（材料加工工程专业论文）钛铝碳增强铝基复合材料的制备与摩擦学性能研究.pdf

l 。- _ - 。_ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 。- _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - 。_ _ _ _ _ _ 。o 一 一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：沙f 1 7 年多月i 五日 新签名：绨f 薯坪 签字日期：劲汐年么月。 - 中图分类号： u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通+ 大学 硕士学位论文 钛铝碳增强铝基复合材料的制备与摩擦学性能研究 f a b r i c a t i o na n dt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft i 2 a i c a ic o m p o s i t e s 作者姓名：马乾力 导师姓名：翟洪祥 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 8 8 9 职称：教授 学位级别：硕士 学科专业：材料加工工程研究方向：无机非金属 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在翟洪祥教授的悉心指导下完成的。翟教授渊博的知识，活 跃的学术思想，对事物深刻的洞察力和理解力，以及严谨的治学态度和科学的工 作方法给了我极大的帮助和影响。在两年的学习和生活中，导师的悉心指导和严 格要求，不仅使我学到了宝贵的科学文化知识，还学到了为人处事的道理，更培 养了我严谨的科研作风和由此产生的兴趣。在此衷心感谢两年来翟老师对我的关 心和指导。 黄振莺老师在科研、实验上积极表率，生活上无微关心，而且在课题研究上 打下了良好的基础，对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表 示衷心的感谢。 在攻读学位期间，本课题组的周洋教授、李世波副教授、李翠伟副教授等老 师对我的研究工作给予了无私的帮助，特此表示衷心的感谢。 李萌启，陈新华，朱剑锋，康建松，赵亮华和于欢等同学也给予了我很大的 帮助，在此也向他们表示感谢。 本论文由翟洪祥教授负责的国家“9 7 3 ”计划课题( 编号：2 0 0 7 c b 7 1 4 7 0 0 ) 、 国家支撑计划项目( 编号：2 0 0 9 b a g l 2 a 0 1 d 0 6 2 ) 和北京交通大学“十一五” 重大科技基金( 编号：2 0 0 6 x z 0 0 3 ) 联合资助完成。特此感谢。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 ， 中文摘要 摘要：随着材料科学的迅速发展，铝基复合材料的应用范围越来越广泛，对 其性能的要求也越来越高。t i 2 a 1 c 陶瓷材料兼有金属和陶瓷的独特性能，因此作 为增强相制备复合材料是当前国内外研究的热点。本论文主要探索了t i 2 a 1 c a 1 复 合材料的制备工艺，物理性能及摩擦学性能。 研究内容包括：( 1 ) 制备高纯的t i 2 a 1 c 粉体材料。( 2 ) 研究体积含量从1 0 6 0 的t i 2 a i c 粉和舢粉无压烧结块体的制备工艺。( 3 ) 利用x r d 、s e m 等分析手段和技 术，对材料的组织和微观结构进行分析和观察，进行密度、电阻率、强度等力学、 电学性能测试及分析。( 1 ) 利用摩擦试验机对材料的摩擦学性能进行研究和分析。 研究结果表明：以s n 作为t i 2 a 1 c 的合成反应助剂，可有效地抑制合成产物中 t i c 等杂质相的生成，在此基础上，采用常压高温煅烧方法可合成高纯度t i 2 a 1 c 粉 体材料。以t i 2 a l c 粉体和舢粉为原料，在6 5 0 7 5 0 范围内保温3 0 r a i n 无压烧结， 可得到t i 2 a i c a 1 复合材料。 在t i 2 a 1 c a 1 复合材料的制备中，t i 2 a 1 c 完全分解，主要生成了灿3 t i 、t i c 等化 合物。 t i 2 a i c a i 复合材料的弯曲强度平均值在7 9 6 7 m p a - 2 9 6 5 m p a 之间，随着 t i 2 a 1 c 体积含量的增加，复合材料的强度下降，同时随着烧结温度升高，材料的 强度有所提高。复合材料的电阻率平均值在0 0 4 3 1 x o - m q ) 7 7 9 q m 之间，有较低的 电阻率。密度在2 6 0 9 e m 3 到3 0 8 9 c m 3 之间，可见，用比重小的砧制备t i 2 a i c a 1 复合材料，其密度比t i 2 a i c 陶瓷材料明显减小。 t i 2 a 1 c a 1 复合材料表现出良好的摩擦磨损特性。摩擦系数呈现随法向载荷和 速度的增大而减小的趋势；磨损率随速度的增大而减小，随法向载荷增大而增大。 摩擦表面存在的具有良好润滑作用的自生成氧化薄膜是影响t i 2 a i c a 1 复合材料具 有较小的摩擦系数和磨损率的重要因素，其在摩擦过程中呈熔融状态。 关键词：t i 2 a 1 c a 1 复合材料；制备；物理性能；摩擦学性能 分类号： a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a t e r i a ls c i e n c e ，t h ea p p l i c a t i o nf i e l d o fa l m a t r i xi sg e t t i n gm o r ew i d e l ya n dt h er e q u e s to fg e n e r a lp r o p e r t i e st oa i - m a t r i xi s g e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r d u et oh a v et h es p e c i a lp r o p e r t i e so fb o t hm e t a la n dc e r a m i c s ， t i 2 a i ch a sb e c a m et h eh o t s p o to fr e s e a r c hi n l a n da n do v e r s e a sa st h ew i l dp h a s e t h i s w o r km a i n l ys t u d i e st h ep r e p a r a t i o n , p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dt r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c eo f t i 2 a 1 c a ic o m p o s i t e s t h em i s s i o n so ft h i sw o r ka r c - 1 ) t of a b r i c a t eh i g hp u r i t yo f7 i i 2 a 1 cp o w d e r 2 ) t o s t u d yt h ef a b r i c a t i o no f ( 1o , - 6 0 v 0 1 ) t i 2 a i c a 1c o m p o s i t eb u l k sb yap r e s s u r e l e s s c a l c i n i n gt e c h n i c 3 ) u s i n gt h et e c h n o l o g i e so fx r d ，s e m ，e d s e t c t oc h a r a c t e rt h e c o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h em a t e r i a la n dt e s t i n gt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e s 4 ) u s i n gt h et e c h n o l o g i e so ff i i c t i o nt e s t i n gm a c h i nt oa n a l y s i sa n dr e s e a r c ht r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e so fm a t e r i a l s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：u s i n gs n 嬲a d d i t i v e sc a l le f f e c t i v e l yi n h i b i tt h eg e n e r a t i n g o f t i cp h a s ea n do t h e ri m p u r i t i e si nt h es y n t h e s i z i n gp r o c e s so ft i 2 a 1 c b a s e do nt h i s t e c h n i q u e ，t h en e a r l yp u r et i 2 a 1 cp r o d u c t sc a l lb er e l i a b l yo b t a i n e d ，i nl a r g es c a l e ，b ya p r e s s u r e l e s sc a l c i n i n gt e c h n i c a l s o ，t h ec o m p a c tt i 2 a c a ic o m p o s i t ec a l lb eo b t a i n e d b yp r e s s u r e l e s ss i n t e r i n gt h ep r