先进复合材料及其制备讲义

先进复合材料及其制备讲义第1页，课件共71页，创作于2023年2月内容提要1、先进复合材料概述2、先进复合材料设计的基本原则3、先进复合材料的制备技术4、金属基复合材料及其制备5、纳米复合材料及其制备6、案例：镁基纳米复合材料制备7、先进复合材料发展方向第2页，课件共71页，创作于2023年2月1、先进复合材料概述1.1复合材料的定义和分类1.2复合材料的结构1.3复合材料的性能特点与复合效果1.4先进复合材料的分类与性能特点1.5先进复合材料的应用第3页，课件共71页，创作于2023年2月1.1复合材料的定义和分类定义：复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。

第4页，课件共71页，创作于2023年2月

复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。

基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固纤维增强高分子复合材料结成一体，并起传递应力的作用。增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能(功能复合材料)的作用。（1）复合材料的定义第5页，课件共71页，创作于2023年2月（2）复合材料的分类复合材料按性能高低分为传统复合材料和先进复合材料。先进复合材料(advancedcomposites)：以碳、芬纶、陶瓷等纤维和晶须以及纳米颗粒等高性能增强相与高聚物、金属、陶瓷和碳（石墨）等基体构成的复合材料。先进复合材料在性能和功能上远远超出其单质组分的性能和功能。第6页，课件共71页，创作于2023年2月（2）复合材料的分类按基体材料分类，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层状复合材料。按复合材料的性能分类，可分为结构复合材料和功能复合材料。SiC颗粒Al2O3片Al2O3纤维增强相三种类型第7页，课件共71页，创作于2023年2月（2）复合材料的分类结构复合材料按不同基体分类

第8页，课件共71页，创作于2023年2月（2）复合材料的分类结构复合材料按不同增强体分类

第9页，课件共71页，创作于2023年2月1.2复合材料的结构几种典型复合材料结构第10页，课件共71页，创作于2023年2月1.2复合材料的结构a)单向纤维增强复合材料b)颗粒增强复合材料c)层状复合材料d)蜂窝夹心复合材料e)编织复合材料f)功能梯度复合材料第11页，课件共71页，创作于2023年2月1.3复合材料的性能特点比强度和比模量高其中纤维增强复合材料的最高。抗疲劳性能好

碳纤维增强材料-1可达b的70~80%。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。减振性能良好

复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。高温性能好。比强度比较碳纤维\树脂硼纤维\树脂玻璃纤维\树脂钛钢铝第12页，课件共71页，创作于2023年2月1.4先进复合材料及性能特点

（1）颗粒增强复合材料粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。这种复合材料是各向同性的。

卫星用颗粒增强铝基复合材料零件第13页，课件共71页，创作于2023年2月聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料(合成木材)等。陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。

粒子增强SiC陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶第14页，课件共71页，创作于2023年2月金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。

硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀第15页，课件共71页，创作于2023年2月硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛(YT)两类。牌号中，YG后的数字为含Co量，YT后的数字为碳化钛含量。硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。硬质合金模具硬质合金轴承刀具第16页，课件共71页，创作于2023年2月(2)层状复合材料层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。这种材料是各向异性的(层内两维同性)。如碳化硼片增强钛、胶合板等。层状陶瓷复合材料断口形貌三明治复合第17页，课件共71页，创作于2023年2月双金属、表面涂层等也是层状复合材料。结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。

有TiN涂层的高尔夫球头层状复合铝合金蜂窝夹层板第18页，课件共71页，创作于2023年2月(3)纤维增强复合材料

纤维增强复合材料是指以各种金属和非金属作为基体，以各种纤维作为增强材料的复合材料。

I纤维增强复合原则

在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。

碳纤维第19页，课件共71页，创作于2023年2月a)弹性模量及强度外力方向与纤维轴向相同时，c=f=m(f-纤维、m-基体、c-复合材料)，则当外力垂直于纤维轴向时，则b)纤维的临界长径比c)纤维最小体积分数第20页，课件共71页，创作于2023年2月纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。

