关键词： 纤维增强铝基复合材料   金属纤维   碳化硅晶须   混杂增强   强韧化机制   摩擦磨损  

摘要： 铝基复合材料具有高比强度、高比模量以及耐磨损等优异综合性能。但金属基复合材料的本征特性是强度和韧性倒置。为获得一种高强韧型的铝基复合材料,本论文尝试采用高强韧金属纤维增强铝,提高强度,改善材料韧性;为进一步提升材料性能,同时满足火星表面行走的耐磨性要求,在复合材料增强体纤维中混杂耐磨颗粒。首先,选择钛纤维(Ti)和不锈钢纤维(SSF)作为高强韧金属纤维增强铝,研究纤维铺层方向(0°-90°,15°-75°,30°-60°以及45°-45°)对复合材料力学性能的影响,利用压力浸渗法制备金属纤维增强铝合金复合材料。研究发现当金属纤维沿着45°-45°方向时,复合材料综合性能最佳。2D-Ti/5056Al复合材料(45°-45°)的抗拉强度达到478MPa,冲击吸收功为7.1J;在同等条件下,2D-SSF/5056Al基复合材料的弯曲强度低,冲击吸收功小,并且与基体发生剧烈反应,生成30-40μm的反应层。为进一步提高Ti纤维增强5056铝基复合材料的强韧性能,同时改善复合材料的耐磨性,在复合材料增强体纤维中混杂陶瓷颗粒(SiC/B4C),采用压力浸渗法制备多尺度混杂增强铝基复合材料;同时为避免Ti-Al之间发生界面反应,生成AlTi脆性相降低复合材料力学性能,在Ti纤维表面制备Ti N涂层。结果表明,2D-Ti与SiC混杂增强5056Al复合材料能获得更好的力学性能。添加1wt.%SiC晶须时,复合材料的综合力学性能最好,抗弯强度达到533MPa,相比于2D-Ti/5056Al提高了11%;冲击吸收功为8.1J,相比2D-Ti/5056Al提高了14%;失稳断裂韧度和断裂能均提高,断裂韧性达到29.1(MPa·m)。但复合材料的层间剪切强度呈现随SiC晶须加入量增加而下降的趋势,加入5wt.%SiC晶须后,复合材料的层间剪切强度降低到176.72MPa,降低了13.6%。随着SiC晶须含量的增加,复合材料的综合性能出现先增加后减小的趋势。含有Ti N涂层的2D-Ti/5056Al复合材料的抗拉强度从478MPa提高到542MPa左右,抗拉强度提高了近13.4%,但的延伸率密明显下降。最后,探究多尺度混杂增强铝基复合材料的摩擦磨损性能。在复合材料增强体纤维中混杂陶瓷颗粒,可以显著提高复合材料的耐磨性。添加1wt.%SiC晶须时,复合材料的耐磨性能最好,磨损率低,摩擦系数稳定,磨损机制随着载荷的增加变化不大,主要为磨粒磨损和粘着磨损,优异的耐磨效应可归因于SiC晶须和纤维的协同混杂增强效应。研究表明,金属纤维-陶瓷颗粒多尺度混杂强化铝基复合材料表现出轻质、高强、高韧以及耐磨等优异的综合性能,对促进金属基复合材料的迅速发展具有非常重要的意义。

