AI-B4C-AI-AI層狀復(fù)合材料界面結(jié)合機(jī)理研究.pdf

1、Al/B4C-Al/Al層狀復(fù)合材料兼具碳化硼陶瓷及金屬鋁的良好性能，可以更好的適應(yīng)復(fù)雜的使用環(huán)境。B4C材料具有高硬度、低密度等優(yōu)點(diǎn)，具有例如中子吸收、抗沖擊等特殊陶瓷性能，金屬Al的密度與B4C陶瓷密度相近并且具有良好的金屬性，因此Al/B4C-Al/Al層狀復(fù)合材料在軍事工業(yè)以及航空航天擁有十分廣闊的前景。在之前的研究中，制備了一種新型的層狀復(fù)合材料:金屬Al作為外層，B4C增強(qiáng)Al基復(fù)合材料作為芯層，得到同層成分相同、各層間的成

2、分不同的三層層狀復(fù)合材料。這種材料一方面結(jié)合了陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料和層狀復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足了輕型裝甲的要求;另一方面，各層的基體是連續(xù)的，因此各層之間擁有良好且牢固的冶金結(jié)合。層間復(fù)合的材料在裂紋吸能方面表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)，具有更好的抗沖擊性，能夠更好的適應(yīng)復(fù)雜的使用環(huán)境，將成為未來(lái)材料的發(fā)展方向。但在目前的研究中，該種材料的層間結(jié)合過(guò)程及方式仍然無(wú)法確定，本文以?xún)?yōu)化Al/B4C-Al/Al層狀復(fù)合材料半連續(xù)鑄造制備工藝參數(shù)為目

3、的，通過(guò)對(duì)B4C顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、復(fù)合材料結(jié)合過(guò)程的研究，分析影響層間結(jié)合的主要因素，進(jìn)一步為Al/B4C-Al/Al層狀復(fù)合材料的制備工藝提供參考，以獲得具有高結(jié)合強(qiáng)度的Al/B4C-Al/Al層狀復(fù)合材料。
　?、旁跍囟?23K、壓坯124MPa條件下，利用粉末冶金法制備芯層B4C顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％、37.5％、42％、45％、50％的Al/B4C-Al/Al層狀復(fù)合材料，并對(duì)所得樣品的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在8

4、23K實(shí)驗(yàn)溫度下，Al與B4C之間無(wú)強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，未檢測(cè)到新物相，Al與B4C以物理方式結(jié)合，其結(jié)合強(qiáng)度與B4C顆粒表面粗糙度有關(guān)。從B4C增強(qiáng)相顆粒與Al基體結(jié)合情況角度分析，芯層B4C顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在37.5％時(shí)，Al在B4C顆粒的周?chē)纬傻慕饘俟羌芎穸仍黾?，?duì)于B4C顆粒的包裹增強(qiáng)，顆粒剝落最少。Al/B4C-Al/Al層狀復(fù)合材料的硬度及沖擊韌性隨芯層B4C顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小呈先增大后減小的趨勢(shì)，芯層B4C顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.5

5、％時(shí)，材料的硬度、沖擊韌性達(dá)到最高。
　?、圃谧螌?shí)驗(yàn)裝置上，利用Al-10％Si合金滴定B4C增強(qiáng)Al基復(fù)合材料，模擬半連鑄法制備時(shí)外層金屬鋁與芯層金屬陶瓷混合體層間結(jié)合的過(guò)程，討論界面結(jié)合方式及潤(rùn)濕行為。Al-10％Si合金結(jié)合Al基B4C增強(qiáng)復(fù)合材料可大致分為三個(gè)階段：緩慢鋪展階段；滲透階段，該階段接觸角急劇變化；平衡階段。緩慢鋪展過(guò)程主要由表面張力驅(qū)動(dòng)，鋪展阻力主要來(lái)自鋁硅合金與碳化硼顆粒間較差的潤(rùn)濕性，并受碳化硼顆粒表面

6、粗糙度的影響。在實(shí)驗(yàn)溫度913K條件下，Al與B4C無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，二者間幾乎不潤(rùn)濕，接觸角大于90°，并在B4C顆粒表面粗糙度的影響下發(fā)生接觸角后滯現(xiàn)象，即測(cè)得的接觸角大于理論值，整個(gè)鋪展過(guò)程中鋪展速率緩慢，三相線(xiàn)在合金液與基體中Al相的潤(rùn)濕作用下沿基板表面緩慢移動(dòng)，整個(gè)鋪展過(guò)程不明顯，很快進(jìn)入第二階段，發(fā)生自發(fā)浸滲。滲透過(guò)程主要在毛細(xì)力作用下進(jìn)行，液態(tài)鋁硅合金自發(fā)滲入到基板孔隙中。滲透階段會(huì)持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，隨液滴體積的減小，接觸角

7、發(fā)生明顯的變化，又進(jìn)一步促進(jìn)了滲透的進(jìn)行。在鋪展和浸滲的共同作用下，最后進(jìn)入平衡階段，液滴最終與基板表面達(dá)到完全潤(rùn)濕，接觸角表現(xiàn)為零度，半球形液滴在基板表面形成液膜。
　?、菫檫M(jìn)一步優(yōu)化Al/B4C-Al/Al層狀復(fù)合材料半連續(xù)鑄造制備工藝，改善界面結(jié)合情況，討論B4C顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及Al/B4C-Al/Al復(fù)合材料致密度對(duì)界面結(jié)合的影響。中溫環(huán)境下(913K)，鋁硅合金與Al/B4C金屬陶瓷復(fù)合材料的潤(rùn)濕行為主要在表面張力及毛細(xì)作

8、用力作用下進(jìn)行。表面張力為液滴在表面鋪展提供驅(qū)動(dòng)力，毛細(xì)作用力為液滴向Al/B4C-Al/Al復(fù)合材料內(nèi)部滲透提供驅(qū)動(dòng)力。鋪展?jié)B透過(guò)程主要影響因素是鋁硅合金與Al/B4C金屬陶瓷復(fù)合材料間的潤(rùn)濕性。B4C顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要影響了Al基B4C增強(qiáng)復(fù)合材料表面B4C顆粒的分布情況，表面B4C顆粒過(guò)多時(shí)，鋪展難以進(jìn)行，表現(xiàn)潤(rùn)濕性下降，結(jié)合過(guò)程緩慢。B4C顆粒表面粗糙度較高，接觸角有明顯的滯后現(xiàn)象;Al基B4C增強(qiáng)復(fù)合材料孔隙度對(duì)滲透過(guò)程影響較小