【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 成 Al2O3 鈍化膜 ,使 Al 粉和 Al2O3 顆粒之間表現(xiàn)出很差的潤(rùn)濕性 ,導(dǎo)致燒結(jié)法制備 Al/Al2O3 陶瓷材料燒結(jié)困難 , 影響復(fù)合材料的機(jī)械性能 [5]。擠壓鑄造和氣壓浸漬工藝浸漬速度快 , 但是預(yù)制體中的細(xì)小空隙很難進(jìn)一步填充 [ 6], 而后發(fā)展的無(wú)壓滲透工藝操作復(fù)雜 ,助滲劑的選擇隨意 , 且作用機(jī)理復(fù)雜 , 反而增加了工藝控制難度 [7]。 20 世紀(jì) 80 年代初 , 美國(guó) Lanxide 公司提出了一種制備 陶瓷基復(fù)合材料的新工藝 定向金屬氧化技術(shù) ( DirectedMetal Oxidation, 簡(jiǎn)稱 DMOX)。該工藝是在高溫下利用一定阻生劑限制金屬熔體在其他 5 個(gè)方向的生長(zhǎng) , 使金屬熔體與氧化劑反應(yīng)并只單向生長(zhǎng)即定向氧化。采用該方法制備的 Al/ Al2O3 陶瓷材料在顯微結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為由立體連通的 Al2O3 基體與三維網(wǎng)狀連通的殘余金屬和不連續(xù)的金屬組成 , 由于 Al2O3 晶間純凈 , 骨架強(qiáng)度高于燒結(jié)、浸漬等工藝制得的同類(lèi)材料的強(qiáng)度 [ 9]同時(shí) , 三維連通的金屬鋁具有良好的塑性 , 從而使該復(fù)合材料具有更為 良好的綜合機(jī)械性能。 課題研究背景及意義 金屬基復(fù)合材料（ MMCs）是多功能復(fù)合材料的一種，它是以金屬和合金為基體，以金屬或非金屬線、纖維、晶須或陶瓷顆粒狀組合為增強(qiáng)相的非均質(zhì)混合物。其特點(diǎn)是具有連續(xù)的金屬基體，因此具有高比強(qiáng)度、高比模量、很好的耐磨性、腐蝕性以及高溫等優(yōu)良性能。在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。因而備受科學(xué)工作學(xué)者普遍關(guān)注。 近年來(lái)在金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，鋁基復(fù)合材料（包括纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)）的發(fā)展尤為迅速。這不僅僅是由于它具有高比強(qiáng)度、高比模量、熱膨脹系數(shù)低以及良好的抗磨耐磨性能等優(yōu)良性能，而且因?yàn)樵谑澜绶秶鷥?nèi)有豐富的鋁資源，并且可用常規(guī)設(shè)備和工藝加工成型和處理，所以鋁基復(fù)合材料比其他的金屬基復(fù)合材料更為經(jīng)濟(jì)，易于推廣和應(yīng)用。因此，鋁基復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)外受到普遍重視。鋁基復(fù)合材料的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是采用連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料；二是采用補(bǔ)連續(xù)顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料。本文主要是從第二個(gè)方面進(jìn)行闡述及其研究。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 9 顆粒鋁基復(fù)合材料（ PRA）是以鋁及鋁合金為基體，與顆粒增強(qiáng)體人工合成的復(fù)合材料，是具有發(fā)展?jié)摿Φ慕饘倩鶑?fù)合材料之一，其中以碳化硅、氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的發(fā)展最為迅猛，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造、電子電氣等領(lǐng)域，能代替鋁合金、鈦合金、鋼等材料的制造高性能輕型構(gòu)件，并可提高材料性能、使用壽命和儀器精度。 研究?jī)?nèi)容及方案 主要分為三部分 ，其次是文獻(xiàn)綜述包括國(guó)內(nèi)外鋁基增強(qiáng)顆粒復(fù)合材料研究應(yīng)用和鋁基顆粒復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與鋁基顆粒復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)，氧化鋁基顆粒復(fù)合材 料在納米陶瓷的推廣最后是課題研究背景及意義。 ，對(duì)氧化鋁顆粒粒度的影響進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理與試驗(yàn)材料最后是試驗(yàn)裝置試驗(yàn)工藝。 ，主要是關(guān)于氧化顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組分基體和增強(qiáng)體組織 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)的機(jī)理和氧化顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)的性能，最后是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)的制備工藝。 