关键词： 三元硼化物   金属陶瓷   碳化硅晶须   增韧增强   力学性能  

摘要： 三元硼化物基金属陶瓷具有优异的耐高温和耐腐蚀性能,广泛应用于航空、汽车和工具等行业。但三元硼化物基金属陶瓷的断裂韧性和强度较差,限制了其在工业领域的进一步应用。因此研制具有高强度、高韧性以及高耐磨性的三元硼化物基金属陶瓷具有重要的应用价值。本文主要开展三元硼化物基金属陶瓷的增韧增强机理研究,通过优化烧结工艺、添加增韧相碳化硅晶须(SiCw)、添加增强相合金V的方式,成功制备出高韧性、高硬度以及高耐磨性的三元硼化物基金属陶瓷。首先优化了MoNiB基金属陶瓷的制备工艺,包括球磨时间、烧结温度以及保温时间。通过扫描电镜对球磨粉末进行观察发现,球磨23小时的粉末粒度最细小且分布均匀,此时粉末的破碎和冷焊处于最佳平衡状态。通过分析金属陶瓷微观组织和力学性能发现,在烧结温度为1250℃,保温时间为40分钟时,金属陶瓷的两相组织分布较均匀且没有大的孔洞,力学性能最佳。在优化的烧结工艺基础上,采用反应渗硼烧结技术成功制备出SiCw增韧的MoNiB基金属陶瓷。通过显微观察分析得出,SiCw能够细化晶粒,添加0.5wt%SiCw的金属陶瓷晶粒尺寸达到最小值3.57μm,比未添加SiCw的晶粒尺寸减少了6.7%。通过物理力学性能测试得出,添加0.5wt%SiCw的金属陶瓷维氏硬度为1113HV,抗弯强度为1620 MPa,断裂韧性为27.97 MPa·m,与未添加SiCw的金属陶瓷相比分别提高了16.8%,22.7%和25%。证明SiCw能够显著提高MoNiB基金属陶瓷的力学性能,原因是SiCw的加入抑制了硬质相晶粒的生长,细化了晶粒,并且未引起相的变化。通过扫描电镜对裂纹途径和断口形貌观察分析SiCw的增韧机理,发现主要有晶须桥接、裂纹偏转、晶须拔出和微裂纹增韧四种方式。另外,SiCw的添加使金属陶瓷的穿晶断裂增加,穿晶断裂比沿晶断裂消耗更多的能量,也增加了金属陶瓷的断裂韧性。通过摩擦磨损实验发现添加SiCw后金属陶瓷的摩擦系数和磨损表面积减小,说明添加SiCw能够提高金属陶瓷的耐磨性。在添加0.5wt%SiCw的基础上,制备了添加V的MoNiB基金属陶瓷并对其微观组织、物理力学性能以及耐磨性进行测试分析。发现添加2wt%V的MoNiB基金属陶瓷两相分布均匀,硬质相晶粒细小,但密度略有降低。添加2wt%V的MoNiB基金属陶瓷力学性能最佳,其维氏硬度为1233 HV,抗弯强度为1680 MPa,与未添加V的相比,分别提高了10.8%和3.7%。通过实验可得,添加2wt%V的MoNiB基金属陶瓷的维氏硬度显著提高,添加V主要通过转变硬质相晶体结构、固溶强化和细化晶粒三种方式对金属陶瓷进行增强。通过摩擦磨损实验发现添加2wt%V的金属陶瓷耐磨性最好,磨损率和摩擦系数都达到最小值分别为0.51和1.08×10 mm/N·m,与未添加V的相比分别降低了5.5%和59%,说明添加V能够有效提高金属陶瓷的耐磨性。本研究解决了MoNiB基金属陶瓷强度低、韧性差和耐磨性差的问题,揭示了SiCw对金属陶瓷的增韧机理,揭示了V元素对金属陶瓷的增强机理,为制备高性能的MoNiB基金属陶瓷提供了理论基础和技术指导,对提高MoNiB基金属陶瓷耐磨性能、拓展其应用范围具有重要的研究价值。