纤维在基体中的不同分布方式第21页，课件共71页，创作于2023年2月

II纤维的种类和性能

i.玻璃纤维：用量最大、价格最便宜。

ii.碳纤维：化学性能与碳相似。

iii.硼纤维：耐高温、强度、弹性模高。

iv.金属纤维：成丝容易、弹性模量高。

v.陶瓷纤维：用于高温、高强复合材料。玻璃纤维碳纤维SiC纤维第22页，课件共71页，创作于2023年2月

vi.芳香族聚酰胺纤维:

强度、弹性模量高，耐热。

vii.聚乙烯纤维:

韧性极好，密度非常小。

viii.晶须：是直径小于30m，长度只有几毫米的针状单晶体，断面呈多角形,是一种高强度材料。分为金属晶须和陶瓷晶须。金属晶须中,Fe晶须已投入生产。工业生产的陶瓷晶须主要是SiC晶须。

SiC晶须第23页，课件共71页，创作于2023年2月

III聚合物基纤维增强复合材料通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，比强度也高得多。

材料种类纵向抗拉强度

MPa纵向弹性模量

GPa环氧树脂

696.9环氧树脂/E级玻璃纤维102045环氧树脂/碳纤维（高弹性）1240145环氧树脂/芳纶纤维（49）138076环氧树脂/硼纤维（70%Vf）1400-2100210-280第24页，课件共71页，创作于2023年2月

VI纤维增强金属基复合材料金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中。MMC的SEM照片第25页，课件共71页，创作于2023年2月MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMC的应用范围。航天飞机内MMC(Al/B纤维)桁架第26页，课件共71页，创作于2023年2月

V纤维增强陶瓷复合材料陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧性，并提高使用温度。陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。C/C复合材料Si/Si复合材料第27页，课件共71页，创作于2023年2月

用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须(如SiC和Si3N4)能起到陶瓷材料增韧的作用。ZnO晶须自增韧Si3N4陶瓷第28页，课件共71页，创作于2023年2月1.5先进复合材料的应用1、在航空航天领域的应用2、在汽车上的应用3、在民用领域的应用4、在军事领域的应用5、在材料加工领域的应用第29页，课件共71页，创作于2023年2月2、先进复合材料设计的基本原则复合材料设计的基本步骤第30页，课件共71页，创作于2023年2月2、先进复合材料设计的基本原则基体材料的选择：使用要求，组成特点，基体金属与增强物的相容性增强相的选择：颗粒增强相，纤维增强相，层片状增强相，混杂增强相性能复合准则（复合效应）：线性效应——平均效应，平行效应，相补效应，相抵效应。非线性效应——相乘效应，诱导效应，系统效应，共振效应。第31页，课件共71页，创作于2023年2月2、先进复合材料设计的基本原则各种增强体的力学性能比较

