儀表級SiC-Gr-Al復合材料制備與性能研究.pdf

1、本文以慣性儀表為應用背景，在SiC/Al復合材料的基礎上以易加工、高比剛度、低膨脹、高阻尼及高尺寸穩(wěn)定性等性能為目標進行了材料設計，通過添加3％～7%，1μm～70μm的鱗片狀石墨的手段獲得上述性能。采用透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、體式顯微鏡、摩擦磨損試驗機、原子力顯微鏡(AFM)、切削力測試儀、熱膨脹儀、電子拉伸機、硬度計、X射線衍射儀(XRD)和內耗儀等手段研究了石墨的加入對SiC/Gr/Al復合材料微觀組織

2、、力學性能、加工性能和尺寸穩(wěn)定性的影響，并深入探討了其影響機理。
　　根據(jù)化學穩(wěn)定性和潤滑性能要求，選擇具有固體潤滑性質的石墨作為添加顆粒，并采用固體潤滑的相關理論分析了減磨機制。通過H-S模型和混合定律確定了石墨潤滑劑的上限值7.2%。定性分析了影響復合材料尺寸穩(wěn)定性的的各種因素。綜合考慮石墨對加工性能、力學性能和尺寸穩(wěn)定性的影響，提出了SiC/Gr/Al復合材料的設計原則。
　　TEM觀察表明，SiC-Al和Gr-Al界

3、面都未觀察到界面反應物，這與制備工藝相關，同時Gr-Al界面未生成界面反應物與高的石墨化率相關。石墨與基體為弱界面結合，且片層間容易滑移，在材料制備和熱處理過程中石墨可以釋放微觀應力，這使得SiC/Gr/Al復合材料中位錯密度較低或形成亞晶界；同時，依賴位錯形核的析出相密度也相應降低。
　　SiC/Gr/Al復合材料的熱膨脹系數(shù)介于11.5～13×10-6/℃之間，可以與軸承鋼的熱膨脹系數(shù)(12～13×10-6/℃)較好的匹配，阻

4、尼性能達到鋁合金的2～6倍左右，滿足儀表級復合材料對熱膨脹匹配及高阻尼性能的需求。
　　石墨體積分數(shù)增加，顆粒間距減小，基體連續(xù)性破壞，SiC/Gr/Al復合材料的拉伸強度顯著降低。SiC/Gr/Al復合材料的斷裂方式以石墨片層間或石墨/基體界面的脆性斷裂為主，但SiC+Al基體中具有一定的塑性變形特征；根據(jù)斷口分析將SiC+Al看成基體，石墨作為增強體，采用H-S模型SiC/Gr/Al復合材料的彈性模量進行預測，準確度可達到實際

5、值的93.5%。
　　通過摩擦磨損試驗對刀具/復合材料摩擦副切削過程中的摩擦狀況進行分析，揭示了SiC/Gr/Al復合材料表面磨擦過程中固體潤滑膜的生成是其摩擦系數(shù)和磨損率降低的主要原因。進一步通過潤滑理論對減磨機理進行分析，認為在摩擦副之間既使?jié)櫥げ煌暾驑O薄也能起到減磨作用.
　　石墨添加通過降低復合材料的強度和硬度，有利于切屑形成及石墨的固體潤滑性質三種機制改善SiC/Gr/Al復合材料的加工性能。刀具磨損與石墨加入

6、的體積分數(shù)相關，與粒徑關系不大，但切削力的大小受石墨粒徑影響較大。石墨的加入沒有改變SiC/Al復合材料切削過程背向力大于主切削力的特點。
　　尺寸穩(wěn)定性的研究表明:石墨的加入有利于材料的尺寸穩(wěn)定提高，主要原因粒徑為6μm,體積分數(shù)為5%石墨顆粒的加入使SiC/Al復合材料的宏觀應力降低30%，微觀應力降低20%，滿足應力的穩(wěn)定性，同時石墨的加入促進了位錯結構的穩(wěn)定化。無負載下的尺寸穩(wěn)定性和微屈服強度綜合考慮，確定A+TCC(0)