关键词： 聚醚酰亚胺   碳化硅晶须   3-氨丙基三乙氧基硅烷   聚脲   芳香聚硫脲   界面改性   氧化锆   介电性能  

摘要： 近年来,随着风力发电和微电子系统领域的发展,高分子介电材料凭借其自身柔性、高击穿强度以及优异的充放电效率受到广泛关注。但由于高分子自身极化能力较弱,介电常数较低,极大限制了介电材料储能密度的提升。为了提高高分子的介电性能,常将具有高介电常数的陶瓷填料,如钛酸钡(Barium titanate,BT)、碳化硅(Silicon carbide,SiC)、钛酸锶钡(Barium strontium titanate,BST)等或者具有高电导率的导电填料,如碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)、石墨烯纳米片(Graphene nanoplatelets,GNPs)、碳纳米纤维(Carbon nanofibers,CNFs)等作为填料引入到高分子基体中制备高分子介电复合材料。但由于填料较高的表面能以及与高分子基体的两相性质差异,会引入大量的界面缺陷,使得复合材料的击穿强度降低,难以实现介电复合材料在实际中的应用。因此,通过对填料进行界面改性制备具有高介电常数、低介电损耗的介电储能材料具有十分重要的研究意义。碳化硅晶须(Silicon carbide whiskers,SiCw)是一种具有高导热的半导体填料,作为耐高温介电材料的增强体受到广泛关注。本论文通过不同的改性方法对SiCw进行表面改性,并将其引入到耐高温的聚醚酰亚胺(Polythermide,PEI)基体中,研究了不同界面层3-氨丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane,AMEO)、聚脲(Polyurea,PUA)、芳香聚硫脲(Aromatic polythiourea,ArPTU)与PEI之间的相互作用,还探究了界面相互作用对复合材料常温和高温下介电性能的影响。研究发现相比于PUA和ArPTU,AMEO的改性对于复合材料高温介电性能的改善更为优异,继而通过AMEO对宽带隙的纳米氧化锆(Zirconia,ZrO)进行表面改性,制备了具有高储能密度的介电复合材料,并探究了AMEO界面层在高温高电场下的作用机理。主要研究成果如下:(1)针对SiCw在PEI基体中容易团聚,两者界面相容性差这一问题,通过AMEO对SiCw进行表面改性制备了SiCw-AMEO填料,并采用溶液共混的方法制备了SiCw-AMEO/PEI复合材料。利用结构表征证明了SiCw-AMEO与PEI基体之间存在着氢键作用,并通过形貌表征发现SiCw-AMEO能够在PEI基体中均匀分散且两者具有较好的相容性。介电性能测试发现AMEO界面层的存在降低了SiCw与PEI之间的强界面极化,从而使SiCw-AMEO/PEI的介电常数相比于SiCw/PEI有一定的降低。SiCw-AMEO在PEI基体中的均匀分散以及与基体良好的界面粘合抑制了复合材料的介电损耗。当SiCw-AMEO含量为15 wt%时,25℃时复合材料的介电常数和介电损耗分别为16.2和0.031。同时AMEO能够在界面处形成深陷阱以捕获载流子,在25-150℃范围内,SiCw-AMEO/PEI展现出相比于SiCw/PEI更为优异的高温介电性能。(2)针对AMEO的界面修饰降低了复合材料的介电常数这一问题,通过在SiCw表面上原位聚合制备具有不同偶极矩大小的聚合物壳层PUA和ArPTU,并制备了SiCw-PUA/PEI和SiCw-ArPTU/PEI复合材料。利用结构表征证明了PUA/ArPTU与PEI之间存在着强烈的氢键作用。介电性能测试发现PUA和ArPTU的高偶极基团能够使它们分别与SiCw、PEI产生双重界面极化,在相同填料含量下,SiCw-PUA/PEI和SiCw-ArPTU/PEI复合材料的介电常数相比于SiCw/PEI更高。此外,PUA的脲基和ArPTU的硫脲基团具有较高的偶极矩,能够充当电子陷阱,这种陷阱能使传导载流子的数量减少,导致更低的介电损耗。但在高温条件下,由于会发生次级反应,这会导致复合材料高温介电性能的恶化。研究发现具有更高偶极矩的ArPTU能够促进复合材料介电性能的进一步提高。当SiCw-ArPTU含量为15 wt%时,25℃下SiCw-ArPTU/PEI复合材料的介电常数达到19.6,介电损耗降低至0.017。(3)较窄带隙的SiCw难以使复合材料在高温高电场下保持优异的绝缘性能,同时填料的团聚会造成电场畸变使复合材料击穿强度大幅度下降。针对这一问题,通过AMEO对宽带隙的纳米ZrO进行表面改性制备了ZrO-AMEO填料,并制备了ZrO-AMEO/PEI复合材料。介电性能测试表明AMEO能够在填料表面形成强相互作用,并增加了分子相间极化率,促进了纳米复合材料介电性能的提高。此外,AMEO与宽带隙的ZrO纳米粒子能够在高温高电场下协同作用形成更深的陷阱以捕获载流子,显著降低常温和高温下的