第32页，课件共71页，创作于2023年2月3、先进复合材料制备技术3.1制备方法分类固态法：基体金属在固态下与增强材料混合组成复合材料，包括：粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法。液态法：基体金属在熔融状态下与增强材料混合组成复合材料，包括：真空压力浸渍法、挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法、原位反应生成法表面复合法：物理气相沉积法、化学气相沉积法、热喷涂法、化学镀法、电镀法、复合镀法。第33页，课件共71页，创作于2023年2月3、先进复合材料制备技术3.2制备应满足的条件能使增强材料均匀地分布于基体中，满足复合材料结构和强度设计要求能使复合材料界面效应、混杂效应或复合效应充分发挥，有利于复合材料性能的提高与互补能够充分发挥增强材料对基体的增强、增韧效果设备投资少，工艺简单，可操作性强尽量实现复合材料产品的近净形制造，减少或避免后序加工第34页，课件共71页，创作于2023年2月3、先进复合材料制备技术3.3制备关键技术问题避免发生不利的化学反应（特别是金属基复合材料）改善增强材料与基体的润湿性使增强材料按所需方向均匀地分布于基体中第35页，课件共71页，创作于2023年2月4、金属基复合材料及制备原位反应合成技术机械合金化制备技术高能超声辅助制备技术半固态搅拌复合技术气孔/金属基复合材料（多孔金属）制备技术液相浸渗制备技术第36页，课件共71页，创作于2023年2月5、纳米复合材料及制备机械合金化制备技术高能超声辅助制备技术半固态搅拌复合技术纳米复合涂层制备技术液相浸渗制备技术第37页，课件共71页，创作于2023年2月6、案例：镁基纳米复合材料制备结构零件的轻量化要求在汽车和航空航天领域，结构零件的轻量化要求受到了越来越广泛的重视，并为此开展了大量的研发工作。其中作为结构材料中密度最小的镁合金，正在得到越来越广泛的应用。镁合金的缺点力学性能特别是高温力学性能有限，因此镁合金常常需要进行时效处理以提高性能，但时效处理却使镁合金的耐蚀性大大降低。因此研究和开发轻量化的镁基复合材料就势在必然。第38页，课件共71页，创作于2023年2月镁及镁基复合材料在不同温度下的性能Stress–straincurvesforunreinforcedmagnesiumanditscompositetestedatelevatedtemperatures.R.A.Saravanan,M.K.Surappa:MaterialsScienceandEngineeringA276(2000)108–116第39页，课件共71页，创作于2023年2月镁基纳米复合材料制备1、制备方法粉末冶金法(PowderMetallurgy)搅拌铸造法(StirCasting)DMD法(DisintegratedMeltDisposition)搅拌摩擦法(StirFriction)2、复合类型纳米陶瓷颗粒增强(Nano-sizedCeramicParticles)碳纳米管增强(CNTs)第40页，课件共71页，创作于2023年2月PowderMetallurgicalTechnology

NanosizedSiC(30nmindiameter)with3%vol.%andMgmicropowder(40μmindiameter)wasmixedfor8h,thenanoscaledSiCpowderinaasymmetricalmovedmixerfollowedbymillingthehalfofthebatchfor8hat200rpminaplanetaryballmill(Retsch,PM400)inasealedargonatmosphere.Themillingvesselof500mlvolumewasmadeofcorundumandthemillingballshavingadiameterof11mmweremadeofhardenedstainlesssteel(100Cr6).Theweightratioofball-to-powderwas10:1.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case1第41页，课件共71页，创作于2023年2月PowderMetallurgicalTechnology

