Ti2AlC陶瓷弥散增强Al基复合材料的制备及性能研究

来源 :哈尔滨师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ljb16591504
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铝及铝的合金因其低密度、低成本、低热膨胀系数、高导热导电性等优点备受人们的关注。与普通的Al及其合金相比,Al基复合材料(AMCs)具有更加良好的力学及摩擦磨损性能。因此Al基复合材料长期以来一直被广泛用于工程材料中。最常见的Al基材料颗粒增强相主要为一些传统的硬质陶瓷颗粒,此类增强相具有高硬度,高耐磨性等优点。但同样存在着可加工性低,导电性差等方面的弊端。MAX相陶瓷特殊的结构使其可以兼具金属与陶瓷的双重特性。这使其在金属、陶瓷基复合材料中得到了广泛的应用,对于金属基复合材料来说,使用MAX相作为增强相优势在于其优秀导电性、导热性、可加工性、摩擦学特性,这些优异性能是传统的陶瓷增强相所不具备的。而Ti2AlC为一种典型的MAX相陶瓷,除继承了MAX相的性能外,还具有MAX相化合物中较高的杨氏模量以及几乎最低的理论密度。这些特性使Ti2AlC陶瓷具有非常广阔的应用前景。与其他传统陶瓷金属基复合材料增强相相同,Ti2AlC陶瓷也存在与金属基体润湿性差、结合性差的问题。为了解决这个问题,本研究采用表面镀Cu的方式来改善增强相的表面结构,以此来提高与金属基体的结合能力。以纯Al为基体,以自制的镀铜Ti2AlC复合粉体为增强相,采用热压烧结的方式来制备Cu包裹Ti2AlC陶瓷弥散增强Al基复合材料(Al-Cu/Ti2AlC)。并研究不同烧结温度对复合材料的影响,以及材料的各项性能。为了对比我们以相同的工艺制备了Ti2AlC陶瓷弥散增强Al基复合材料(Al-Ti2AlC)。采用燃烧合成法制备了Ti2AlC陶瓷粉体,并以化学镀Cu的方式成功的在Ti2AlC粉体颗粒表面进行镀Cu,发现Ti2AlC陶瓷具有一定的自催化效应。当电镀时间为40min,镀层装载量为25%时纳米Cu粒子对Ti2AlC陶瓷粉体颗粒形成完全包裹。通过对两种不同组成体系AMCs的相组成分析可知,对于Al-Ti2AlC复合材料体系,当烧结温度为470℃时,产物主要由Al、Ti2AlC两项构成,温度提高至495℃后,体系中出现了Al3Ti相,温度至550℃,Al3Ti相大量生成,同时Ti2AlC相急剧降低;对于Al-Cu/Ti2AlC复合材料体系,除具有与Al-Ti2AlC相同物相组成外还发现,当烧结温度为470℃时由于Cu原子向Al基体的晶格中扩散形成了固溶体结构,从而导致了Al的X射线衍射峰出现了小角度左移。在提高烧结温度后,Cu原子与Al基体反应导致Cu原子脱离固溶体形成了Al2Cu金属间化合物。在制得AMCs后,我们分别对两种复合材料体系的基本性能进行了分析,当烧结温度为485℃时,复合材料的密度、硬度、电阻率与复合材料的增强相含量呈正相关关系。Al-Cu/Ti2AlC材料体系的密度、硬度以及导电能力均优于Al-Ti2AlC体系。当增强相质量百分含量为10%时复合材料的相对密度达到最高值,此时Al-10%Cu/Ti2AlC的相对密度为98.57%,Al-10%Ti2AlC的相对密度为96.39%。对不同温度下制备的AMCs的导电性能研究发现,Al-10%Ti2AlC复合材料的电阻率会随烧结温度的升高出现急速下滑的现象。对于Al-10%Cu/Ti2AlC复合材料,其电阻率随温度的变化并不明显,其电阻率仅在495℃时出现了小幅度的下滑。通过对两种不同的AMCs的力学性能研究发现,两种AMCs均具有很高的韧性。Cu层的引入有效的改善了复合材料的界面结合。通过对比可知引入Cu层后复合材料的力学性能得到了巨幅的提升,其主要性能指标均提高40%以上。
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