关键词： 氮化硅   碳化硅晶须   致密化   力学性能   烧结-热等静压  

摘要： 以Yb_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)作为烧结助剂,采用烧结-热等静压工艺制备了具有高致密度和优异力学性能的Si_(3)N_(4)-SiC_(w)复合材料,研究了TiO_(2)含量对Si_(3)N_(4)-SiC_(w)复合材料致密化和力学性能的影响。结果表明:TiO_(2)的加入促进了Si_(3)N_(4)-SiC_(w)复合材料的致密化。随着TiO_(2)含量的增加,Si_(3)N_(4)-8%SiC_(w)复合材料的抗弯强度、断裂韧性和Vickers硬度均呈现出先提高后降低的变化趋势。当TiO_(2)含量(质量分数)为3%时,Si_(3)N_(4)-8%SiC_(w)复合材料的相对密度和综合力学性能最佳,其相对密度、抗弯强度、断裂韧性和Vickers硬度分别为(99.5±0.1)%、(1 301±87) MPa、(7.8±0.1) MPa·m^(1/2)、(16.2±0.1) GPa。TiO_(2)和Si_(3)N_(4)之间的原位反应生成的SiO_(2)和TiN对Si_(3)N_(4)-SiC_(w)复合材料的界面结合强度及力学性能产生了重要影响。

关键词： 耐火材料   ZrO_(2)-C材料   热处理温度   抗热震性能   碳化硅晶须   浸入式水口  

摘要： 浸入式水口是钢铁连铸工序中关键的功能耐火材料,其中以渣线部位的工作环境最为恶劣。目前,最适合的渣线材料是ZrO_(2)-C材料。为了提高浸入式水口的性能,本文以氧化锆与鳞片石墨为主要原料,添加增强材料氧化锆纤维及金属硅粉等,以酚醛树脂为结合剂制备ZrO_(2)-C复合材料。比较了1000℃、1200℃和1500℃三种热处理温度对ZrO_(2)-C材料的性能及显微结构的影响,结果表明,在热处理温度高于1200℃时,ZrO_(2)-C材料中的硅粉与石墨发生反应生成碳化硅,大量晶须状碳化硅与ZrO_(2)纤维交错在一起形成网络结构,提高了材料的力学性能和抗热震性。

关键词： SiC_(w)   ZrO_(2)   断裂韧性   抗弯强度  

摘要： 以Al_(2)O_(3)和ZrO_(2)作为复合烧结助剂,在1800℃、30 MPa的条件下,采用放电等离子烧结(SPS)技术制备高致密的SiC陶瓷。研究碳化硅晶须(SiC_(w))的不同添加量对SiC陶瓷微观结构、相组成和力学性能的影响。研究结果表明,样品主要包含β-SiC、t-ZrO_(2)、m-ZrO_(2)三种晶相。SiC_(w)的添加会阻碍SiC晶粒的生长,适量的SiC_(w)的添加,可显著提高样品的综合力学性能,当SiC_(w)含量为20 wt.%时,样品的断裂韧性和抗弯强度分别达到5.35 MPa·m^(1/2)和650 MPa。裂纹扩展路径表明,样品存在由SiC_(w)和ZrO_(2)协同作用引起的裂纹偏转和裂纹桥接等增韧机制,因而其强度和韧性获得了提高。

