铜/碳及氧化硅/磷酸钙纳米功能复合材料的微观结构和性能

论文摘要

纳米功能复合材料是纳米科技的重要研究领域之一。本文采用新型粉末冶金技术制备了具有自润滑功能的纳米铜/碳复合材料和具有生物活性功能的纳米氧化硅/磷酸钙复合材料。Cu-C不互溶体系机械合金化24h后,Cu和C实现了原子级的混合,Cu-4%C粉末形成了纳米结构的过饱和固溶体,但是,Cu-6%C和Cu-8%C粉末中还有少量的残余碳,以非晶态碳和层片状石墨形式存在。XPS研究表明,除了少量的碳形成了氧化物及铜碳间隙固溶体外,大部分碳以单质形式固溶在位错、晶界等缺陷处,故为亚固溶。冷压成型和放电等离子烧结后铜/碳复合材料仍保持着纳米结构,SPS烧结样品中Cu-C键的数量明显增加,Cu-C界面干净,结合良好。形成过饱和固溶体的铜/碳复合材料表现出更好的减摩耐磨性能,使从轻微磨损向严重磨损的转折点从机械混合冷压样品的100N提高到140N。在磨损过程中,铜/碳复合材料以挤出-涂抹-机械混合的机制形成表面富石墨的润滑膜,Cu-4%C在140N,Cu-8%C在100N载荷时磨损表面形成的润滑膜最完整,显著提高了铜/碳复合材料的摩擦磨损性能。氧化硅/磷酸钙复合材料（SCPC）主要由β-NaCaPO4和α-cristobalite晶相组成,在低的压力或温度下,晶粒尺寸在纳米级。随着压力和烧结温度增加,材料的孔隙率、晶粒尺寸和SiO2熔化相百分含量明显增加,导致SCPC的力学性能显著降低。压缩试验表明:纳米SCPC具有优异的抗压强度（105.62246.64MPa）和弹性模量（9.4914.07GPa）,相当于密质骨的力学性能。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 引言
• 1.1 机械合金化技术简介
• 1.1.1 机械合金化技术的发展史
• 1.1.2 机械合金化的研究现状及发展前景
• 1.1.3 机械合金化机理
• 1.1.4 机械合金化的活化作用
• 1.2 放电等离子烧结技术简介
• 1.2.1 放电等离子烧结技术的发展史
• 1.2.2 放电等离子烧结技术的研究现状及发展前景
• 1.2.3 放电等离子烧结机理
• 1.2.4 放电等离子烧结过程
• 1.3 铜/碳功能复合材料简介
• 1.3.1 铜/碳复合材料的研究现状及发展前景
• 1.3.2 铜/碳复合材料的性能及应用
• 1.3.3 铜/碳复合材料的制备工艺
• 1.4 生物功能复合材料简介
• 1.4.1 人体相关生物陶瓷的研究现状及发展前景
• 1.4.2 人体相关生物陶瓷的性能及应用
• 1.5 本文研究意义及主要研究内容
• 第2章 实验材料及实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 Cu/C复合粉末的制备
• 2.2.2 Cu/C复合材料的制备
• 2.2.3 SCPC复合材料的制备
• 2.3 表征与测试
• 2.3.1 SEM及TEM分析
• 2.3.2 XRD分析
• 2.3.3 DSC分析
• 2.3.4 XPS分析
• 2.3.5 密度测试
• 2.3.6 硬度测试
• 2.3.7 磨损试验
• 2.3.8 压缩试验
• 第3章 Cu-C不互溶体系的机械合金化非平衡结构的研究
• 3.1 Cu-C不互溶体系在机械合金化中的结构转变
• 3.1.1 Cu（C）过饱和固溶体的形成
• 3.1.2 Cu（C）过饱和固溶体的形貌
• 3.1.3 Cu-C不互溶体系机械合金化形成的非平衡结构
• 3.2 Cu/C机械合金化粉末的DSC分析
• 3.3 Cu（C）过饱和固溶体的形成机制
• 3.3.1 Cu-C相图分析
• 3.3.2 Cu（C）过饱和固溶体中C原子的存在形式
• 3.3.3 Cu（C）过饱和固溶体的形成机制
• 3.4 本章小节
• 第4章 纳米结构铜/碳复合材料的微观结构
• 4.1 铜/碳复合材料的微观结构及界面研究
• 4.2 铜/碳复合材料的XRD物相分析
• 4.3 铜/碳复合材料的XPS分析
• 4.4 含碳量对铜/碳复合材料性能的影响
• 4.5 MA-SPS制备铜/碳复合材料的双重活化机制
• 4.6 本章小结
• 第5章 纳米结构铜/碳复合材料摩擦磨损性能与磨损机制探讨
• 5.1 不同试验载荷下铜/碳复合材料的摩擦学特性
• 5.1.1 复合材料的磨损率和摩擦系数
• 5.1.2 复合材料的磨损表面分析
• 5.1.3 分析与讨论
• 5.2 不同碳含量的铜/碳复合材料摩擦学特性
• 5.2.1 复合材料的磨损率和摩擦系数
• 5.2.2 复合材料的磨损表面分析
• 5.2.3 分析与讨论
• 5.3 铜/碳复合材料的磨损机制
• 5.4 本章小结
• 第6章 纳米氧化硅/磷酸钙复合材料的微观结构与力学性能研究
• 6.1 SCPC的微观结构研究
• 6.1.1 XRD物相分析
• 6.1.2 SEM-EDX组织形貌及能谱分析
• 6.1.3 TEM-EDX组织形貌及能谱分析
• 6.2 SCPC的孔隙率和径向收缩率
• 6.3 SCPC的力学性能测试
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT