纳米铝合金复合材料资料课件.ppt
纳米铝合金复合材料,2011-2-28,目录,1 引言2 纳米铝合金复合材料 2.1 颗粒增强铝基复合材料 2.2 原位自生纳米铝合金复合材料 2.3 铝基纳米复合材料3 结语4 致谢,1 引言,金属级复合材料：以金属或合金为基体，并以纤维、晶须或颗粒等为增强体的复合材料。,而近年来在金属级复合材料的发展中，铝基复合材料的发展尤为迅速。,优点1：重量轻、比强度、比刚度高、剪切强度高、热膨胀小、热稳定性高、优良的导电、导热，耐磨、耐蚀等；优点2：铝资源丰富，容易加工。,1 引言,纳米材料具有超细晶粒和大量内界面的特殊微观结构，从而表现出诸多特殊的力学、物理和化学性能；,近年来，很多研究者在金属、有机物和陶瓷中添加纳米颗粒，制备的复合材料都比基体的性能有较大的提高。,2.1 颗粒增强铝基复合材料颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度、比刚度、热稳定性，较低的热膨胀系数，优良的导电、导热及耐磨、耐腐蚀等特点，制备容易、成本低，可进行二次加工，在航空航天、汽车、电子、惯性器件等领域具有广阔的应用前景。,2 纳米铝合金复合材料,颗粒增强铝基复合材料按增强体尺寸可分为：,（1）纳米级复合材料（增强体粒径为1-100nm）,（3） 亚微米级复合材料(粒径介于1，2之间),（2） 微米级复合材料（粒径为1m-100m）,2.1 颗粒增强铝基复合材料,纳米颗粒增强铝基复合材料的优势：,(1) 强化效果远高于微米级颗粒；,(2)界面结合强度良好；,(3) 同体积分数下，比微米级热膨胀系数小、热残余应力小，尺寸稳定性高；,(4) 细小的晶界滑移可实现高应变速率超塑性变形；,(5) 室温塑性和高温蠕变性能提高。,2.1 颗粒增强铝基复合材料,颗粒增强机制：,对于颗粒增强铝基复合材料，利用位错理论为基础的微观结构强化机制，是目前最常用的。增强相的加入会引起金属微观结构发生重大变化，如位错密度明显增加、基体晶粒细化、亚晶尺寸减小等，最终引起复合材料力学性能的变化。,(1) 位错强化机制:在制备或热处理过程中，由于增强体和基体间较大的热膨胀系数产生热错配应变，热错配应变以产生位错环来松弛，产生的高密度位错使基体强化；,2.1 颗粒增强铝基复合材料,(2) Orowan强化：由于位错绕过增强颗粒运动而产生的强化；,颗粒增强机制：,(3) 晶粒细化强化：增强体会引起亚晶粒尺寸的减小，超细的亚晶粒尺寸会导致复合材料强度的增加；,(4) 加工硬化强化：形变时，基体变形，颗粒不变，颗粒周围产生二次位错；,(5) 沉淀强化：沉淀相阻碍位错的运动。,2.1 颗粒增强铝基复合材料,2.1 颗粒增强铝基复合材料,1）颗粒应高度弥散均匀的分散在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错的运动。2）颗粒直径的大小要适度，因为颗粒直径过大会引起应力集中或本身破碎导致强度的降低；颗粒直径过小，则起到的强化作用有限。3）颗粒和基体之间应有一定的粘结作用（即一定的结合强度）。4）选择力学性能合适的基体，并选择与之在各方面（如热膨胀性、润湿性等）匹配的增强颗粒。,增强体的选择标准包括增强体材料的弹性模量、抗拉强度、密度、熔点、热稳定性、热膨胀系数、尺寸、形状及其与基体合金的相容性等。,颗粒增强铝基复合材料的复合原则及增强体的选择,颗粒增强铝基复合材料的制备方法,2.1 颗粒增强铝基复合材料,2.1 颗粒增强铝基复合材料,颗粒增强铝基复合材料的应用,在航空航天领域，由于颗粒增强铝基复合材料的高比强、比模量，有望取代部分铝合金、钛合金；如美国空军将粉末冶金法制备的SiCp/6092Al复合材料用于F-16战斗机的腹鳍，代替2214铝合金蒙皮，刚度提高50%，寿命提高幅度达17倍。,高体积分数颗粒增强铝基复合材料由于具有高比模量和低的热膨胀系数，微屈服强度高，尺寸稳定性好，在航空航天惯性导航系统的惯性器件，遥感卫星的光机结构，空间光学反射镜镜坯，电子器件及模块的封装壳体或底座等领域展示了良好的应用前景。,近年来,纳米SiC 颗粒增强铝基复合材料因为兼具金属和非金属的特性,已经成为纳米复合材料的一个研究热点。,陈永来等，采用粉末冶金方法制备了纳米SiCp 增强铝基复合材料,研究了增强相尺寸对铝基复合材料性能的影响。