Thecompositeswereencapsulatedinaevacuatedmagnesiumcontainer,degassedatabout350℃andextrudedbyapreheated(350℃)400thorizontalextrusionpress(outlet14mm).ForcomparisonalsosomeMgpowder(noadditives)wasconsolidatedinthesameway.Inordertostudythesampleregardingcontaminations,theywereanalysedinanopticalsparkanalyser(Spectrolab,SpectroAnalyticalInstruments).TensiletestoftheaspreparedmaterialswereperformedwithaPCcontrolleduniversaltestingmachineatstrainratedo:dt3.3104s1atdifferenttemperaturesinair.Creeptestswerecarriedoutatconstantstresses(Andradecam)at200and300℃inair.Alltestingspecimensweremachinedfromtheextrudedbarswiththeirsymmetryaxisparalleltotheextrusiondirection.Themicrostructureofthematerialswasinvestigatedbylightandtransmissionselectronmicroscopy.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case1第42页，课件共71页，创作于2023年2月TransmissionelectronmicrographsofMg3vol.%SiCnanoparticles;powderonlymixed(left)andalsomilledfor8hbeforeextrusion(right).LightmicroscopicalpicturesoftheextrudedMgbasedmaterials.PureMg(upperpart);mixedMg3vol.%n-SiCcomposite(middlepart);andmilledMg3vol.%n-SiCcomposite(lowerpart).H.Ferkel,B.L.Mordike:MaterialsScienceandEngineeringA298(2001)193–199第43页，课件共71页，创作于2023年2月Stress–straincurvesofMganddifferentn-SiC/Mgcompositesat(a)roomtemperature,(b)100,(c)200and(d)300°C.Thestrainratewas3.3×10-4s-1.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case1第44页，课件共71页，创作于2023年2月CreepcurvesofMganddifferentn-SiC/Mgcompositesat200℃at35MPaMagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case1第45页，课件共71页，创作于2023年2月CreepcurvesofMganddifferentn-SiC/Mgcompositesrecordedat200℃at45MPaInthelowerpart,anextendedpartofthecreepcurveofthemilledcompositeisgivenMagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case1第46页，课件共71页，创作于2023年2月SummaryofPMTInthecaseofthemixedpowdersthenanoparticlesdecoratetheelongatedcoarsengrainedMggrainboundariesafterextrusion.InthecaseofthemilledpowdersasubmicrograinedMgstructurewasdevelopedwiththenanoscaledSiCparticlesdecoratingtheshearbandwithintheheavilydeformedMgandalsowereatleastpartlydispersedintothesubmicronsizedmatrixgrainsafterextrusion.ThemechanicalinvestigationsrevealthatthemilledcompositeexhibitsthelargestflowstressandlowestcreepratesincomparisontotheothercompositeandpureMg.Themicroscopyofthecompositesafterthermaltreatmentsupto330℃showsthattheirmorphologyisessentiallypreserved.Itwasshownthattheincorporationofalow-volumefraction(3%)ofSiCnanoparticlesintoMgbyballmillingallowsthedevelopmentofcreepresistantlightweightsubmicrocrystallineMgbasedcomposites.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case1第47页，课件共71页，创作于2023年2月DisintegratedMeltDepositionMATERIALS:magnesiumturningsofmorethan99.9%puritywereusedasthebasematerialandnanosizedAl2O3particulateswithanaveragesizeof50nm,wereusedasreinforcementphase.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case2S.F.Hassan,M.Gupta:MaterialsScienceandTechnology20(2004)1383-1388第48页，课件共71页，创作于2023年2月DisintegratedMeltDepositionPRIMARYPROCESSING(DMD):(1)heatingthemagnesiumturningswithreinforcementparticulates(placedinamultilayersandwichform)to750℃inaninertArgasatmosphereinagraphitecrucibleusingaresistanceheatingfurnace.Thecruciblewasequippedwithanarrangementforbottompouring.Uponreachingthesuperheattemperature,themoltenslurrywasstirredfor2.5minat460rev/minusingatwinblade(pitch45°)mildsteelimpellertofacilitatetheincorporationanduniformdistributionofreinforcementparticulatesinthemetallicmatrix.TheimpellerwascoatedwithZirtex25(86%ZrO2,8.8%Y2O3,3.6%SiO2,1.2%K2OandNa2O,and0.3%traceinorganic)toavoidironcontaminationofthemoltenmetal.(2)Themeltwasthenreleasedthrougha10mmdiameterorificeatthebaseofthecrucible.Thecompositemeltwasdisintegratedbytwojetsofargongasorientatednormaltothemeltstreamandlocated265mmfromthemeltpouringpoint.Theargongasflowratewasmaintainedat25L/min.Thedisintegratedcompositemeltslurrywassubsequentlydepositedontoametallicsubstratelocated500mmfromthedisintegrationpoint.Preformof40mmdiameterwasobtainedfollowingthedepositionstage.Thesynthesisofmonolithicmagnesiumwascarriedoutusingstepssimilartothoseemployedforthereinforcedmaterialsexceptthatnoreinforcementparticulateswereadded.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case2S.F.Hassan,M.Gupta:MaterialsScienceandTechnology20(2004)1383-1388第49页，课件共71页，创作于2023年2月DisintegratedMeltDepositionSECONDARYPROCESSING:ThedepositedmonolithicandnanosizedAl2O3containingmagnesiumpreformsweremachinedto36mmdiameterandhotextrudedusinganextrusionratioof20.25:1ona150tonhydraulicpress.Extrusionwascarriedoutat250℃.Thepreformswereheldat300℃for90mininaconstanttemperaturefurnacebeforeextrusion.Colloidalgraphitewasusedaslubricant.Rodsof8mmdiameterwereobtainedfollowingextrusion.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case2S.F.Hassan,M.Gupta:MaterialsScienceandTechnology20(2004)1383-1388第50页，课件共71页，创作于2023年2月DisintegratedMeltDepositionMagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case2S.F.Hassan,M.Gupta:MaterialsScienceandTechnology20(2004)1383-1388第51页，课件共71页，创作于2023年2月S.F.Hassan,M.Gupta:MaterialsScienceandTechnology20(2004)1383-1388DisintegratedMeltDepositionprocessMagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case2第52页，课件共71页，创作于2023年2月SummaryofDMDAdisintegratedmeltdepositiontechniquecoupledwithhotextrusioncanbeusedtosynthesisenanoAl2O3particulatereinforcedmagnesiumcomposites.Grainrefinement,reasonablyuniformdistributionofreinforcementparticulates,andthepresenceofminimalporosityinthecompositemicrostructureindicatethesuitabilityofprimaryprocessingandsecondaryprocessingparametersusedinthepresentstudy.ResultsofcoefficientofthermalexpansionmeasurementsindicatedthatthenanoAl2O3particulatesreinforcedmagnesiumwasdimensionallymorestablethanelementalmagnesium.TheresultsofmechanicalcharacterisationrevealedthatthepresenceofincreasinglevelsofnanoAl2O3particulatesinmagnesiummatrixledtosignificantimprovementinhardness,elasticmodulus,0.2%YS,UTS,ductility,andworkoffracture.FractographyrevealedthatthefracturebehaviourofmagnesiummatrixchangedfrombrittletoductileasaresultofthepresenceofnanoAl2O3particulates.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case2S.F.Hassan,M.Gupta:MaterialsScienceandTechnology20(2004)1383-1388第53页，课件共71页，创作于2023年2月FrictionStirProcessingTheAZ61AbilletsusedinthisstudyhaveachemicalcompositioninmasspercentofMg–6.02%Al–1.01%Zn–0.30%Mn.Thisalloyisasolutionhardenedalloywithminimalprecipitation.Thebilletpossessednearlyequiaxedgrainsaround75μm(basedonthelinearlineinterceptmethodfromthreecross-sectionalplanes).Thebilletwascutasrectangularsamples60mminwidth,130mminlengthand10mminthickness.AmorphousSiO2nanoparticleshaveanaveragediameter20nmandpurity99.9%.TheamorphousSiO2particlesarenearlyequiaxedinshape,withadensityof2.65g/cm3.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case3C.J.Leeetal.