o p e rr a t i o so f a 1a n dt i 2 a 1 cp o w d e r sa m o n g6 5 0 - 7 5 0 w i t h3 0 m i nh e a t i nt h ep r e p a r a t i o no ft i 2 舢c a 1c o m p o s i t em a t e r i a l ，z i 2 a i cc o m p l e t e l yd e c o m p o s e d ， m a i n l yg e n e r a t e da 1 3 t i ，t i cc o m p o u n d s t h ef l e x u r a ls t r e n g t ho ft i 2 a 1 c 胤c o m p o s i t em a t e r i a li sb e t w e e n7 9 6 7 m p aa n d 2 9 6 5 m p a , w i t hi n c r e a s i n go ft i 2 m cv o l u m ec o n t e n t , t h ef l e x u r a ls t r e n g ho ft i 2 m c ，舢 d e c r e a s e d ，a tt h es a m et i m e 谢t l li n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，t h ef l e x u r a l s t r e n g ho ft i 2 a 1 c a i i n c r e a s e d t h ee l e c r t r i c a l r e s i s t i v i t y i s a m o n go 0 4 3 衅。m 0 7 7 1 t o m t h ec o m p o s i t em a t e r i a l sh a v ear e l a t i v e l yl o wr e s i s t i v i t y ；a n dt h ed e n s i t yo f t i 2 a 1 c a 1i sb e t w e e n2 6 0g c m a n d3 0 8 咖m j t h ec o m p o s i t em a t e r i a l ah a v eal o w e r d e n s i t y t h er e s e a r c hs h o w e dt h a t ，t h et i 2 a 1 c a 1c o m p o s i t em a t e r i a le x h i b i t e dg o o df i i c t i o n a n dw e a rc h a r a c t e r i s t i c s n l ef r i c t i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e n o r m a lp r e s s u r ea n ds l i d i n gs p e e d t ot h ew e a rr a t e ，i ti n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f n o r m a lp r e s s u r ea n dd e c r e a s e d 谢t l lt h ei n c r e a s eo fs l i d i n gs p e e d t h el o wf r i c t i o na n d s m a l lw e a rr a t eo ft h et i 2 a 1 c a 1c o m p o s i t em a t e r i a ld r y l ys l i d i n ga g a i n s tl o wc a r b o n s t e e la s c r i b e dt ot h eo x i d el a y e rw h i c hr e v e a l sag o o ds e l f - l u b r i c a t i n gf u n c t i o n ，i tw a si n af u s e ds t a t ei nt h ep r o c e s so f t h ef r i c t i o nb e h a v i o r k e y w o r d s ：t i 2 a i c a 1c o m p o s i t em a t e r i a l ；f a b r i c a t i o n ；p h y s i c a lp r o p e t i e s ； t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s c l a s s n 0 ： 1 3 4 铝基复合材料性能影响因素1 1 3 4 性能分析3 2 3 4 1 弯曲强度3 2 3 - 4 2 电阻率。3 8 3 4 3 密度和致密度一4 2 3 4 4 维氏硬度。