关键词： 原位反应   碳化硅晶须   氮化硼   导热绝缘   硅橡胶  

摘要： 利用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)分别处理碳化硅晶须(SiCw)和氮化硼(BN),得到表面带氨基的碳化硅晶须(NH_(2)-SiCw)和表面带环氧基的氮化硼(Epoxy-BN)。随着NH2-SiCw与Epoxy-BN在硅橡胶基体中原位反应时间的延长、反应温度的升高,复合材料的导热系数呈增加趋势。NH_(2)-SiCw与Epoxy-BN在二甲苯中的预反应时间对复合材料导热系数的影响,以及复合材料的断面形貌结果显示NH_(2)-SiCw与EpoxyBN在硅橡胶中发生了原位反应。原位反应15min时,复合材料的导热系数达到了2.23W/(m·K),比未发生原位反应时提高了7.7%,此时复合材料的拉伸强度和体积电阻率分别为2.35MPa,3.7×10^(13)Ω·cm。

关键词： 轮胎半焦   碳热还原反应   碳化硅晶须   升温程序   生成机理  

摘要： 以轮胎半焦和石英砂为原料,采用碳热还原法制备出碳化硅晶须。利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对制得的产物进行物相组成和形貌分析,探究反应温度(1300~1500℃)、反应时间(120~300 min)、升温程序以及半焦粒度对合成碳化硅晶须的影响规律。结果表明:温度控制在1350℃左右,且采用先升至1500℃成核再降至1350℃保温生长的加热方式时更有利晶须生长;原料粒度能够同时对碳化硅的生成和晶须的生长产生影响;随着半焦粒度的减小,碳化硅晶须的产量和质量均呈先升高后下降的趋势。在轮胎半焦粒度100~120目(150~120μm)、反应温度1350℃、反应时间240 min的最佳条件下,碳化硅产率为95.36%,制得的晶须直径为50~120 nm,长度为50~80μm且分布均匀。

关键词： SiCw   Al2O3   凝胶注模成型   力学性能   强韧化机理  

摘要： AlO陶瓷具有熔点高、硬度高、耐酸碱腐蚀以及优良的电绝缘性等优异性能,在能源、航天、机械、汽车和化工等领域都有着广泛的应用。由于氧化铝陶瓷材料所具备的特点,使其在烧结之后很难再进行二次加工。所以本实验采用了凝胶注模成型工艺,无需进行二次加工即可满足坯体的成型要求。为达到强韧化陶瓷的目的,将SiC(碳化硅晶须)作为第二添加相,在氩气保护气无压烧结的条件下制备了SiC/AlO复相陶瓷。本文的主要研究内容和结论如下:(1)研究了氧化铝粉体的表面改性和SiC含量与料浆流变性能的关系,并对氧化铝浆料的粘度值进行了分析。研究表明,当SiC含量达到10%时,AlO基陶瓷复合浆料的粘度值为67Pa·s,复合浆料的流变性能较好。(2)研究了pH值和分散剂与氧化铝浆料稳定性能的关系,对氧化铝浆料进行了Zeta电位的测定。研究表明,当料浆pH值为9、分散剂含量为1wt%时,Zeta电位的绝对值达到最大值,此时浆料处于最稳定的状态。(3)研究了SiC含量与氧化铝陶瓷性能的关系,并对氧化铝陶瓷的气孔率、抗弯强度、断裂韧性等性能进行了分析。研究表明,当SiC含量为10%时,SiC/AlO陶瓷的抗弯强度和断裂韧性同时达到最大值,分别为48MPa和3.01MPa·m。(4)本文对SiC的强韧化机理进行了研究,并通过微观形貌等检测手段对其进行了详细的分析。研究表明,增韧相SiC通过晶须拔出、裂纹偏转以及裂纹桥接等形式消耗了裂纹扩展能,起到了增韧氧化铝陶瓷的作用,提高了陶瓷材料的力学性能。(5)研究了烧结制度与氧化铝陶瓷性能的关系,并对氧化铝陶瓷的气孔率、抗弯强度、断裂韧性等性能进行了分析。研究表明,当烧结温度为1550℃、保温时间为3h时,SiC/AlO陶瓷的抗弯强度和断裂韧性同时达到最大值,分别为82MPa和5.11MPa·m。