：ScriptaMaterialia54(2006)1415–1420第54页，课件共71页，创作于2023年2月FrictionStirProcessingThesimplifiedFSPmachineusedinthisexperimentwasamodifiedformofahorizontal-typemillingmachine,witha5HPspindle.Thefixedpintoolwas6mmindiameterand6mminlength.Theshoulderdiameterwas18mm,anda2°tiltangleofthefixedpintoolwasapplied.Thepitchdistancewas1mm.Theadvancingspeedoftherotatingpinwaskeptconstantinthisstudytobe45mm/min,withafixedpinrotationof800rpm.Theplateswerefixedbyafixtureandambientaircoolingwasapplied.Inordertomaintaintheentirefixtureattheinitialtemperature(roomtemperature)aftereachpass,thebackplateofthefixturewasdesignedtocontainthreecoolingchannelswithcoolingwaterpassingthroughthem.Usingthemethodsdescribedinapreviouspaper[6],thestrainrateandthemaximumtemperatureexperiencedduringFSParearound10/sand400℃,respectively.Toinsertthenano-SiO2particles,oneortwogrooveseach6mmindepthand1.25mminwidthwerecut,inwhichthenano-SiO2particleswerefilledtothedesiredamountbeforeFSP.Thegroove(s)werealignedwiththecentrallineoftherotatingpin.InordertopreventtheSiO2frombeingdisplacedoutofthegroove(s),surface‘‘repair’’wasaccomplishedwithamodifiedFSPtoolthatonlyhadashoulderandnopin.ThevolumefractionsoftheSiO2nano-particlesinsertedintotheAZ61Mgalloywerecalculatedtobearound5%and10%fortheoneandtwodeepgrooves(1Dand2D),respectively.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case3C.J.Leeetal.