,2.1 颗粒增强铝基复合材料,文献：纳米级SiCp /6066Al复合材料的制备与力学性能的研究,试验过程材料：6066Al合金粉末：粒度为15m ， SiCp ： 粒度分别为7m和纳米级, 体积分数分别为12%和1% 制备 ： 6066Al合金粉末与增强相混合均匀 热挤压固溶热处理(固溶490、时效175,保温8h)； 分别截取热挤压和固溶热处理拉伸试样， 力学测试、显微观察,2.1 颗粒增强铝基复合材料,2.1 颗粒增强铝基复合材料,结果与分析,表 1,图1 SiCp/6066Al复合材料显微组织照片,2.1 颗粒增强铝基复合材料,2.1 颗粒增强铝基复合材料,图2 纳米SiCp/6066Al复合材料显微组织照片,2.1 颗粒增强铝基复合材料,结论,细化增强相尺寸使其达到纳米数量级可在提高复合材料强度的同时改善其塑性。体积分数为1%的纳米SiCp /6066AlAl复合材料的强度与体积分数为12%的尺寸为7m的强度相当,并且前者的塑性高于后者。,技术瓶颈：如何制备一定体积分数、颗粒分布均匀的铝基复合材料。,2.1 颗粒增强铝基复合材料,参考文献1 施利毅，纳米材料.M华东理工大学出版社，2007.2 陈永来,吕宏军等，纳米级SiCp /6066Al复合材料的制备与力学性能的研究J，宇航材料工艺,2005,2:57-59.3 李洪武，亚微米颗粒增强铝基复合材料的制备、组织与性能研究，中南大学硕士论文,2.2 原位自生纳米铝合金复合材料,定义：原位反应制备金属基复合材料是在一定条件下，依靠合金成分设计, 在合金体系内发生化学反应生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷或金属间化合物增强体, 而达到增强基体目的的工艺方法。,优点：增强相是经过反应在基体中自生的, 增强相/基体界面清洁、稳定、结合强度大且增强体尺寸细小, 在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时, 可大幅度地提高材料的强度和弹性模量。,文献：原位自生纳米Al3Ti/LY12 复合材料的组织及性能,Ti-Al系金属间化合物密度小，具有较好的高温强度和抗蠕变、抗腐蚀、抗疲劳性能，弹性模量高，是很好的复合材料增强相。Al3Ti含Ti量低，易合成，晶体结构与铝合金接近，错配度小，是一种十分理想的铝合金原位增强体材料。,实验材料与实验方法材料：基体合金LY12，反应物99. 9% T iO2, 覆盖剂为99. 9% N a3A lF6。方法： LY12基体+（ T iO2+ N a3A lF6 ）混合粉料覆盖 升温（1000-1100oC）熔化 压入混合料 降温至 740oC 除气精炼 金属型浇注热轧 热处理,2.2 原位自生纳米铝合金复合材料,2.2 原位自生纳米铝合金复合材料,测试方法用CN T 25010 电子拉伸机测试材料室温拉伸性能；C IEM 230D2CPC 示波冲击实验机测试材料抗冲击性能； JEM 2200CX 透射电子显微镜观察复合材料微观形貌。,实验结果及分析制备工艺与原理 最佳工艺：温度、T iO2 颗粒含量、T iO2/N a3A lF6 最佳工艺,即: 1 040, 4. 5% 的T iO2, T iO2/N a3A lF6为10. 5。原位反应： 2 T iO 2 + 2 N a3A lF6 = 2N a2T iF6 + N a2O + A l2O 3 N a2T iF6 + 3A l = 2N aF + 2F2 + A l3T i,2.2 原位自生纳米铝合金复合材料,力学性能,强度提高19% , 塑性提高20% ,冲击韧性也有很大提高,2.2 原位自生纳米铝合金复合材料,微观组织,衍射斑点标定结果表明, 这种新生成的复合材料增强体为A l3T i。A l3T i 相为正方结构, 晶格常数为a =b = 5. 83610-10m , c = 8. 59610 10 m,2.2 原位自生纳米铝合金复合材料,微观组织,A l3T i 颗粒均匀弥散地分布在铝基体上。A l3T i 的粒子尺寸在30 50 nm 之间。