硼酸鎂晶須增強鎂基復合材料界面及混雜行為研究.pdf

1、鎂基復合材料具有輕質高強高模等優(yōu)點，在航空、航天、汽車及電子通訊等領域展現了廣闊的應用前景。其中，晶須增強鎂基復合材料，因其優(yōu)越的力學性能而備受國內外研究者的關注。然而，晶須與基體的界面問題成為晶須增強鎂基復合材料實際應用的關鍵瓶頸。論文以高性價比硼酸鎂晶須為增強相，通過制備工藝及界面的優(yōu)化設計，成功制備出硼酸鎂晶須增強鎂基復合材料，并對其微觀結構、界面反應層的形成規(guī)律及機理和力學性能進行了系統(tǒng)的研究;揭示了MgO界面反應產物的組織形態(tài)

2、對復合材料強化機制和斷裂行為的影響規(guī)律;以此為基礎，為進一步提升復合材料的綜合性能，研究了碳化硼顆粒的混雜行為對復合材料微觀組織和力學性能的影響規(guī)律，初步探討了混雜復合材料的界面形成機制、強化機制及其斷裂行為。
　　 采用擠壓鑄造法，成功實現20vol.％硼酸鎂晶須增強AZ91D鎂基復合材料的制備。復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。復合材料的力學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。
　　 硼酸鎂晶須表面無任何處理時，復合材料中晶須和基體合金界面潔凈，未發(fā)生化學反應，具有良好的化學相容性。復合材料斷口分析發(fā)現較多硼酸鎂晶須出現脫粘的現象，說明硼酸鎂晶須和基體的界面結合強度較低，不利于硼酸鎂晶須充分發(fā)揮其增強效用。為了優(yōu)化復合材料界面結構以提高力學性能，對硼酸鎂晶須進行表面處理，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復合材料TEM界面微觀結構分析表明，在復合材料的制備過程中三種膜層均與基體合金發(fā)生化學反應并形成具有不同微觀結構的MgO界面反應層:涂覆Al(PO3)3膜層時，晶須/基體界面處MgO顆粒相對較為粗大，且隨膜層厚度增加，MgO顆粒逐漸增大;涂覆ZnO膜層時，晶須/基體界面處呈現雙層結構，即細小顆粒組成的MgO薄膜層上黏附著較粗大的MgO顆粒;涂覆TiO2膜層時，晶須/基體界面處呈

5、現織構化MgO組織。
　　 Al(PO3)3、ZnO和TiO2膜層硼酸鎂晶須增強復合材料力學性能測試結果表明，MgO界面反應層厚度及其微觀結構對復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復合材料中，彎曲強度隨MgO界面反應層厚度的增加呈現先增加后減小的趨勢，當MgO界面反應層的厚度約為25nm時，彎曲強度達到最高值467MPa，比無膜層處理時提高了15％。對比研究上述三種復合材料界面微觀結構和力學

6、性能可以發(fā)現:由ZnO膜層生成的細小MgO顆粒比Al(PO3)3膜層生成粗大MgO顆粒更能提高復合材料的彎曲性能，而由TiO2膜層反應生成的織構化MgO能更進一步提高復合材料彎曲性能，其彎曲強度和彎曲模量達到568MPa和66GPa，分別比無膜層時提高了40％和32％。復合材料彎曲性能的提高主要歸因于界面結合強度和載荷傳遞效率的提高。硼酸鎂晶須增強復合材料中存在載荷傳遞強化、位錯強化和細晶強化三種強化機制，它們使得復合材料具有較高的強度