：ScriptaMaterialia54(2006)1415–1420第55页，课件共71页，创作于2023年2月TheFSPprocedure:(a)cuttinggroove(s)andinsertingSiO2particles;(b)usingaflattooltoundertakethesurfacerepair;(c)applyingatoolwithafixedpintoundertaketheFSP;and(d)conductingmultipleFSPpasses.TEMmicrographanddiffractionpatternoftheamorphous20nmSiO2particles.SEMphotographofthe2D4Pspecimenshowingclusteredsilicalocatedongrainboundariesortriplejunctionandsomesilicaembeddedinthematrixgrains.TEMmicrographsshowingthematrixgrainsizeandSiO2particledistributionintheFSPcomposites:(a)1D1P;(b)1D4P;(c)2D1P;and(d)2D4P.C.J.Leeetal.

：ScriptaMaterialia54(2006)1415–1420ComparisonofthemechanicalpropertiesoftheAZ61alloyandcompositesMagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case3第56页，课件共71页，创作于2023年2月SummaryofFSPFrictionstirprocessingsuccessfullyfabricatedbulkAZ61Mgbasedcompositeswith5–10vol.%ofnano-SiO2particles.ThedistributionofamorphousSiO2nano-particlesmeasuringaround20nmafterfourFSPpassesresultedinsatisfactorilyuniformdistribution.Thegrainsizeofthe2D4Pcompositescouldbeeffectivelyrefinedto0.8μm,ascomparedwiththe7–8μmintheFSPAZ61alloysprocessedunderthesameFSPcondition.SomeSiO2reinforcementwouldreactwithMgtoformtheMg2SiandMgOphasesduringFSP.Nevertheless,bothphasesarestillinthe5–200nmfinescale.ThehardnessandmechanicalstrengthatroomtemperatureofAZ61Mgcompositeswithnano-fillerswasstrengthened,ascomparedwiththeAZ61castbillet.Andhighstrainraresuperplasticityover400%wasachievedinthe2D4Pcomposites.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case3C.J.Leeetal.