4 8 3 5 本章小结5 0 4 t i 2 a 1 c a 1 复合材料的摩擦学性能研究5 l 4 1 引言51 4 2 试验设备一5 1 4 2 1 盘块式高速摩擦磨损试验机5 1 4 2 2 测试原理5 2 4 3 试样的制备5 8 4 4 实验方案5 8 4 5t i 2 a 1 c a i 的摩擦磨损特性5 8 4 5 1 摩擦的微凸体理论和摩擦系数的随机波动性。5 9 4 5 2 影响t i 2 a 1 c a i 摩擦磨损性能的因素6 4 4 6 磨损面状态与分析7 2 4 7 本章小结。7 7 5结论7 9 参考文献8l 作者简历8 4 独创性声明8 5 学位论文数据集8 6 r 1 1 引言 1绪论 传统陶瓷是以粘土为主要原料烧制而成，其成分中含硅酸盐。现在人们研制 出了不含硅酸盐的化合物陶瓷，如由氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、 硫化物或其它无机非金属材料的陶瓷，此外还有在陶瓷中掺入金属的金属陶瓷和 以金属纤维或无机非金属增强的纤维增强陶瓷。这些陶瓷由于其化学组成、显微 结构及性能不同于普通陶瓷，故称为特种陶瓷、高技术陶瓷或精细陶瓷。传统陶瓷 成型方法大致有压坯、浇注和旋坯等几种，而特种陶瓷有热压铸、热压、等静压 及气相沉积等多种成型方法。特种陶瓷不同的化学组成和组织结构决定了它不同 的特殊性质和功能。如高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、 透光、半导体以及压电、铁电、光电、电光、声光、磁光等。由于其性能特殊， 这类陶瓷可作为工程结构材料和功能材料应用于机械、电子、化工、冶炼、能源、 医学、激光、核反应、宇航等领域。一些经济发达国家，特别是日本、美国和西 欧国家，为了加速新技术革命，为新型产业的发展奠定物质基础，投入大量人力、 物力和财力研究开发特种陶瓷。因此，特种陶瓷发展十分迅速，在技术上也有很 大突破。特种陶瓷在现代工业技术，特别是在高技术、新技术领域中的地位日趋 重要。2 l 世纪初特种陶瓷的国际市场规模预计将达到5 0 0 亿美元，因此许多科学 家预言：特种陶瓷在2 l 世纪的科学技术发展中，必定会占据十分重要的地位。 众所周知，陶瓷材料有其独特的优良性能，但也有其自身的缺陷而限制了其 应用的范围。特种陶瓷具有高温强度高、抗氧化、耐腐蚀等性能，但其自身的缺 点如脆性以及在成形、机械加工等方面的难度和随之带来的高成本，也限制了陶 瓷材料的广泛应用。而复合材料则集上述各类材料的优点于一身，克服了单一材 料的不足，因而研制和开发新型复合材料已受到世界各国研究学者的重视。 金属陶瓷是一种典型的复合材料，它是由金属或合金相与一种或多种陶瓷相 组成的多相复合材料，陶瓷相的含量可以高达7 0 v 0 1 。金属陶瓷的结构可以描述 为在金属基体上分布着陶瓷晶粒即陶瓷晶粒通过金属基体连接起来，陶瓷与金属 间的结合一般认为是依靠化学或机械结合。金属陶瓷既保持有陶瓷的高强度、高 硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又有较好的金属韧性和可 塑性，目前已广泛应用新型刀具瞳3 ，热电偶保护套，导弹喷管套衬，喷气火焰控制 器口1 ，机械应力遥感测试装置h 3 等领域，显示出独有的优异性能。 钛铝碳( t i 2 a i c ) 材料是一种具有层状结构的三元化合物新型材料体系，在常 温下具有很好的导热性能和导电性能，有较低的维氏显微硬度和较高的弹性模量 和剪切模量，像金属一样可进行机械加工，并在较高的温度下具有塑性等金属的 优良性能；同时又具有较高的屈服强度，高熔点，高热稳定性，良好的抗氧化性 和自润滑性这类陶瓷的优良性能。翟洪祥教授在进行了长期的研究、实践之后， 原创性完成了将t i 3 s i c 2 系材料晦3 应用到受电弓滑板的技术突破。并且为了进一步更 好的解决弓网材料载流摩擦的突出矛盾，提出了弓网关键材料适配性研究，也取 得了长足的进展。这些原始性的创新得到了国家8 6 3 计划和国家9 7 3 计划的支持， 对于我国高速铁路技术发展具有十分重要的意义。 1 2t i 2 a i c 陶瓷的研究现状 t i 3 s i c 2 系陶瓷材料是一类物理特性相似的三元层状化合物，其通用分子式为 m n + l a x ，其中m 为过渡金属，a 主要为i i i 和族元素，x 为c 或n 旧，n = l ，2 ， 3 ；m 叶l a x n 属于层状六方晶结构，空间群为p 6 3 m m c 。 心+ l a x n 2 1 13 1 2 4 1 3 图1 12 1 1 、3 1 2 和4 1 3 相m n + l a x n 系材料结构图 f i g 1 1s t r u c t u r a ld i a g r a mo f m 叶l a x n - c l a s sm a t e r i a lo f 2 1 1 ，3 1 2a n d 4 1 3p h a s e 2 这些新型三元层状化合物，以其许多优异的性能睁h 3 ，在世界范围内引起了科 学家的极大的研究兴趣。到目前为止，这些已知的化合物有5 0 多种。