硼酸鎂晶須增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料界面及混雜行為研究.pdf

1、鎂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)高模等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、汽車(chē)及電子通訊等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。其中，晶須增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，因其優(yōu)越的力學(xué)性能而備受?chē)?guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。然而，晶須與基體的界面問(wèn)題成為晶須增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。論文以高性?xún)r(jià)比硼酸鎂晶須為增強(qiáng)相，通過(guò)制備工藝及界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功制備出硼酸鎂晶須增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、界面反應(yīng)層的形成規(guī)律及機(jī)理和力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究;揭示了MgO界面反應(yīng)產(chǎn)物的組織形態(tài)

2、對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)制和斷裂行為的影響規(guī)律;以此為基礎(chǔ)，為進(jìn)一步提升復(fù)合材料的綜合性能，研究了碳化硼顆粒的混雜行為對(duì)復(fù)合材料微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，初步探討了混雜復(fù)合材料的界面形成機(jī)制、強(qiáng)化機(jī)制及其斷裂行為。
　　 采用擠壓鑄造法，成功實(shí)現(xiàn)20vol.％硼酸鎂晶須增強(qiáng)AZ91D鎂基復(fù)合材料的制備。復(fù)合材料微觀組織致密，硼酸鎂晶須均勻地分布在鎂合金基體中。復(fù)合材料的力學(xué)性能比基體合金有了明顯提高，鑄態(tài)試樣的彎曲模量、彎曲強(qiáng)度和維

3、氏硬度分別從42GPa、211MPa和56.5提高到50GPa、407MPa和120.7。
　　 硼酸鎂晶須表面無(wú)任何處理時(shí)，復(fù)合材料中晶須和基體合金界面潔凈，未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具有良好的化學(xué)相容性。復(fù)合材料斷口分析發(fā)現(xiàn)較多硼酸鎂晶須出現(xiàn)脫粘的現(xiàn)象，說(shuō)明硼酸鎂晶須和基體的界面結(jié)合強(qiáng)度較低，不利于硼酸鎂晶須充分發(fā)揮其增強(qiáng)效用。為了優(yōu)化復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)以提高力學(xué)性能，對(duì)硼酸鎂晶須進(jìn)行表面處理，制備三種具有不同微觀形貌的膜層:Al(PO

4、3)3膜層、ZnO膜層和TiO2膜層。三種膜層硼酸鎂晶須增強(qiáng)復(fù)合材料TEM界面微觀結(jié)構(gòu)分析表明，在復(fù)合材料的制備過(guò)程中三種膜層均與基體合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成具有不同微觀結(jié)構(gòu)的MgO界面反應(yīng)層:涂覆Al(PO3)3膜層時(shí)，晶須/基體界面處MgO顆粒相對(duì)較為粗大，且隨膜層厚度增加，MgO顆粒逐漸增大;涂覆ZnO膜層時(shí)，晶須/基體界面處呈現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)，即細(xì)小顆粒組成的MgO薄膜層上黏附著較粗大的MgO顆粒;涂覆TiO2膜層時(shí)，晶須/基體界面處呈

5、現(xiàn)織構(gòu)化MgO組織。
　　 Al(PO3)3、ZnO和TiO2膜層硼酸鎂晶須增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，MgO界面反應(yīng)層厚度及其微觀結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的彎曲性能具有顯著影響。其中，在Al(PO3)3膜層硼酸鎂晶須增強(qiáng)復(fù)合材料中，彎曲強(qiáng)度隨MgO界面反應(yīng)層厚度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)MgO界面反應(yīng)層的厚度約為25nm時(shí)，彎曲強(qiáng)度達(dá)到最高值467MPa，比無(wú)膜層處理時(shí)提高了15％。對(duì)比研究上述三種復(fù)合材料界面微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)

6、性能可以發(fā)現(xiàn):由ZnO膜層生成的細(xì)小MgO顆粒比Al(PO3)3膜層生成粗大MgO顆粒更能提高復(fù)合材料的彎曲性能，而由TiO2膜層反應(yīng)生成的織構(gòu)化MgO能更進(jìn)一步提高復(fù)合材料彎曲性能，其彎曲強(qiáng)度和彎曲模量達(dá)到568MPa和66GPa，分別比無(wú)膜層時(shí)提高了40％和32％。復(fù)合材料彎曲性能的提高主要?dú)w因于界面結(jié)合強(qiáng)度和載荷傳遞效率的提高。硼酸鎂晶須增強(qiáng)復(fù)合材料中存在載荷傳遞強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化三種強(qiáng)化機(jī)制，它們使得復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度