关键词： 碳化硅晶须   还原氧化石墨烯   制备方法   形核机理   微波吸收  

摘要： 一维结构碳化硅晶须(SiCw)因其高硬度、高熔点、宽带隙、化学稳定性等特点被认为是一种具有潜力的微波吸收材料。然而，碳化硅晶须在实际的应用中却面临着品质及纯度难以调控、形核机理不清、电磁波响应机制不明的问题。基于此，本论文以稻壳灰和还原氧化石墨烯为原料，通过调控原料分布方式、混料比、反应温度，揭示了碳化硅晶须形貌、结构及产率的演变规律，探究了碳化硅晶须的生长对还原氧化石墨烯结构变化的影响，从而揭示了碳化硅晶须生长过程中的形核机理，最终阐明了碳化硅晶须在还原氧化石墨烯、木质素空心碳微球等炭材料上的成核效应对微波吸收能力的影响。本论文主要结论如下:　　(1)将稻壳灰和还原氧化石墨烯的混合料作为原料，通过碳热还原反应制备出直径在50-150nm、长度达几十微米的碳化硅晶须，其生长过程遵循气-液-固生长机理。通过优化原料配比、合成温度等条件得到了纯度高的晶须状碳化硅。　　(2)采用稻壳灰和还原氧化石墨烯层铺的方式制备了高产率的碳化硅晶须。研究表明，下层硅源（稻壳灰）中混入一定量还原氧化石墨烯（重量比10∶1）有效提供了高浓度的SiO气体。该气体浓度决定了碳化硅晶须产率和堆积缺陷密度。获得的碳化硅晶须沿[111]方向取向生长且直径范围在30-120nm之间。结合实验和化学反应热力学进一步描述了碳化硅晶须生长的反应过程，其生长过程遵循气-固生长机理。　　(3)利用原料层铺的方法，以1400℃热处理得到的还原氧化石墨烯为原料制备了碳化硅晶须/还原氧化石墨烯复合材料。碳化硅晶须的生长不仅诱使了大量连接位点的形成，也造成还原氧化石墨烯的sp2平面畴尺寸减小、sp3结构增加、含氧官能团含量降低。结合实验与理论计算表明，还原氧化石墨烯中的含氧缺陷为碳化硅形核提供了有利的反应位点，并提升了碳化硅晶须的产率。此外，还原氧化石墨烯中特定缺陷（单空位缺陷、C-O缺陷）诱使的孤对电子是碳化硅发生形核反应的前提。碳化硅形核过程中，含氧结构周围的C-O键易受到SiO分子攻击而获得稳定的成核构型，并致使还原氧化石墨烯原子结构的转变。　　(4)通过原位生长和物理混合法制备了碳化硅晶须/还原氧化石墨烯气凝胶吸波材料。相对于物理合成法，原位生长法制备的碳化硅晶须/还原氧化石墨烯气凝胶展现出优异的微波吸收性能。当吸收层厚度为2.00mm时，其最小反射损耗值为-60.05dB，最大有效吸收带宽可达6.72GHz。这主要是由于碳化硅晶须与还原氧化石墨烯间形成的连接位点有效的改善了吸波材料的阻抗匹配，并提升了介电损耗。　　(5)以木质素磺酸钠和稻壳灰为原料，通过喷雾干燥技术和碳热还原法制备了碳化硅晶须/木质素空心碳微球(SiCw/HCMS)。通过控制合成温度，可调控碳化硅晶须在木质素空心碳微球球壳表面的含量。对材料的介电损耗特性分析表明，碳化硅晶须的引入使得复合材料的阻抗匹配性质得到调节，且异质界面诱使的界面极化是造成电磁波发生衰减的主要原因。在2-18GHz范围内，SiCw/HCMS-1450的最小反射损耗值为-48.60dB、最大有效吸收带宽为4.34GHz。