层状 m n + l a x n 化合物又分为2 1 1 相( n = l ，又称h 相) ；如n 2 舢c 、n 2 s i l c 等多种。3 1 2 相( n = 2 ) ，其代表性的化合物有t i 3 s i c 2 、t i 3 a i c 2 、t i 3 g e c 2 、t i 3 s n c 2e 3 1 等；和4 1 3 相( n = 3 ) ，如t i 4 a l n 3 、n b 4 舢c 3 t l a j 等。 本文主要研究的是t i 3 s i c 2 系陶瓷与舢的复合材料，作为增强相的主要是 t i 2 a 1 c 陶瓷材料。本节着重对t i 2 a i c 陶瓷的发展和研究现状进行归纳和介绍。 1 2 1t i 2 a i c 陶瓷材料简介 t i 2 a 1 c 是具有层状晶体结构的三元碳化物陶瓷材料，在国内外新材料研究领域 引起广泛关注。 t i 2 a 1 c 是h 相的典型代表化合物。理论密度为4 1 lg c m 3 。面雄l c 的晶体结构 最早由j e i t s c l l l 【o 和n o w o t i l y n 鲫测定，其晶体结构为六方晶系，空间群为p 6 3 m m c ， 晶格参数为a = 0 3 0 7 n m ，c = 1 7 6 9 n m 。紧密堆积的t i ：k 面体层被一平面层砧原子所 分隔，t i ：k 面体中心为碳原子，且每三层就有一层舢原子层，过渡金属原子t i 与c 原子之间形成八面体，c 原子位于八面体的中心，t i 原子和c 原子之间的结合为强 共价键，赋予材料高熔点、高弹性模量，而t i 原子和舢族平面之间为弱结合，类似 于石墨层间的范得华力弱键结合，使得材料具有层状结构和自润滑性。周延春啪1 等人用从头计算法计算结果表明：t i 2 a 1 c 结构中同时包含有金属键、共价键和离 子键。也正是由于在结构上的这些特点，使得t i 2 a 1 c 综合了金属和陶瓷的众多的 优点。 1 2 2t i 2 a 1 c 材料合成制备的研究现状 早在1 9 6 3 年n o w o t y n 町等人以n 粉，c 粉，越粉为原料在真空管中加热数百 小时合成了少量的n 雄1 c 粉，并测定了其基本结构。而后，他们以n 粉，t i c 粉， a 1 粉以及c 粉为原料，将粉末封装在真空的石英管内，电弧熔融后，在6 0 0 , - - - 1 2 0 0 4 c 退火1 7 0 5 0 0 h ，在水中淬火，得到t i 2 a 1 c 。到2 0 世纪9 0 年代初，p i e t z k a 等噜 用n 粉、t i c 粉、舢粉和c 粉经冷压后，放置在包有钼箔的氧化铝的坩埚里，在 氢气气氛下，1 3 6 0 1 5 3 0 温度下烧结2 0 h 得到t i 2 a 1 c 。以b a r s o u m 1 为首的课题 组用n 粉、c 粉、a 1 4 c 3 粉为原料合成了块状t i 2 a l c ，经1 8 0m p a 冷压后，再在 1 6 0 0 ，4 0 m p a 下热压4 h ，素坯用石墨纸包裹并撒b n 粉为防止粉料与石墨模具 起反应。此后，他们又用热等静压下用t i 粉，c 粉，a 1 4 c 3 粉为原料在4 0m p a ， 参见表卜1 。 表1 1t i ：a i c 的性能参数 t a b l e1 - 1p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f f i 2 a 1 c 分子式t i ：a 1 c 中文名称 英文名称 a ( n m ) c ( n m ) 分子量 密度( g c m 3 ) 维氏硬度( g p a ) 压缩强度 弯曲强度( m a a ) 断裂韧性( 1 v i p a m 1 尼) 电阻率( 岬m ) 电阻温度系数 摩擦系数 杨氏模量( g p a ) 钛铝碳 t i t a n i u ma l u r a i n u m c a r b i d e 0 3 0 7 1 7 6 9 1 3 4 7 2 4 1 4 5 嘲 3 91 3 9 3 m p a c 2 4 】 2 5 0 m p a 2 4 3 9 8 2 钔 0 3 7 冽 0 0 0 3 1 2 们 0 13 0 8 0 2 7 7 7 2 3 1 2 e 2 2 4 氧化速率( k g i n 4 s 1 ) 9 0 0 。cl 1 0 啕2 5 1 1 4 0 0 。c1 1 0 州2 5 3 1 2 4t i 2 a 1 c 材料的摩擦学性能研究现状 目前t i 3 s i c 2 系的晶体结构、基本物理特性和机械性能已经基本清楚，材料的 合成和制备技术已日趋成熟。目前国外正在把注意力从t i 3 s i c 2 系材料的制备和特 性研究转移到应用研究方面。作为一种易于加工的陶瓷材料，t i 3 s i c 2 系材料具有 相当高的弹性模量睁1 。这就意味着t i 3 s i c 2 系将可能成为可加工高刚度材料。由于这 类化合物独特的层状结构，正如之前科学t 作者所预料的那样，t i 3 s i c 2 系材料哺2 7 1 展现出了非同寻常的机械性能。 