纳米金刚石颗粒增强铝基复合材料的组织与性能研究
针对传统惯性器件使用材料SiC颗粒增强铝基复合材料存在的问题，本课题以纳米金刚石(ND）为增强体，制备了纳米金刚石/2024Al复合材料，研究了球磨工艺对纳米金刚石/2024Al复合材料的微观组织、力学性能、导热性能和热膨胀性能的影响。具体研究成果如下: 1.烧结工艺影响纳米金刚石/2024Al复合材料组织及性能。同样的烧结压力下，随着温度的升高，2024Al合金颗粒在热压烧结过程中抵抗变形的能力下降，此时颗粒的塑性流动性较强，更容易填充颗粒间的孔隙，使得纳米金刚石/2024Al复合材料的孔隙率降低，硬度升高。在500℃的烧结温度和60MPa压力下保温2h制备的纳米金刚石/2024Al复合材料有最高的密度和硬度。 2.球磨工艺对纳米金刚石/2024Al复合材料的微观组织有显著影响。增加球磨速度和延长球磨时间均有利于细化纳米金刚石/2024Al颗粒尺寸，改善纳米金刚石在2024Al粉末中的分布，因此改善了烧结后纳米金刚石/2024Al复合材料的微观组织。然而，球磨时间过长或球磨速度过高均会导致纳米金刚石的再次聚集，从而造成降低纳米金刚石在α-Al基体中分布的均匀性。以300rpm的球磨转速球磨5h制备的纳米金刚石/2024Al复合材料拥有最佳的微观组织，此时纳米金刚石在α-Al基体中的分布也最为均匀。 3.纳米金刚石显著增加了2024Al的硬度和压缩强度，适度的高能球磨细化了纳米金刚石/2024Al复合材料的晶粒，分散了聚集的纳米金刚石增强体，增强了2024Al基体的细晶强化效果和纳米金刚石的弥散强化效果，使得复合材料的硬度和压缩屈服强度进一步提高。采用250rpm-300rpm球磨5h制备的纳米金刚石/2024Al复合材料的最大屈服强度为300～334MPa，分别比2024Al合金(161.2MP)提高了85％～108％。 4.纳米金刚石的加入降低了2024Al合金的热导率，球磨使得热导率进一步降低。原因在于纳米金刚石极细的颗粒尺寸使得复合材料中存在大量的纳米金刚石/α-Al界面，这些界面对于热量的传导起降低作用，高能球磨使纳米金刚石在α-Al基体中分散更均匀的同时也产生了更多的纳米金刚石/α-Al界面，因而热导率随着球磨能量的增大进一步降低。 5.纳米金刚石的加入和球磨共同降低了2024Al合金的热膨胀系数，以300rpm球磨速度球磨9h制备的纳米金刚石/2024Al复合材料具有最低的导热系数和热膨胀系数，2024Al合金热膨胀系数由23.7×10-6/K下降到12.3×10-6/K，下降了48.1％。原因在于纳米金刚石增强体的弥散强化作用提高了α-Al基体的塑性变形抗力，纳米金刚石/α-Al界面上的热错配应力只能通过界面处α-Al基体的弹性变形或轻微的塑性变形来释放，使2024Al的热膨胀系数明显降低。 6.为了满足纳米金刚石/2024Al复合材料尺寸稳定性的要求，需要匹配适当的力学性能和热膨胀系数，推荐250-300rpm球磨速度和5-7h球磨时间的球磨工艺，在此球磨工艺下制备的纳米金刚石/2024Al复合材料具有优异的综合性能，与2024Al合金相比，压缩屈服强度增加了95-108％，热膨胀系数降低了30-35％。
纳米金刚石;热膨胀系数;颗粒增强;铝基复合材料;组织性能
郑州大学
硕士
材料物理与化学
刘忠侠
2021
中文
TB383
2021-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）