材料的制备及性能表征

3．1 实验过程分析及探讨

3．1．1 实验方案及步骤

3．1．2 初始粉体氧化的控制

3．1．3 影响致密化程度的因素

3．1．4 Al-Mg-B三元体系的反应动力学分析

3．1．5 Al-Mg-B三元体系反应的热力学分析

3．1．6 陶瓷管在烧结过程中的作用

3．1．7 AlMgB14样品的XRD和SEM分析

3．2 AlMgB14品的TEM分析

3．3 电场在反应过程中的作用分析和探讨

3．4 AlMgB14材料的力学性能表征

3．4．1 AlMgB14材料的密度测量及其结果

3．4．2 AlMgB14材料的硬度和断裂韧性测量及其结果

3．4．3 AlMgB14的断口分析

3．5 AlMgB14的摩擦磨损试验

第四章 AlMgB14-TiB2复合材料的各项性能表征

4．1 多晶AlMgB14的热膨胀系数

4．2 AlMgB14-TiB2复合材料的制备过程

4．3 AlMgB14-TiB2复合材料的XRD和SEM分析

4．4 AlMgB14-TiB2复合材料的力学性能分析

4．4．1 AlMgB14-TiB2复合材料的密度测量及其结果

4．4．2 AlMgB14-TiB2复合材料的硬度和断裂韧性测量及其结果

4．5 AlMgB14-30％TiB2复合材料的断口分析

4．6 AlMgB14-TiB2复合材料的TEM表征及强韧化机制的研究

4．7 AlMgB14-TiB2的摩擦磨损试验

4．7．1 不同滑动摩擦速度对AlMgB14-TiB2复合材料磨损量的影响

4．7．2 TiB2添加量对AlMgB14基复合材料摩擦磨损行为的影响

4．7．3 划痕的表面形貌分析

第五章 结论

参考文献

致谢

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