作为t i 3 s i c 2 系三元化合物中的一个典型代表的t i 2 a 1 c ，力学性能与t i 3 s i c 2 一样，t i 2 a 1 c 的v i c k e r s 硬度随加载的变化而变化汹1 ，v i c k e r s 硬度值比t i 3 s i c 2 相 应的v i c k e r s 硬度值低，这是由于t i 2 a 1 c 中的n 原子与a l 原子结合较弱，降低 了材料的硬度，也使得材料便于加工。同时显微组织观察发现，材料中存在多重 能量吸收机制，如分层、晶粒排出、晶粒弯曲等，来抵抗材料的破坏。t i 2 a 1 c 在 室温下抗压强度约为4 0 0m p a ，其脆性向塑性的转变温度点在1 0 0 0 * c 1 0 5 0 c 。材 料的破坏存在两种形式，即在低温下的剪切破坏模式和高温下的塑性破坏模式。 由于t i 2 a 1 c 层与层之间的结合力弱，使得材料极易发生剪切滑移，偏转了裂纹扩 展路径，提高了材料的抗破坏能力。而且盹a 1 c 是良好的导电体，良好的导电性 决定了它同时也具备良好的导热性。 t i 2 a 1 c 具有比t i 3 s i c 2 更好的抗高温氧化能力。n 雄1 c 块体材料在1 0 0 0 - - - 1 4 0 0 c 流动空气中的恒温氧化动力学遵循抛物线规律，即材料比表面增重的平方 与氧化时间成正比【2 7 瑚1 。试样氧化后会在表面形成由( i t 6 x 1 2 0 3 和t i 0 2 组成的致密氧化 膜。氧化层可分为内外两层，外层是极少量的t i 0 2 ，内层是致密连续的a a 1 2 0 3 。 氧化过程由t i 和a l 离子的向外扩散和0 的向内扩散控制。在1 0 0 0 。c 以下，t i 2 a 1 c 几 乎不发生氧化，相比之下，碳在6 0 0 。c 即开始发生氧化。t i 2 a 1 c 还具有良好的耐热 震性，温度超过1 6 0 0 。c 时，受压变形过程伴随着明显的塑性，且此时对应着非常 高的压应力( 1 2 0 0 时为2 0 0 m p a ) 。 t i 2 a 1 c 自身具有较高强度、好的抗破坏机制、优异的导电导热性能、抗氧化 性、抗热震性和较低的摩擦系数。这些优势绝大部分是现有的浸金属碳材料所不 具备的。因而从材料的自身机质上，t i 2 a 1 c 比碳更具优势，更有可能成为一种优 异的摩擦材料。 t i 2 a 1 c 如上诸多的优异性能赋予了这种三元层状陶瓷材料广泛的应用前景。 1 、用其良好的自润滑性、导电性和较高的强度，制作机车受电弓滑板、大功 率电机的电刷、整流环等高速滑动接触导电的构件； 2 、利用其良好的导电性、耐高温性和抗热震性，制作熔炼金属的电极，尤其 是在炼铝方面的应用； 3 、利用其良好的自润滑性、耐高温氧化性和很高的抗压强度，制作在空气或 氧化气氛中使用的高温轴承； 4 、利用其耐高温、抗氧化性和抗热震性，制作燃气轮机的耐高温部件； 5 、利用其可加工性及良好的高温强度，使其有可能成为目前可加工陶瓷如 m a c o r ( 聊) 的替代材料。 “ 其中，t i 2 a 1 c 所具有的高导电率、热导擎和自润滑特性使其作为导f 乜摩擦材 料、电阻焊电极材料、高温轴承等应用前景十分广阔，它是理想的载流摩擦副的 材料，所具有的优异载流摩擦磨损特性也使其成为了高速铁路受电弓滑板的理想 材料。本论文在研究t i 2 a 1 c 复合材料制备与物理性能的同时，也是要重点对t i 2 a 1 c 复合材料的摩擦学性能进行研究。 1 3 铝基复合材料的研究现状 复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料。铝在制 作复合材料上有许多特点，如质量轻、密度小、可塑性好，铝基复合技术容易掌 握，易于加工等，因此铝基复合材料具有比基体更高的比强度、比模量和低的热 膨胀系数，尤其是弥散增强的铝基复合材料，不仅具有各向同性特征，而且具有 可加工和价格低廉的优点；此外，铝基复合材料高温性能好，更耐疲劳和更耐磨， 阻尼性能好，热膨胀系数低。同其他复合材料一样，它能组合特定的力学和物理 性能，以满足产品的需要。因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用 的、最重要的材料之一。 铝基复合材料的研究开始于上世纪5 0 年代。近2 0 年来，从理论上、技术上都 取得了较大成就。铝基复合材料的基体可以是纯铝，也可以是铝合金，其中采用 铝合金的居多。工业上常采用的铝合金基体有a 1 m g 、a 1 s i 、a 1 一c u 、a 1 l i 和a l f e 等。 按照增强体的不同，铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强 铝基复合材料。 