Al-ZrO2-B2O3熱爆反應(yīng)合成微-納米復(fù)式顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料研究.pdf

1、本課題采用熱爆反應(yīng)合成法，以Al-ZrO2-B2O3為反應(yīng)體系，成功合成(α-Al2O3+ZrB2)微-納米復(fù)相陶瓷顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。利用SEM、XRD、EDS、TEM等手段分析反應(yīng)產(chǎn)物微觀組織及其分布狀況。
　　對(duì)反應(yīng)體系進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，結(jié)合DSC曲線，并運(yùn)用XRD分析Al-ZrO2-B2O3系反應(yīng)機(jī)理。當(dāng)B2O3與ZrO2的摩爾比為1,Al率先與B2O3反應(yīng)生成B與非晶態(tài)Al2O3,之后大部分B與Al結(jié)合形成AlB2,很

2、少一部分B固溶在ZrO2的表面形成Zr(O，B)2,隨著溫度的升高，體系獲得能量增加，Zr(O，B)2將與Al反應(yīng)生成ZrB2與非晶態(tài)Al2O3,最后Al與ZrO2和AlB2反應(yīng)生成α-Al2O3與ZrB2,之前的非晶態(tài)Al2O3經(jīng)過(guò)一系列相變轉(zhuǎn)化為α-Al2O3。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中的中間產(chǎn)物為AlB2、 Zr(O，B)2和非晶態(tài)Al2O3。分析不同參數(shù)對(duì)體系反應(yīng)過(guò)程的影響，活化能計(jì)算表明增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為100％的體系反應(yīng)活化能(392.4

3、 kJ/mol)明顯要高于增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為30％的活化能(292.6 kJ/mol)，這說(shuō)明隨著鋁含量的減少，體系的反應(yīng)難度要增大。
　　對(duì)復(fù)合材料的微觀組織進(jìn)行觀察，顆粒在基體中均勻分布，粒徑由數(shù)十納米到數(shù)微米不等，顆粒的形態(tài)隨著球磨時(shí)間與保溫時(shí)間的增加愈加規(guī)則，分布愈加均勻，EDS分析表明相對(duì)較亮趨于球形的顆粒是α-Al2O3,相對(duì)趨于灰色、棱角清晰的顆粒是ZrB2。內(nèi)晶相在α-Al2O3中被發(fā)現(xiàn)，分析表明內(nèi)晶相為納米級(jí)的Zr

4、B2顆粒。內(nèi)晶顆粒的形成主要是升溫階段，氧化鋁在相變的過(guò)程中表面積縮小，密度增大，部分細(xì)小的ZrB2被包裹其中，另外在保溫過(guò)程中，由于兩種增強(qiáng)相與基體的潤(rùn)濕性差異，也會(huì)導(dǎo)致少量?jī)?nèi)晶顆粒的形成。
　　(α-Al2O3+ZrB2)/Al復(fù)合材料隨著球磨時(shí)間的增加，其致密性有所提高，硬度也呈增加趨勢(shì)。燒結(jié)態(tài)的復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為20％與30％的體系的抗拉強(qiáng)度與延伸率分別為188MPa、2.38％與166MP

5、a、1.60％，這要高于工業(yè)純鋁的抗拉強(qiáng)度，斷口分析表明孔洞的存在是制約燒結(jié)態(tài)復(fù)合材料拉伸性能的主要因素。磨損實(shí)驗(yàn)表明(α-Al2O3+ZrB2)/Al復(fù)合材料的磨損量隨載荷的增加不斷增大，干摩擦系數(shù)隨載荷的增加先增后減。磨損量隨滑動(dòng)速度的增加呈先增后減的趨勢(shì)，而干摩擦系數(shù)一直減小。復(fù)合材料的磨損機(jī)制以粘著磨損為主兼有磨粒磨損與氧化磨損機(jī)制。30％體系的復(fù)合材料耐磨損性能要優(yōu)于20％體系，表明(α-Al2O3+ZrB2)顆粒的引入，起到