冷冻铸造—熔渗技术制备层状Al-Si(-Mg)/Al_2O_3复合材料

【摘要】金属基复合材料由于具有高比强度、高比模量、耐磨、耐热、导电、导热、抗辐射、低热膨胀系数等优良性能，其在航空航天、汽车工业、电子工业等领域的应用愈加广泛。金属基复合材料的性能不仅与基体金属有关，也与增强的第二相的性能和数量有关，同时还与基体和增强相的界面结构有关。而贝壳等天然生物体的硬组织，具有从微观到宏观的分级结构，具有强度高、韧性好等优点。因此制备仿贝壳结构的高性能层状复合材料是目前材料界研究的一个热点。鉴于以上原因，本文采用微米级粉体，利用冷冻铸造法制备出层状Al2O3预制坯。通过向浆料中添加少量的共晶成分的纳米MgO–Al2O3–SiO2粉体作为助烧剂，提高了烧结后坯体的强度。最终通过将熔融Al合金浸渗进入该多孔预制坯，制备出具有片层结构的仿生复合材料。整个实验过程和设备简单，成本低廉，制备出的复合材料具有高的压缩强度。本文通过研究整个过程的影响因素来优化复合材料制备工艺，获得的主要研究成果如下：(1)本文首次将冷冻铸造法与无压浸渗工艺相结合，向添加了3wt.%(MgO–Al2O3–SiO2)助烧剂的氧化铝多孔层状坯体中浸渗Al–12Si–10Mg合金，制备出高强度的Al–Si–Mg/Al2O3仿生结构层状复合材料。无压浸渗后的复合材料遗传了浸渗前陶瓷坯体的片层结构。初始固相含量为30vol.%时，其压缩强度最大，达到1190±50MPa，最大应变达到4.6±0.5%。其强度约为基体合金强度的3.5倍，最大应变接近于合金的1/2。(2)将冷冻铸造法和真空–压力浸渗工艺相结合，向未添加助烧剂的氧化铝多孔层状坯体中浸渗Al–12Si合金，制备出Al–Si/Al2O3复合材料。虽然氧化铝层状结构在复合材料中得到了遗传，但由于浸渗前陶瓷坯体强度不高，不能有效的起到支撑作用，造成浸渗后复合材料的压缩强度不高，甚至低于基体合金的强度(而非浸渗工艺问题)。(3)浸渗后复合材料的性能主要与浸渗前坯体强度以及片层结构的完整性有关，可以通过调节浆料初始固相含量以及冷冻温度改变坯体的微观结构，进而得到不同强度的坯体，来控制浸渗后复合材料的性能。同时浸渗过程对复合材料的性能也有重要影响。(4)采用d50为5μm的氧化铝粉体，选择纳米尺寸、质量比为25:21:54的MgO–Al2O3–SiO2作为助烧剂，添加比例为氧化铝粉体质量的3wt.%，经1500oC空气中烧结2h后，制备出片层结构明显、强度高的坯体。随着浆料初始固相含量的增加，浆料粘度变大，坯体中孔隙率变小。而当浆料初始固相含量为35vol.%时，由于粘度较大，制得坯体片层结构不明显。(5)冷冻铸造制备的氧化铝坯体中，随着离冷端距离的增加，其片层结构波长λ和片层厚度δ都变大。提高浆料的初始固相含量，在距冷端相同距离时，其片层结构波长降低，片层厚度增加。在片层结构明显的前提下，冷冻温度为–10oC，烧结后坯体的最大压缩强度能够达到64±2MPa。而降低浆料的冷冻温度，在距冷端相同距离时，其片层结构波长降低，片层厚度也减小。初始固相含量为20vol.%，冷冻温度为–20oC下烧结后的氧化铝坯体其压缩强度最大，达到29.5MPa。
【作者】奚巨伟；
【导师】沈平；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】多孔陶瓷；金属基复合材料；仿生材料；冷冻铸造法；

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