纤维增强铝基复合材料具有一系列优异性能，但价格昂贵，它的主要用途和 性能如表卜2 所示： 6 表1 2 纤维增强铝基复合材料的性能和用途f 2 9 】 t a b l e1 - 2p e r f o r m a n c ea n da p p l i c a t i o no ff i b e rr e i n f o r c e da l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e s l 2 9 l 颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金 属镜光学系统、汽车零部件；此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统 的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等。目前开发的铝基复合材料主要 有b a 1 ，b c a 1 ，s i c a 1 ，a 1 2 0 3 a 1 ，s i c p 砧，添加的纤维分为颗粒、晶须、短晶 须和长纤维，其中s i c p a 1 复合材料成本低。发展前景较好，美国已经将其制造的 型材和管材用在了各种航空航天器上。 1 3 1 铝基复合材料主要研究性能 1 强度、模量与塑性 增强体的加入在提高铝基复合材料的强度和模量的同时，降低了塑性。大量 研究表明，s i c 增强的铝基复合材料较相应的铝合金具有更优良的强度。随着s i c 7 体积分数的增大，其强度和模量均有较大程度的提高，而塑性却降低，且在s i c p a l 复合材料中加入更为细小的弥散质点a 1 4 c 3 和a 1 2 0 3 可以明显提高复合材料的强度 啪1 。此外微结构如基体晶粒尺寸、增强相尺寸及分布是否均匀、位错密度及晶界 析出均是影响强度和塑性的重要因素。另有研究表明d ，s i c a i 复合材料的强度 随着面际抗切强度的增加而增加，其可靠性也随之得以改善，当面际抗切强度接 近基体的抗切强度时，面际抗切强度对材料强度及其可靠性的作用是有效的。 2 抗磨损性能 与基体合金相比，铝基复合材料表现出良好的抗磨损性能，并随着加入颗粒 尺寸的减小和数量的增多而变强。在滑动磨损实验中，颗粒及纤维增强的铝基复 合材料的耐磨性有两个数量级的提高，但随着磨粒尺、j 的增大，载荷中冲击成分 的提高使其耐磨性迅速下降。材料的耐磨性的好坏取决于强化机制、增强相之间 的相互制约及其与基体在变形过程中的协调作用。当然，也与增强相类型及基体 合金的性能有关。有研究表明，当材料时效到硬度峰值时，磨损率最低，摩擦系 数最大3 。增强相的聚结显著降低材料的耐磨性。 3 疲劳与断裂韧性 铝基复合材料的疲劳强度和疲劳寿命一般比基体金属高，这与刚度及强度的提 高有关，而断裂韧性却下降。有报道，用s i c 纤维增强的6 0 6 1 越和7 0 7 5 灿疲劳 强度增加5 0 - - - 7 0 。目前对复合材料疲劳断裂过程的研究分为疲劳裂纹的萌生和 扩展两个方面。现有的研究工作在实验的基础上得出疲劳裂纹萌生于s i c 附近。 s i c 与铝合金界面或s i c 晶须端部附近的基体中，也观察到基体中大块夹杂物破碎 导致裂纹萌生。再者，由于使用的绝大部分颗粒是在加工过程中从大的颗粒上碎 裂下来的，碎裂的颗粒存在于复合材料中从而提供了裂纹萌生的位置。裂纹的扩 展取决于裂纹尖端的微结构和宏观上最大应变方向。由断口分析可以看到断面上 的空穴分为两种，一种控制材料的脆性行为，而另一种则控制其塑性行为。有人 用一次空穴和二次空穴的概念解释s i c p a 1 材料宏观上变脆而微观上表现一定程度 的韧性行为1 。 4 热性能 增强体和基体之间的热膨胀失配在任何复合材料中难以避免，但可通过控制 增强体和基体的含量以及增强体在基体中的分布来减小热失配。很多研究者提出 了预测复合材料热膨胀系数的模型，用实验测定了膨胀系数以及分析了铝基复合 材料总的热膨胀性能汹1 。为了使复合材料的膨胀系数与给定的基片相匹配，必须 采用合适的体积分数。改变铝合金的成分也对复合材料的热膨胀系数作某些额外 的补充控制。 导热性是另一个重要的热性能。铝基体中单向排列的碳纤维在纤维方向上具 8 有很高的导热性，纤维横向的导热性约为铝的2 3 。事实上，在一2 0 1 4 0 。c 时复合 材料沿纤维方向的导热性优于铜。以单位重量计的导热性，复合材料约是纯铝的4 倍，为6 0 6 1 a 1 的2 6 倍。 1 3 2 铝基复合材料的主要类型 1 连续纤维增强铝基铝合金 连续纤维增强型铝合金具有较高强度、弹性模量、耐热性和耐磨性等。各种 纤维增强型铝合金的高温抗拉强度与传统材料相比，其提高幅度从低到高，范围 很宽。更为芎要的是其强度、刚性和热涨系数等可以随意变化，而且能够预测。 有多种适合铝合金的连续纤维，即硼化物、碳化硅、氧化铝和石墨，已成功用于 发动机活塞环、连杆和气缸套等。如日本本田开发的连续铝纤维增强型铝基复合 材料用来取代铸铁缸套，不仅达到减重目的，而且能够减小气缸变形，提高汽 缸和活塞的耐磨性。 2 晶须( 或短纤维) 增强铝基复合材料 晶须( 或短纤维) 增强铝基复合材料由于具有高的比强度、比模量，良好的热 稳定性，以及抗疲劳、耐磨损等性能而得到迅速发展。s i c 和s i 晶须被认为是铝基 复合材料的最好增强体，但价格昂贵。最近开发出的钛酸钾晶须，价格仅为s i c 或 s i 晶须的1 1 0 - - 1 2 0 。该材料应用最成功的实例是用来增强外壁环形沟槽的柴油机 活塞。 