第二章 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)過(guò)程 實(shí)驗(yàn)材料 本實(shí)驗(yàn)所用的鋁粉為北京有色金屬研究總院生產(chǎn)的工業(yè)純鋁粉，粒度為 300 目，其主要成分見(jiàn)表 21。從表中 可以看出純鋁粉末中還存在著少量的雜質(zhì)，雜質(zhì)的存在對(duì)產(chǎn)品的燒結(jié)、成型及產(chǎn)品的性能至關(guān)重要，同時(shí)也應(yīng)避免鋁粉過(guò)長(zhǎng)時(shí)間與空氣接觸，防止被氧化，鋁粉采用真空包裝。 表 21 純鋁粉化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（ %） Al Fe Cu Mn Mg Zn Ti 其他 余量 0.0002 0.0003 0.0001 001 0.0001 反應(yīng)中使用的氧化物為 CuO 粉 末為市售分析純，其成分如 表 22 所示。選內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 10 擇該種材料作為增強(qiáng)體的優(yōu)勢(shì)在于： （ 1） 成本較低。同其他增強(qiáng)材料相比，地殼中Cu 元素的含量豐富且 CuO 的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，大大降低了生產(chǎn)成本。（ 2） Cu 元素是鋁粉中的固有元素，兩種材料經(jīng)過(guò)燒結(jié)后 Cu元素留在復(fù)合材料中，不會(huì)引入新的雜質(zhì)。若采樣其他材料，引入的新雜質(zhì)將影響復(fù)合材料的性能。（ 3） 采用氧化銅顆粒的另一個(gè)原因在于兩種材料 的吉布斯自由能相差較大，在克服 CuO 能壘的條件下， CuO粉末 容易和 Al 粉 發(fā)生反應(yīng)。 （ 4） 反應(yīng)過(guò)程 帶有顏色變化，可以通過(guò)顏色的變化觀察燒結(jié)過(guò)程中的反應(yīng)現(xiàn)象。 表 22 CuO 分析純的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（ %） 氧化銅 硫化氫不沉 淀物 鹽酸不容物 氧化亞銅 硫化合物 鐵 氯化物 總氮量 ≥9 0 0.02 0.05 0.01 0.01 0.003 0.002 實(shí)驗(yàn)方法與過(guò)程 實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒χ陵P(guān)重要，因此在試驗(yàn)過(guò)程中必須嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，避免一切外在因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。本實(shí)驗(yàn)采用的主要技術(shù)路線如圖 21 所示。 氧化銅粉 鋁粉 混粉 壓制 燒結(jié) DSC 分析 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 11 圖 21 實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線圖 混粉 本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了兩種不同混粉方法，手工混粉和球磨混粉。采用鋁粉與氧化銅粉末4： 1 的配比進(jìn)行混合，所用的實(shí)驗(yàn)儀器及工具主要有球磨機(jī) (QMBP 行星球磨機(jī) )、電子天平（ HX6022）、磨球和研缽等。第一種采用手工混粉的方法，稱取 100g 鋁粉和 25g 氧化銅粉末放入研缽中，人工研磨一小時(shí)，手工混粉的目的是避免在混粉過(guò)程中造成顆粒的破碎。第二種同樣稱取 100g 鋁粉和 25g 氧化銅粉末 3 份，分別放入球磨灌中，采用磨球、物料、研磨劑（本實(shí)驗(yàn)為無(wú)水乙醇） 3： 1： 1 的比例加入，放在球磨機(jī)上分別球磨 1 小時(shí)、 2 小時(shí)和 4 小時(shí)。球磨混粉的過(guò)程中會(huì)造成顆粒的破碎，球磨時(shí)間越長(zhǎng)破壞程度越嚴(yán)重。此過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格控制稱取粉末的準(zhǔn)確度，防止混合粉末的配比發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致材料的成分發(fā)生 變化。球磨后的粉體在空氣中干燥，得到拋光 試樣 XRD分析 觀察顯微組織 測(cè)維氏硬度 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 12 混合粉體。 壓制成型 壓制成型所采用的實(shí)驗(yàn)儀器為 SHT4605 型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)主要由主機(jī)、油源、電器控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、夾頭等附件組成，該機(jī)的最大試驗(yàn)力為 600KN，采用三相 220V/380V50Hz的電源，最大功率可達(dá) 4KW。