氧化铝/铝微叠层复合材料的微弧氧化-热压法制备及表征

摘要

氧化铝/铝复合材料既具备氧化铝陶瓷高强度、高模量及高硬度的特点，又表现出铝金属相的良好韧性，因此采用此类材料制造的零部件不仅具有高强韧的性能优势，可大幅提升零部件服役过程中的稳定性与可靠性，同时能够满足航空、航天等领域的装备轻量化要求。本文采用微弧氧化-热压法制备氧化铝/铝微叠层复合材料；研究了不同微弧氧化时间下制各的氧化铝微层的成分及微观结构，分析了氧化铝微层厚度对其表面粗糙度、电阻率、击穿电压的影响，探讨了热压工艺参数对氧化铝/铝微叠层复合材料微观结构及密度的影响，分析了复合材料中氧化铝/铝界面的结合方式。
　　实验首先以厚度为50μm的铝箔(箔材A)作为前驱体，对其进行微弧氧化处理在表面形成氧化铝陶瓷微层，得到箔材B；然后将箔材A与箔材B按照ABAB……方式交替叠放，最后真空热压制备出氧化铝/铝微叠层复合材料。采用EDS、XRD、OM及SEM表征了氧化铝微层及复合材料的成分与微观结构，采用粗糙度测量仪测试了氧化铝微层的表面粗糙度，借助耐压仪研究了氧化铝微层及复合材料的电绝缘性，采用排水法测定了复合材料的密度。
　　结果表明：箔材A经微弧氧化处理后得到的箔材B具有氧化铝/铝/氧化铝“三明治”叠层结构，可为氧化铝/铝微叠层复合材料提供两层氧化铝微层和一层铝微层；氧化铝微层主要由Al与O元素组成，同时含有少量Si、P元素；XRD测试结果表明Al、O元素主要以γ-Al2O3形式存在；氧化铝微层具有多孔结构，与中间铝微层结合良好。此外，随微弧氧化处理时间延长，氧化铝微层显著增厚；微弧氧化处理15～30min获得的氧化铝微层的厚度约为10～15μm，表面粗糙度为7～12μm，击穿电压为544～740V，击穿时间为21.8～29.6s，电阻率为6.6×1010～7.1×1012Ω·cm。
　　采用氧化铝微层厚度约为10μm的箔材B1与箔材A叠层热压制备出氧化铝/铝微叠层复合材料，其中优选的热压工艺参数为热压压力4MPa、热压温度590℃、保温时间40min；在优选热压工艺下制备的复合材料．层状结构清晰，氧化铝层厚度约为10μm，铝微层厚度约为45μm，层间距均匀，界面结合良好，无明显孔隙或裂纹出现，密度约为2.95g/cm3。
　　在优选热压工艺参数下制备不同叠层数的氧化铝/铝微叠层复合材料，随着叠层数的增加，其击穿电压升高。叠层数为20层时，击穿电压为130V；叠层数为50层时，击穿电压可达330V。氧化铝/铝微叠层复合材料中氧化铝与铝的界面结合表现为两种形式：(1)箔材B中经微弧氧化形成的氧化铝/铝界面，以微冶金方式结合；(2)箔材A与箔材B表面的氧化铝微层经由真空热压相互嵌合形成的氧化铝/铝界面，主要表现为机械结合。

目录

声明

1 绪论

1.1 氧化铝/铝复合材料的研究现状

1.2 微叠层复合材料的研究现状

1.3 微弧氧化及其研究现状

1.4 研究目的和主要内容

2 实验内容及方法

2.1 实验材料

2.2 氧化铝微层的微弧氧化制备

2.3 氧化铝/铝微叠层复合材料的制备

2.4 试样的成分、结构与性能表征

3 氧化铝微层的成分、结构与性能表征

3.1 氧化铝微层的表面微观形貌与成分

3.2 氧化铝微层的截面微观形貌

3.3 氧化铝微层厚度及箔材B的微观结构

3.4 氧化铝微层的表面粗糙度

3.5 氧化铝微层的电绝缘性

3.6 氧化铝微层的导热性

3.7 本章小结

4 氧化铝/铝微叠层复合材料微观结构及性能研究

4.1 热压工艺参数对氧化铝/铝微叠层复合材料微观结构的影响

4.2 氧化铝/铝微叠层复合材料的性能表征

4.3 氧化铝/铝界面作用机制及其对复合材料性能的影响

4.4 本章小结

5 结论

致谢

参考文献

附录