：ScriptaMaterialia54(2006)1415–1420第57页，课件共71页，创作于2023年2月Ultrasonic-assistedfabricationAZ91Dmagnesiumalloywasselectedasthematrixofthemagnesiumcomposite.ItschemicalcompositionislistedinTable1.Themeltingtemperaturerangeofthismagnesiumalloyis468–596◦C.Thereinforcementsweresiliconcarbidenanoparticleswithanormalizedaveragediameterof30nm.ItschemicalcompositionisshowninTable2.Magnesiumcompositeswith2.0wt.%and5.0wt.%nano-sizedSiCwereprepared.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290第58页，课件共71页，创作于2023年2月Ultrasonic-assistedfabricationHigh-intensityultrasonicwavewasusedforprocessingAZ91Dalloymelts.Theexperimentalsetupconsistsofprocessingunitsandcontrollingunits.AheatingunitwasusedtomeltAZ91Dinasmallgraphitecrucibleof2″diameter×2″height.Atitaniumwaveguide,whichwascoupledwitha20KHz600Wultrasonictransducer,wasdippedintothemelttoprocessthemelts.ThemagnesiummeltpoolwasprotectedbyCO2/SF6(volumeratio99:1)mixedgas.Nano-sizedSiCwasaddedtothecruciblefromthetopsurfaceofthemelts.Onetemperatureprobewasusedtomonitortheprocessingtemperature.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290第59页，课件共71页，创作于2023年2月Ultrasonic-assistedfabricationTheultrasonicprocessingtemperaturewascontrolledat620℃.Anultrasonicpowerof80Wfromthetransducerwasfoundtogenerateadequatenon-lineareffects[29,30]insidethecrucible.Agraphitepermanentmoldwithprotectionofthemixedgaswasusedtoobtainas-castbulknanocomposites.Withnano-sizedSiCparticlesinthemelts,theviscosityofmeltsbecamehigher.Thus,afterefficientultrasonicprocessing,ahighercastingtemperatureof700℃wasusedtoensureasatisfactoryflowabilityinsidethemold.Itshouldbenotednoultrasonicwaveusedduringthecastingprocess.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290第60页，课件共71页，创作于2023年2月Ultrasonic-assistedfabricationFormicrostructuralstudy,samplesofas-castbulkmagnesiumcompositeswerecut,mounted,mechanicallyground,andfinallypolisheddownto0.05m.SpecimensforSEMobservationwereetchedwitha2.0vol.%solutionofnitricacidinethanolfor5satroomtemperature,andthensputteredwithAuforbetterconductivity.Thedistributionofthenanoparticlesandindividualelementsinthecompositephaseswereinvestigatedwithascanningelectronmicroscopy(LEO1530SEM),equippedwithanEDSdetector.InelX-raydetectorwasusedtodeterminethephasesinmaterials(40KV,30mA).MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290第61页，课件共71页，创作于2023年2月SchematicofexperimentalsetupThemicrostructureofAZ91D(left)andAZ91D/5SiC(right)J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4第62页，课件共71页，创作于2023年2月MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290(b)traditionallymechanicalstirring.(a)UltrasonicstirringmethodSiCclustersinAZ91D第63页，课件共71页，创作于2023年2月SummaryofUltrasonicProcessingHigh-intensityultrasonicwavesarecapableofdistributinganddispersingnanoparticlesinMgmatrixwithnon-lineareffectsinliquids,especiallytransientcavitation.Fromthehigh-resolutionSEMobservation,SiCnanoparticlesarealmostuniformlydistributedinthematrix,althoughsomesmallclusters(lessthan300nm)stillexistinmatrix.EDSanalysisindicatesthattheSiCnanoparticelsarepartlyoxidized.ComparedtopurecastAZ91D,castAZ91D/5SiCyieldsMg2Sicompounds.TheMg2Sicompoundinthecompositesmightberesultedfromchemicalreactionstakingplaceduringtheultrasonicprocessingofcomposites.SicouldbeintroducedintothemagnesiummatrixbyreactionsbetweenMgandtheSiO2layerthatcoversthesurfacesofSiCnanoparticles.TheXPSanalysisalsoindicatestheexistenceofSiO2.ThemicrohardnessofnanoparticlereinforcedmagnesiumcompositesimprovedwiththeincreasingfractionofSiCnanoparticles.ThemicroharnessofAZ91D/5SiCincreasedby75%comparedtothatofAZ91D.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4J.Lanetal.：MaterialsScienceandEngineeringA386(2004)284–290第64页，课件共71页，创作于2023年2月Theinteractionbetweenhigh-intensityultrasonicwavesandnano-sizedparticleclustersinmagnesiummeltsHigh-intensityultrasonicwavesareespeciallyusefulinthattheygeneratesomeimportantnon-lineareffectsinliquids,namelytransientcavitationandacousticstreaming,whicharemostlyresponsibleforbenefitsincludingrefiningmicrostructures,degassingofliquidmetalsforreducedporosity,anddispersiveeffectsforhomogenizing.MagnesiumMatrixNano-compositeFabrication–Case4第65页，课件共71页，创作于2023年2月Theinteractionbetweenhigh-intensityultrasonicwavesandnano-sizedparticleclustersinmagnesiummeltsAcousticstreaming,aliquidflowduetoacousticpressuregradient,isveryeffectiveforstirring.MagnesiumMat