將上述兩種方法制得的混合粉末在空氣中進(jìn)行干燥。將干燥好的粉末分別放入四個(gè)容器中，將混合粉體按照每份 10 克稱量。稱好后的粉體用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓制成型，壓制壓力、混粉方法如表 23 所示。 表 23 壓制試樣條件控制 混粉方法 手工混粉 球磨混粉 1h 2h 4h 壓制壓力 200MP 300MP 400MP 500MP 上述試樣用于做壓制壓力對(duì)燒結(jié)組織影響的對(duì)比試樣、 DSC 分析試樣、 X射線衍射試樣和燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)組織影響試樣。壓制試樣時(shí)應(yīng)保證模具在使用過(guò)程中表面涂刷潤(rùn)滑油，防止壓制成型后試樣與模具粘在一起。同時(shí)試樣脫模過(guò)程中應(yīng)避免用力過(guò)大，以防因用力過(guò)大使試樣產(chǎn)生裂紋。 DSC 分析 實(shí)驗(yàn)儀器為德國(guó)耐馳公司 STA 409 PC 型差熱 熱重同步熱分析儀，實(shí)驗(yàn)設(shè)備由氣路系統(tǒng)、 STA 409 PC 支架傳感器、 TGDTA 支架、 TGDSC 支架、坩堝、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等部分組成。該機(jī)器的溫度掃描范圍可以從室溫至 1500℃ ，可以在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、氧化、還原或惰性氣氛中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的樣品可以是固態(tài)、液態(tài)或者纖維。本實(shí)驗(yàn) 將上述球磨 4 小時(shí)，經(jīng) 500MPa 壓力壓制成型的試樣制成厚度不超過(guò) 1mm、直徑為 4mm的圓形試樣進(jìn)行 DSC 分析，通過(guò)反應(yīng)吸熱或放熱的變化結(jié)合 X 射線衍射圖辨別反應(yīng)的進(jìn)行。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 13 燒結(jié) 此步驟為制取所需試樣最為重要的環(huán)節(jié)，在燒結(jié)過(guò)程中鋁基體與氧化銅顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一系列的中間相后得到穩(wěn)定相，是試樣強(qiáng)度及穩(wěn)定性提高的過(guò)程。燒結(jié)過(guò)程使用 SK210 管形電阻爐，使用電壓為 220V，最大功率為 2KW。將 200MPa、 300MPa、 400MPa、 500MPa 壓力壓制成型、采用手工混粉和球磨混粉的所有試樣，分別放在經(jīng)預(yù)先升溫至 900℃ 的 管形電阻爐中保溫一個(gè)小時(shí)，然后在空氣中冷卻，此試樣用于做壓制壓力對(duì) Al2O3P/Al 復(fù)合材料燒結(jié)組織的分析，試樣的壓制壓力與混粉方法如表 23 所示。接下來(lái)將 500MPa 壓力壓制成型、采用手工混粉和球磨混粉的剩余試樣分別放入預(yù)先升溫至 900℃ 、 800℃ 、 700℃ 和600℃ 的管形電阻爐中保溫一個(gè)小時(shí)，然后在空氣中冷卻， 該試樣用于作 X 射線衍射分析，試樣的燒結(jié)溫度與混粉方法如表 24 所示。 表 24 X 射線衍射試樣燒結(jié)條件控制 球磨時(shí)間 1h 2h 4h 壓制壓力 200MP 300MP 400MP 500MP 將上述燒結(jié)好的試樣進(jìn)行標(biāo)記，試樣圖片及標(biāo)號(hào)說(shuō)明如圖 22 所示。 圖 22 壓制成型后的試樣及標(biāo)號(hào)說(shuō)明 X 射線衍射分析 此實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)儀器為日本理學(xué) D/MAX2500/PC 型 X 射線衍射儀，其測(cè)量角為 2θ，測(cè)量范圍 10176。至 +154176。本實(shí)驗(yàn)采用 X 射線衍射儀對(duì)不同溫度下燒結(jié)試樣反應(yīng)產(chǎn)物的分析，分析試樣的壓制壓力為 500MP，球磨時(shí)間為 1h、 2h和 4h，燒結(jié)溫度分別為 900℃ 、 800℃ 、 700℃ 、 600℃ 。所分析試樣既可以研究壓制壓力對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響，也可以分析球磨時(shí)間對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響。 1 代表球磨時(shí)間為 1 小時(shí) 7 代表壓制壓力為400MPa 9 代表燒結(jié)溫度為900℃ 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 14 金相試樣的制備 拋光之前應(yīng)對(duì)試樣采用砂紙磨平，本實(shí)驗(yàn)采用的砂紙為水相砂紙，磨平后進(jìn)行拋光。拋光過(guò)程所用的實(shí)驗(yàn)器材主要有 P1 型金相試樣拋光機(jī)、粗、精拋光布；