【正文】 AZ91 基體粉末試樣的摩擦系數(shù)—時(shí)間曲線圖 The picture of friction coefficienttime 。③分散處理過的SiCw/AZ91復(fù)合材料比沒有分散處理的復(fù)合材料磨損量小，這也證明了處理過的SiC晶須能與基體產(chǎn)生更好的結(jié)合，使組織更加致密，這一點(diǎn)與公式43密度曲線圖是一致的，由此證明分散處理的SiC晶須可以有效的提高復(fù)合材料的密度和抗磨性。另外，在相同溫度燒結(jié)時(shí)，復(fù)合材料的磨損量比基體AZ91的磨損量大。有圖可以看出，各試樣的磨損量隨燒結(jié)溫度的升高逐漸降低，基體AZ91在不同溫度下燒結(jié)試樣磨損量變化不大。本章對(duì)SiC晶須增強(qiáng)AZ91鎂合金復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，對(duì)不同條件下的摩擦磨損性能進(jìn)行了對(duì)比和探討?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度逐漸提高，同種溫度下燒結(jié)的材料，經(jīng)分散處理后的SiCw增強(qiáng)AZ91鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)度較好。燒結(jié)溫度的升高使得材料中的缺陷得到逐步的彌合，提高了基體抗變形的能力，因此顯微硬度也得到提高。燒結(jié)溫度較低時(shí)，粉末顆粒之間的接觸沒有實(shí)現(xiàn)由物理結(jié)合向化學(xué)結(jié)合的轉(zhuǎn)變，燒結(jié)不完全。﹟、2﹟和3﹟三種不同材料在不同燒結(jié)溫度下的硬度曲線。因此，粉末燒結(jié)材料的宏觀硬度值不能真實(shí)反映材料的真實(shí)硬度(表觀硬度)，為了準(zhǔn)確獲得燒結(jié)材料的硬度，需要采用顯微硬度測(cè)定法，在無孔隙的致密處測(cè)定。2秒。試驗(yàn)力保持時(shí)間為10～15秒。 維氏硬度計(jì)應(yīng)根據(jù)試樣厚度和硬度選擇試驗(yàn)力。 維氏硬度是將頂部?jī)上鄬?duì)面具有規(guī)定角度的正四棱錐體金剛石壓頭用試驗(yàn)力壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面壓痕對(duì)角線長(zhǎng)。 8 5 SiCw/AZ91復(fù)合材料的性能5 SiCw/AZ91復(fù)合材料的性能 復(fù)合材料的顯微硬度 硬度是衡量材料軟硬程度的一個(gè)性能指標(biāo)。但當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，材料晶界處又出現(xiàn)大量的空洞，可能是過燒或過熱而造成的。2) 試驗(yàn)壓力對(duì)復(fù)合材料的密度有很大影響，壓力增大，復(fù)合材料的密度增大，當(dāng)壓力增加到30KN以上，密度變化不太明顯，因此，試驗(yàn)壓力選為30KN。 (a)混合粉末 (b)重排 (c)溶解析出 (d)固相燒結(jié) 液相燒結(jié)過程示意圖[56,66] Sintering sketch of liquid phase本文燒結(jié)體系中含有Mg、Al、Zn和SiC晶須等組分，Zn的熔點(diǎn)為420℃，當(dāng)燒結(jié)溫度高于420℃時(shí)就會(huì)發(fā)生Zn熔化現(xiàn)象，從而出現(xiàn)液相燒結(jié)。第二階段是固相溶解和再析出階段，在該階段近液相的固體顆粒表面原子逐漸溶解到液相中去，由于小顆粒和粗大顆粒的凸起或棱角優(yōu)先溶解，使得粉末中小顆粒數(shù)量逐漸減少，大顆粒表面趨向光滑并逐漸長(zhǎng)大和球化，(c)所示。(a)粉末接觸 (b)燒結(jié)頸長(zhǎng)大 (c)孔隙似球化 (d)孔隙球化 球形顆粒的燒結(jié)模型[56,66] Sintering model of sphere particle當(dāng)燒結(jié)體系是由兩個(gè)或兩個(gè)以上熔點(diǎn)不同組分構(gòu)成時(shí)，燒結(jié)過程會(huì)出現(xiàn)液相，這種情況的燒結(jié)過程可以分為三個(gè)階段。第二階段是燒結(jié)頸長(zhǎng)大階段，隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，燒結(jié)頸逐漸擴(kuò)大，顆粒間距逐漸縮小，密度和強(qiáng)度進(jìn)一步增大，(b)所示。