3 颗粒增强铝基复合材料 颗粒增强铝基复合材料已经在工业上应用了多年。用铸造和各种热加工方法 便可大量生产。这种复合材料的优势是能用简单、低成本的方式生产近净成型部 件，并可高速大批量地生产复杂形状的复合材料部件。 1 3 3 正在研究的几种重要的铝基复合材料 1 纳米相增强铝基复合材料 纳米材料的尺寸非常细小( 1 - - - 1 0 0 n m ) ，形状多为规则的近球状因此。在铝 基复合材料的制备中若能以纳米级颗粒作为增强相。应该能改善增强相与基体的 结合界面，提高结合强度，进而提高铝基复合材料的力学性能和理化性能等。 2 钛酸钾晶须增强铝基复合材料 利用挤压铸造法和粉末冶金法制备的钛酸钾晶须复合材料有良好的切削加工 性，其性能优异之处还在于它的抗拉强度与热膨胀系数，在常温和高温下，抗拉 9 强度均高于基体，热膨胀系数比基体低得多。同时复合材料的硬度和弹性模量也 有明显的提高。但晶须与基体合金会发生较严重的界面反应。磨损性能与基体相 比并无明显的优势。 3 a 1 2 0 3 a 1 复合材料 此类材料常用a 1 2 0 3 颗粒、短纤维或晶须来强化基体。在制作方法上有粉末冶 金法、混合铸造法和熔体锻造法。制造时也要改善它与基体之间的润湿性。用c u 、 n i 对材料改性，可提高硬度、抗拉强度等性能。n i a 1 2 0 3 ，与铝熔体有良好的润 湿性，是制备该类材料的最佳增强体；也可在a 1 2 0 3 表面进行氧化物涂层处理来改 善基润湿性。 4 s i c a l 复合材料 此复合材料主要是用碳化硅纤维及晶须用铸造法、液相压制法或熔体浸渗高 压凝固法生产。生产时需要改善金属陶瓷的润湿性，常在s i c 表面进行涂层处理， 防止其与铝发生反应，涂层处理可分为金属涂层处理和陶瓷涂层处理。金属涂层 处理常用的方法是化学镀法和电镀法；陶瓷涂层制备方法主要有化学气相沉积法、 物理气相沉积法和溶胶一凝胶法。 5 碳管纳米增强铝基复合材料 随着碳纳米管( c n t s ) 的出现和纳米晶材料研究的深入，为复合材料性能的进 一步提高提供了一个新的途径。c n t s 具有极小的尺度及优异的力学性能。其封闭 中空管状结构具有良好的稳定性，并且具有优异的力学性能；同时，由于碳纳米 管的自润滑作用，使得这种复合材料在摩擦磨损方面表现出优异的性能曙7 1 。因此， 碳纳米管作为一维纳米晶须增强材料在复合材料中具有重要的应用价值。 6 其他复合材料 铝基金属玻璃和铝基纳米复合材料现在日本和西方国家在开发铝基金属。主 要是以铝一过渡族元素或镧系金属为基，此外还包含n i ，c o ，f e ，y ，l a ，c e 等 的三元和四元化合物。这些金属玻璃的弹性模量虽然相当低，但屈服应力却可高 于10 0 0 m p a ，可制成薄带或丝，已在许多领域大显身手。铝基纳米复合材料具有超 高强度( 可达1 6 g p a ) 。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a 枷粒 子。它的合金元素包括稀土( 如y ，c e ) 和过渡族金属( 如f e ，n i ) 。通常用快速凝固 技术获得纳米复合结构，这种材料具有良好的强度以及疲劳强度。在高温下表现 出很好的超塑性。包层复合材料包层复合材料是将铝板等与其他材料如钢、钛、 铜等用机械结合法、扩散结合法连结起来，其强度性能主要取决于被包覆的材料， 而与铝合金的种类没有太大关系。其制造方法有：轧制法、挤压法、拉拔法、爆 炸法、扩散结合法、焊接法和粉末冶金法等。 1 0 1 3 4 铝基复合材料性能影响因素 1 席0 备工艺 金属基复合材料的制备工艺较复杂，主要是因为金属熔点较高，需要在高温 下操作，不少金属对增强体表面的润湿性很差，加上金属在高温下较活泼，易与 多种增强体发生反应。目前的制备方法主要是液态法、粉末冶金法、沉积法和原 位法。 液态法是用液态金属浸渍纤维束，或使液态金属强制进入纤维预制件，压力 一直施加到凝固结束，后者由于熔融金属被强制进入纤维预制件中的小孑l 隙，所 以并不要求熔融金属对增强体有好的涧湿性，其制得的复合材料的增强体与基体 之间的反应最小，没有孔隙和缩孔等常规铸造缺陷。 粉末冶金法是传统的粉末冶金工艺在新的工程材料制备上的发展。随着制粉 工艺的发展和分散工艺方法的完善，人们已经利用粉末冶金法成功制备了大量性 能优异的铝基复合材料，它们不仅具有高比强、高比模、低膨胀、高抗磨的特点， 而且可以随意调整工艺路线。这种方法制备的铝基复合材料中增强相分布均匀， 界面反应易于控制，在性能和稳定性上大大优于其他工艺方法制备的材料。 沉积法的缺点是耗时，但也具有若干优点：界面粘接的程度容易控制，在沉 积基体前能在纤维上形成界面阻挡层和良好的涂层，或者形成组分梯度变化的界 面；可以制造纤维缠绕的薄的单层带，它们比其他先驱体容易加工和制成结构形 状。沉积工艺有：浸涂、电镀、喷涂、化学气相沉积和物理气相沉积。 另外，通过元素间或元素与化合物之间反应制备原位生长陶瓷增强金属基复 合材料是近年来迅速发展的一种新的复合工艺方法。由于这些增强相引入的特殊 性，不仅它的尺寸非常细小，而且与基体具有良好的界面相容性，使得这种复合