電場(chǎng)激活和壓力輔助法制備AlMgB14基超硬復(fù)合材料及性能表征.pdf

1、AlMgB14超硬材料因具有較高的硬度、優(yōu)良的耐磨性、化學(xué)惰性、低摩擦系數(shù)及廉價(jià)的原材料等特點(diǎn),是繼金剛石、立方氮化硼、碳化硼之后,硬材料中的又一新成員,近年來(lái)受到極大關(guān)注。AlMgB14基復(fù)合材料可承受大范圍的溫度變化,將主要應(yīng)用于軍工、金屬切削、采礦、林產(chǎn)、石油業(yè)及農(nóng)業(yè)等行業(yè)的特殊機(jī)械。近期研究表明AlMgB14-TiB2復(fù)合材料的顯微硬度可達(dá)到48GPa,且具有特殊的耐磨性、韌性和熱傳導(dǎo)性等重要性能。電場(chǎng)激活和壓力輔助燒結(jié)合成技術(shù)

2、(Field Activated and PresseureAssisted Synthesis,FAPAS)是在多物理場(chǎng)(電場(chǎng)、機(jī)械場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng))耦合條件下的新材料合成新技術(shù),具有溫度高、升溫速度快、高效和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為耐高溫功能塊體材料合成的關(guān)鍵技術(shù)之一。
　　 本文采用機(jī)械合金化(Mechanical alloying,MA)與FAPAS工藝合成了AlMgB14塊體及其復(fù)合材料,采用X射線衍射、掃描電鏡、透射電

3、鏡手段對(duì)其進(jìn)行了表征。研究了AlMgB14-TiB2復(fù)合材料及AlMgB14-CNTs復(fù)合材料的合成原理、制備工藝、致密化和力學(xué)性能;對(duì)燒結(jié)溫度、壓力等工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)物純度及性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析;采用顯微硬度壓痕法對(duì)合成金屬陶瓷的斷裂韌性進(jìn)行表征,采用磨粒磨損試驗(yàn)和單點(diǎn)劃痕試驗(yàn)對(duì)樣品表面耐磨性進(jìn)行分析。
　　 研究結(jié)果表明,以Al-Mg-B為反應(yīng)體系,采用電場(chǎng)激活與壓力輔助燒結(jié)法(FAPAS)技術(shù)可以制備致密的AlMgB14塊

4、體材料。本方法具有加熱快、時(shí)間短、節(jié)能和純度高的優(yōu)點(diǎn),為合成AlMgB14提供一條新途徑。對(duì)Al-Mg-B體系的相圖分析表明,燒結(jié)溫度大于1000℃,加熱速度為100℃/min以及足夠的燒結(jié)時(shí)間是保證體系反應(yīng)完全且獲得致密AlMgB14塊體材料的基本條件。
　　 通過(guò)研究獲得的AlMgB14塊體材料的優(yōu)化工藝參數(shù)為:燒結(jié)溫度1400-1500℃、升溫速率100℃/min、軸向壓力60MPa、保溫時(shí)間8-10min;初始粉體最佳質(zhì)

5、量比例Al:Mg:B=0.1915:0.1363:0.6722,顆粒度在2μm左右。對(duì)于Al-Mg-B反應(yīng)體系,由FAPAS法制備的AlMgB14材料中通常含有MgAl2O4,原因是來(lái)自初始粉和球磨過(guò)程中殘留的氧與Mg、Al發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果。通過(guò)加入過(guò)量3wt.％Al和控制燒結(jié)溫度,有利于降低MgAl2O4的含量。制備的AlMgB14的平均硬度27.2GPa,平均密度為2.62g/cm3,斷裂韌性為3MPam1/2。
　　 將采用

6、FAPAS法制備的AlMgB14預(yù)反應(yīng)粉和TiB2粉混合,在燒結(jié)溫度1500℃,軸向壓力60 Mpa,升溫速度100℃/min、保溫時(shí)間15min條件下制備了具有較理想組織結(jié)構(gòu)的AlMgB14-TiB2復(fù)合材料;分析結(jié)果表明,AlMgB14-TiB2復(fù)合材料的顯微硬度隨TiB2含量的增加而增加;當(dāng)TiB2含量為30%時(shí),AlMgB14-TiB2復(fù)合材料的顯微硬度31.5GPa,斷裂韌性K1c值可達(dá)到3.65MPa·m1/2,比單一的Al

7、MgB14提高20%。從微觀結(jié)構(gòu)分析,AlMgB14-TiB2復(fù)合材料的增韌機(jī)制主要是硬質(zhì)相彌散強(qiáng)化、高強(qiáng)界面結(jié)合及TiB2的高彈性模量和高硬度增韌補(bǔ)強(qiáng),所以,把TiB2的顆粒尺寸降至納米級(jí)是提高韌性和硬度的一種有效方法。
　　 常溫摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明,在AlMgB14中添加TiB2使得材料的抗磨損性能提高。單一AlMgB14的摩擦系數(shù)為0.45-0.55,而AlMgB14-TiB2復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.4-0.45;

8、在相同載荷下AlMgB14-TiB2復(fù)合材料的磨損量隨TiB2添加量增加而降低,相同成分的AlMgB14-TiB2復(fù)合材料隨著所加壓力的增大使劃痕的寬度增大。
　　 采用FAPAS法制備了AlMgB14-CNTs復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,添加碳管不僅提高AlMgBt4的硬度,也提高了韌性,添加0.5%碳納米管的增強(qiáng)增韌效果最好。通過(guò)HRTEM、SEM和EDS對(duì)AlMgB14-CNTs的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)AlMgB14-CNTs

9、復(fù)相陶瓷硬度和斷裂韌性均隨碳納米管含量的增加呈先升后降,最大值分別在CNTs添加量為0.5wt%時(shí)獲得;然后隨碳納米管含量的繼續(xù)增加而逐漸降低;對(duì)添加0.5wt%碳管的復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)了這種機(jī)制:加入碳管細(xì)化了晶粒并形成混亂的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使裂紋沿著碳管和AlMgB14晶體之間的界面偏轉(zhuǎn)延伸導(dǎo)致增韌,由此提出,高質(zhì)量的碳納米管均勻地分散、不被破壞及和基體的相容性是大幅度提高AlMgB14-CNTs復(fù)合材料斷裂韌性的因素;另外,通過(guò)對(duì)