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高压扭转制备的SiCP/Al基复合材料颗粒破碎现象及力-热性能

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摘要

第一章 绪论

1.1 复合材料概论

1.2 SiCP/Al基复合材料的传统制备工艺

1.3 大塑性变形工艺

1.3.1 HPT制备SiCP/Al基复合材料

1.3.2 ECAP制备SiCP/Al基复合材料

1.3.3 ECAP-T制备SiCP/Al基复合材料

1.4 颗粒破碎现象

1.5 SiCP/Al基复合材料的热学性能

1.5.1 热膨胀性能

1.5.2 导热性能

1.6.1 课题来源

1.6.2 研究意义

1.7 课题研究内容

第二章 实验方案与测试方法

2.1 实验材料

2.1.1 基体材料的选用

2.1.2 增强体材料的选用

2.2 实验流程

2.2.1 SiC颗粒的预处理

2.2.2 SiC颗粒的表面改性

2.2.3 粉末的称量

2.2.4 粉末的混合

2.2.5 HPT实验设备

2.2.6 HPT实验方案

2.3 HPT试样组织观测与性能测试

2.3.1 金相组织观察

2.3.2 显微硬度测量

2.3.3 材料相对密度测试

2.3.4 SiC-Al界面观测

2.3.5 材料力学性能测试

2.3.6 材料热学性能测试

2.3.7 材料再结晶温度测试

2.4 本章小结

第三章 HPT变形对SiC颗粒破碎的影响及新生界面研究

3.1 颗粒破碎现象

3.1.1 不同压力下组织内颗粒破碎现象

3.1.2 不同扭转圈数下组织内颗粒破碎现象

3.2 界面研究

3.2.1 HPT变形后组织内新生SiC-Al界面

3.2.2 不同扭转圈数试样的新生SiC-Al界面

3.2.3 新生界面元素扩散分析

3.3 本章小结

第四章 HPT制备的SiCP/Al基复合材料力学性能研究

4.1 强化机制

4.1.1 位错强化机制

4.1.2 Orowan强化机制

4.1.3 细晶强化机制

4.2 工艺参数对SiCP/Al基复合材料显微硬度的影响

4.2.1 压力对显微硬度的影响

4.2.2 扭转圈数对显微硬度的影响

4.3 拉伸性能分析

4.3.1 扭转圈数对SiCP/Al基复合材料的拉伸性能的影响

4.3.2 扭转圈数对SiCP/Al基复合材料的拉伸断口的影响

4.4 本章小结

第五章 HPT制备的SiCP/Al基复合材料热学性能研究

5.1 热膨胀性能分析

5.1.1 不同压力试样的热膨胀性能

5.1.2 不同扭转圈数试样的热膨胀性能

5.2 热导率分析

5.2.1 不同压力试样的热导率

5.2.2 不同扭转圈数试样的热导率

5.3 不同扭转圈数试样的再结晶行为分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

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摘要

SiCP/Al基复合材料具有高比模量、高比强度、高导热、低膨胀性等优异性能,在航空航天、交通运输、电子封装等领域有着广泛的应用,但一些传统工艺制备的SiCP/Al基复合材料因组织不均匀、界面结合较差等问题常需进行二次加工。高压扭转(high pressure torsion)工艺具有高的静水压力和较大的剪切变形能力,可直接将SiC颗粒和Al粉末固结成高性能的SiCP/Al基复合材料,具有较高的应用价值。但HPT法较高的静水压力和极大的剪切变形易导致SiC颗粒发生破碎,破碎后SiC颗粒的分布及碎后颗粒与Al基体的新生SiC-Al界面直接影响SiCP/Al基复合材料的力学、热学性能。本课题采用HPT法制备出不同压力、扭转圈数的SiCP/Al基复合材料试样,结合相关测试分析手段,研究工艺参数对SiC颗粒破碎及分布的影响规律,分析颗粒破碎后组织内新生的SiC-Al界面,并研究颗粒破碎对力学、热学性能的影响。
  压力越大组织内颗粒破碎程度越大,颗粒数目越多,但是破碎后的细小颗粒分布不均匀。扭转圈数的增大,不同半径处的SiC颗粒整体呈现颗粒粒径减小,小颗粒数目不断增多的趋势,圈数越大试样组织内颗粒破碎程度越明显。颗粒破碎后组织内形成了新生的SiC-Al界面,新生界面平直清晰,不存在界面反应产物,界面处Al、Si原子相互扩散。新生界面附近Al基体组织内出现了大量晶格缺陷,圈数越大,晶格畸变越严重,扩散区域宽度增加。
  虽然组织内颗粒破碎严重,但试样的力学性能并未降低反而升高。随着压力增大,显微硬度不断增大。随着扭转圈数的增大,显微硬度不断增大,抗拉强度不断升高,延伸率提高,断口形貌中韧窝数量增多,基体撕裂棱更加明显,试样塑性更好。
  较大压力试样的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion)较低,尺寸稳定性更好,其中1Gpa试样的尺寸稳定性最好。扭转圈数增大,CTE值降低,尺寸稳定性更好。不同压力试样的热导率随着压力增大呈先增大后减小的趋势,1 Gpa试样导热性最好。随着扭转圈数增大,试样的热导率先大幅增长后小幅降低,再结晶温度不断下降,形变储存能不断升高。

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