隨著溫度升高，第二相在顆粒界面處形成數(shù)量增多，空洞逐漸減少。從圖中可以看出，粉末顆粒之間形成了結(jié)晶狀第二相，該相主要由Mg和Al組成的Mg17Al12相，說明在燒結(jié)的過程中，Mg和Al在界面處發(fā)生的共晶反應(yīng)，隨著燒結(jié)溫度的升高，第二相數(shù)量明顯增多。另外，制備試樣的密度低于理論計(jì)算密度，這主要是因?yàn)榉勰┮苯鹬破吩趬褐茻Y(jié)過程中不可避免的殘存有空隙，孔隙是粉末冶金材料的固有特性，通常不能將其完全消除而得到完全致密的制品，因此所得制品的實(shí)際密度略小于理論密度屬正?，F(xiàn)象，通常粉末冶金制備出復(fù)合材料后要經(jīng)過后續(xù)擠壓或扎制才能使用，可使孔隙率大大降低。當(dāng)溫度增加到600℃時(shí)，由于真空狀態(tài)時(shí)Mg的飽和蒸汽壓較低，使合金液相線降低，造成液體在高溫下蒸發(fā)，試樣表面或內(nèi)部出現(xiàn)縮孔，導(dǎo)致試樣的密度降低。 燒結(jié)溫度與密度關(guān)系曲線Fig. Density of different temperture從圖中可以看出，經(jīng)不同溫度燒結(jié)后，試樣的密度隨著燒結(jié)溫度的升高是先增大后減小。由于燒結(jié)機(jī)最低測(cè)試溫度為400℃，因此，本燒結(jié)工藝設(shè)定溫度從400℃時(shí)為起始溫度，同樣燒結(jié)完成最低溫度也為400℃，之后真空狀態(tài)冷卻2小時(shí)后，自然冷卻。 不同壓力下壓坯的密度Table Density of different pressure壓力F（KN）1520253035密度ρ（kg∕m3）103103103103103 壓制壓力與壓坯密度關(guān)系圖 The picture of pressures vs densities 燒結(jié)工藝的確定 燒結(jié)溫度對(duì)試樣密度的影響，Tm為材料的熔點(diǎn)。從中可以看出，隨著壓力的增加，冷壓試樣的密度逐漸增加，當(dāng)壓力達(dá)到35KN時(shí)，試樣密度基本變化不大。由于第三階段對(duì)密度增加作用很小，因此，研究合適壓力具有一定的意義。第二階段主要依靠顆粒變形來消除孔隙，需要更大的力來實(shí)現(xiàn)。 燒結(jié)壓力的確定粉壓冶金壓制過程通常包括三個(gè)階段：密度隨壓力增加急劇增加階段、密度隨壓力增大的趨勢(shì)減緩階段和密度隨壓力增加變化趨勢(shì)平緩階段。 壓力工藝參數(shù)的確定 預(yù)壓工藝參數(shù)確定真空熱壓燒結(jié)時(shí)，如果先抽真空會(huì)造成金屬粉末被抽出，不利于粉末成型因此要先預(yù)壓成塊后再抽真空燒結(jié)。球磨速度：球磨速度過快，一方面鋼球會(huì)懸空，不利于下部粉末的研磨，另一方面溫度會(huì)升高，有可能產(chǎn)生氧化和合金化。裝料量：一般鋼球和粉末占球磨罐體積的40%~50%時(shí)，研磨效果較好。球磨氣氛：鎂高球磨過程中極易氧化，通常在氬氣或真空狀態(tài)下球磨，本實(shí)驗(yàn)選擇用在真空下球磨。本實(shí)驗(yàn)球磨工藝參數(shù)主要有：球磨類型：本實(shí)驗(yàn)采用XQM2L型行星式真空球磨機(jī)，屬于高能球磨。從照片中還可以看出，復(fù)合材料經(jīng)過適當(dāng)?shù)那蚰ズ?，SiC晶須在基體粉末中彌散分布，且長(zhǎng)徑比比較均勻，(c)，這就避免了晶須長(zhǎng)短不齊造成的晶須相互搭接形成空間位阻的現(xiàn)象，有助于提高燒結(jié)試樣的致密度。從圖中可以看出，混合粉末經(jīng)球磨處理后，SiC晶須被基體粉末包覆，未見明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。 本章小結(jié)(1)SiC晶須具有大的比表面積和表面能，極易發(fā)生團(tuán)聚，作為增強(qiáng)相加入到復(fù)合材料中前需要進(jìn)行分散處理；(2)對(duì)比使用SPP、Tween80和KH550三種不同的分散劑處理晶須后，發(fā)現(xiàn)使用KH550硅烷偶聯(lián)劑處理分散后基本無團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生，效果較好。本文中，后續(xù)將采用球磨法解決這一問題。