,2.2 原位自生纳米铝合金复合材料,结论用T iO2 还原反应法能制备纳米级颗粒增强的A l3T i/L Y12 复合材料,A l3T i 尺寸约40 nm , 呈粒状均匀分布于-A l 基体晶粒内; Al3T i/ LY12 复合材料的强度、塑性和冲击韧性均比基体L Y12 有较大提高。,2.2 原位自生纳米铝合金复合材料,参考文献1 施利毅，纳米材料.M华东理工大学出版社，2007.2郭永春, 李建平等,原位自生纳米Al3Ti/L Y12 复合材料的组织及性能J,热加工工艺,2002,2:28-29.,2.2 原位自生纳米铝合金复合材料,2.3 铝基纳米复合材料,定义：铝基非晶/纳米复合材料，其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的-Al粒子。是非晶与纳米晶的有机结合。据文献报道,这种材料具有极高的强度和良好的塑性,是相同成分完全非晶材料和纳米材料的数倍。,铝基非晶态合金的研究现状铝基非晶合金发现至今已经有三十多年,取得了很大的进步,实现了铝合金组织的多极化(非晶、准晶、微晶) 发展,开发出多种铝基非晶合金,大幅度提高了铝基非晶态合金的性能。已开发的铝基非晶态合金集中在Al-Ln ( Y、La 、Ce 等稀土) 二元系,以及Al-TM-Si ( Ge) 、Al-EM-LM 和Al-RE-TM 等几个三元系( 其中TM、EM、LM 和RE 分别代表B、B 和B 过金属, 、族过渡金属及稀土金属) ,所有这些合金都表现出优良的力学性能。,2.3 铝基纳米复合材料,铝基非晶态合金的制备方法,在非晶态Al基合金中通过热处理可形成高密度弥散分布的-Al纳米粒子,2.3 铝基纳米复合材料,那么在铝基非晶态合金中高密度-Al纳米粒子是如何形成的呢？,目前的机制有：,(1) Kelton 等认为是由于非晶态铝合金中的相分离;,(2) Koster 等认为在非晶基体中纳米粒子是以瞬态非均质形核方式形成；,(3) Perepezko 等认为在合金熔体急冷过程中便形成高密度的“ 淬态” 晶核；,(4) 我国的张宏闻等人认为，首先发生“淬态”晶核的长大, 之后在过冷液态温区发生高密度纳米粒子的形核, 最终晶核长大过程。,2.3 铝基纳米复合材料,铝基非晶态合金的力学性能,当Al88 Ni19 Ce2Fe1 非晶中析出体积分数为25 %的纳米晶时,其拉伸断裂强度高达1560 MPa,纳米晶增强的Al-RE 非晶的拉伸断裂强度更高达1600 MPa,2.3 铝基纳米复合材料,表1 采用雾化与热挤压工艺制备的铝基非晶态合金(含部分fcc-Al 纳米晶粒) 的性能及其传统铝合金的对比,2.3 铝基纳米复合材料,总之,铝基非晶态合金作为一种新型材料,具有很高的拉伸强度、弹性模量、高韧性、低热膨胀、优良的耐磨耐蚀性以及较高的显微硬度等力学性能,有的非晶态铝基合金还具有超塑性。,2.3 铝基纳米复合材料,铝基非晶态合金的应用,铝基非晶态合金由于尺寸上的限制,目前尚未规模化应用到实际中,但铝基非晶态合金无论作为结构材料还是功能材料,都有巨大的潜力和应用前景。铝基非晶合金的研究将会促进以下几个方面的应用需求:,航空航天工业:低密度高强高韧部件,如运载火箭发动机的关键零件；催化材料及电池双极材料:(3) 核电站及核武器材料:制备核材料装备关键零部件(4) 交通运输业高强度耐磨耐蚀零件:汽车零件、高速列车连接部件,如导轨等;(5) 体育用品；(6) 通信行业等。,2.3 铝基纳米复合材料,参考文献1 施利毅，纳米材料.M华东理工大学出版社，2007.2 尹志其,左孝青等.铝基非晶态合金研究进展J,金属功能材料,2009,16(6):40-44.3 张宏闻,王建强,卢柯.非晶态铝合金晶化过程的形核与长大行为研究J,金属学报，2002,6(38):609-612.,2.3 铝基纳米复合材料,3 结语,目前， 颗粒增强铝基复合材料具有优异的力学性能，并继续向高比强度、高比刚度，优良的导电、导热性，及高韧性、高冲击性能、高耐磨性和低的热膨胀系数等优良性能的方向发展。纳米颗粒作为增强相的研究中，由于颗粒细小，形状近似球形，可以改善增强相与基体的结合界面,提高结合强度，但由于随纳米颗粒含量的增加, 颗粒的团聚趋势明显增大。这就涉及到如何解决纳米相的团聚问题。所以，要进行规模化的生产应用，还需进一步探索。,Thanks To Everybody !,End & Thanks,