偶聯(lián)劑KH550其分散機(jī)理主要有以下兩點(diǎn)：a) KH550的乙氧基水解為羥基，此羥基與SiC晶須表面存在的羥基生成氫鍵，因此使KH550吸附在晶須表面，形成一定厚度的吸附層，從而降低了晶須之間的吸引力；b) KH550溶液粘度較大，高粘度的有機(jī)膠體減緩了晶須的運(yùn)動(dòng)，阻止晶須重新團(tuán)聚。 經(jīng)KH550處理后的SiC晶須形貌 Dispersed treatment of silicon carbide whisker morphology by KH550。 硅烷偶聯(lián)劑分散處理有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑又稱為表面處理劑，其通式為，式中，R為非水解的、可與高分子聚合物結(jié)合的有機(jī)官能團(tuán)，常見的有甲基、乙烯基、環(huán)氧基、丙烯酰氧基等；X為可水解基團(tuán)，遇水溶液、空氣中的水分或無機(jī)物表面吸附的水分均可引起分解，與無機(jī)物表面有較好的反應(yīng)性，常見的有甲氧基、乙氧基、烷氧基、芳氧基、?；⒙然萚61]。Tween80含有聚氧乙烯基團(tuán)，具有親水性，能有效改進(jìn)在水性介質(zhì)中的潤(rùn)濕和分散特性，降低溶劑的表面張力，改變體系的表面狀態(tài)。 經(jīng)Tween80處理后的SiC晶須形貌 Dispersed treatment of silicon carbide whisker morphology by Tween80Tween80在晶須表面吸附，形成高粘度狀態(tài)，可以防止晶須之間的碰撞、摩擦和吸附。 吐溫80(Tween80)分散處理。從圖32(b) 中可以看出，在SiC晶須表面形成了SPP吸附膜層。導(dǎo)致晶須分散的機(jī)理是：一方面與顆粒表面的陰離子形成穩(wěn)定的親水絡(luò)合物，另一方面水解陰離子吸附于晶須表面，增強(qiáng)其親水程度。 經(jīng)SPP處理后的SiC晶須形貌 Dispersed treatment of silicon carbide whisker morphology by SPP，從圖中可以看出，SiCw仍存在嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，效果并不理想。 SiCw分散試驗(yàn)結(jié)果本文采用焦磷酸鈉、吐溫80和硅烷偶聯(lián)劑三種分散劑對(duì)SiCw進(jìn)行分散處理，研究對(duì)比了其分散效果?？梢钥闯?，SiC晶須放置一段時(shí)間后，出現(xiàn)了明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。本文通過采用不同的處理方法進(jìn)行處理，并初步研究了不同處理方法對(duì)晶須分散效果的影響。但是，由于SiC晶須的直徑非常小，具有大的比表面積和表面能，因此晶須會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，并且在晶須的生產(chǎn)過程中，不可避免的會(huì)有SiOC和催化劑等雜質(zhì)粘附在晶須表面，也會(huì)使晶須產(chǎn)生團(tuán)聚和纏結(jié)。 10 3 SiC晶須分散研究3 SiC晶須分散研究SiC晶須是在人工控制條件下以單晶形式生長(zhǎng)的一種針狀纖維，它的直徑非常小，以致難以容納在大晶體中常出現(xiàn)的晶界、位錯(cuò)、孔洞等缺陷，原子高度有序，因此強(qiáng)度接近完整晶體的理論值。拉伸試驗(yàn)在CMT 6203型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)參照GB/T 2282002金屬拉伸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，拉伸速率為1 mm(2) 跑合：加載力F=20N，加載時(shí)間t=60s，轉(zhuǎn)速n=250 r/min；跑合的目的是為了消除試樣表面形態(tài)的不同而引起的誤差。 摩擦磨損性能測(cè)試摩擦磨損試驗(yàn)在MMW1屏立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，對(duì)磨材料為45鋼。加載持續(xù)時(shí)間為30s。⑤計(jì)算試樣的實(shí)際密度： (21)對(duì)于材料的理論密度，可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：