石墨/铝复合材料的制备及性能研究

论文摘要

石墨增强铝基复合材料是一种性能优良的自润滑材料,与目前广泛使用的铝锡、铝铅、锡青铜自润滑合金相比,具有优良的耐摩擦性、较高的比强度、较好的环保性,因此有广阔的发展前景。由于石墨颗粒密度较小、与铝熔体润湿性差,目前制备方法主要集中在粉末冶金法和挤压铸造法,存在制件小、成本较高的缺点,液态搅拌铸造法与之相比工艺简单、成本较低廉,越来越受到重视。本文研究了利用搅拌铸造法制备纳米级氧化膜包覆石墨颗粒铝基复合材料技术和其性能。本文首先对石墨颗粒表面包覆氧化物进行了研究,以解决石墨与铝基体之间的润湿性问题,在对不同无机盐水解过程和氧化物对石墨包覆过程机理分析的基础上,研究了硅酸钠、硝酸亚铈、氧氯化锆等无机盐作为前驱体制备氧化硅、氧化铈、氧化锆和氧化铈锆包覆石墨的试验条件,通过测量石墨表面的氧化物含量和高温氧化失重率分析了各种制备条件对包覆效果的影响。研究发现,利用硝酸亚铈水解在石墨颗粒包覆上一层连续的二氧化铈纳米膜,其成核机理为异相非均匀成核,包覆于石墨表面的氧化铈与基体之间形成了C-O-Ce键,具有化学反应的特征。利用正交实验研究了以硝酸亚铈、氧氯化锆为前驱物包覆石墨颗粒工艺,得出氧化铈锆包覆石墨工艺适宜条件为,pH值为6,反应温度为80℃,陈化时间为1h,前驱物浓度为0.2M,石墨粉粒度为50μm。本文在搅拌铸造法制备复合材料工艺中采用真空除气法以降低复合材料的气孔率率,制备出气孔率较低,机械性能较好的复合材料。得到熔体搅拌铸造法制备铝基/氧化物包覆石墨复合材料适宜的主要工艺条件为,搅拌温度：560℃-600℃；搅拌时间：5-8min；搅拌速度：1000-1200r/min;真空炉温度：600℃-630℃；真空度：40kPa-60kPa；真空除气时间：3-5min；采用X射线衍射对复合材料中氧化物包覆石墨颗粒与铝熔体之间的界面进行了研究,表明包覆在石墨表面的氧化硅与铝熔体发生了微弱的反应性润湿,包覆在石墨表面的氧化铈与铝熔体发生了强烈的反应性润湿,包覆在石墨表面的氧化锆与铝熔体发生了微弱的反应性润湿,证明采用氧化铈锆复合包覆既可以与铝熔体发生反应性润湿,改善石墨与铝熔体之间的润湿性,又可以保证石墨不被铝熔体侵蚀。对不同氧化物包覆和不同石墨添加量的铝基/石墨复合材料的抗拉性能、摩擦性能和腐蚀性能进行的检测结果表明,铝基复合材料的抗拉强度、摩擦系数和摩擦磨损量都随石墨含量的增加而逐渐降低,表面包覆氧化铈、氧化锆的石墨铝基复合材料的耐蚀性能优于基体合金和氧化硅包覆石墨铝基复合材料,复合材料的耐蚀性随着石墨含量的增加而下降,石墨的增加提高了点蚀的可能性。摩擦测试结果表明,铝基／氧化物包覆石墨复合材料与基体合金相比,在干摩擦条件下具有良好的自润滑性能,铝基／氧化物包覆石墨复合材料的摩擦系数与摩擦磨损量随石墨的增加而减小,但当石墨超过6%（mass%）时摩擦系数增大。石墨含量为6%（masa%）的复合材料的适用范围为：滑动速度不超过2.6m/s,载荷不超过60N。采用纳米氧化铈锆复合包覆石墨颗粒制备的铝基复合材料,由于氧化铈锆与石墨之间属于化学结合,且氧化铈锆与铝基体之间属于反应性润湿,生成的微量界面化合物有益于提高铝基体的性能,因此所制备的复合材料有较好的力学性能和耐蚀性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 颗粒增强铝基复合材料应用现状
• 1.1.2 金属基自润滑材料发展历程
• 1.1.3 铝基自润滑轴承发展现状
• 1.2 铝基石墨复合材料制备方法
• 1.2.1 液相法
• 1.2.1.1 挤压铸造法
• 1.2.1.2 真空浸渗透法
• 1.2.1.3 搅拌铸造法
• 1.2.2 固相法
• 1.2.3 混合法
• 1.3 石墨表面改性技术的研究
• 1.3.1 硼酸、氟酸盐处理
• 1.3.2 镀覆金属涂层
• 1.3.3 氧化物包覆
• 1.4 存在的主要问题
• 1.4.1 机械搅拌铸造法存在的主要问题
• 1.4.2 本文研究思路
• 1.4.2.1 基体金属的选择
• 1.4.2.2 增强相的选用
• 1.4.2.3 包覆材料的选用
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 氧化物包覆石墨的研究
• 2.1 概述
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 原料及设备
• 2.2.2 制备过程
• 2.2.2.1 石墨粉的筛选
• 2.2.2.2 石墨粉的除油
• 2.2.2.3 石墨粉的粗化
• 2.2.2.4 石墨粉的包覆
• 2.2.2.5 包覆效果的检测
• 2.3 氧化物包覆石墨
• 2.3.1 包覆机理
• 2.3.1.1 包覆热力学
• 2.3.1.2 包覆动力学
• 2.3.1.3 氧化物包覆过程
• 2.3.2 氧化硅包覆石墨
• 2.3.2.1 硅酸根离子的水解
• 2.3.2.2 二氧化硅包覆石墨的试验
• 2.3.3 氧化铈包覆石墨
• 2.3.3.1 硝酸亚铈水解
• 2.3.3.2 二氧化铈包覆石墨的试验
• 2.3.4 氧化锆包覆石墨
• 2.3.4.1 氧氯化锆的水解
• 2.3.4.2 二氧化锆包覆石墨的实验
• 2.4 氧化铈锆复合包覆石墨
• 2.4.1 氧化铈锆复合包覆石墨粉的实验
• 2.4.1.1 溶液pH值对复合粉体包覆率的影响
• 2.4.1.2 正交试验结果分析
• 2.4.2 氧化铈锆复合包覆石墨粉的形貌分析
• 2.4.3 氧化铈锆包覆界面的结构分析
• 2.5 小结
• 第三章 石墨/铝复合材料制备工艺研究
• 3.1 概述
• 3.2 实验方法和过程
• 3.2.1 搅拌机制
• 3.2.1.1 石墨颗粒进入铝熔体的热力学过程
• 3.2.1.2 石墨颗粒进入铝熔体的动力学过程
• 3.2.2 实验材料
• 3.2.3 实验装置
• 3.2.4 实验流程设计
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 熔体搅拌温度实验
• 3.3.2 熔体搅拌时间实验
• 3.3.3 熔体搅拌速度实验
• 3.3.4 真空处理卖验
• 3.5 小结
• 第四章 石墨/铝复合材料性能研究
• 4.1 概述
• 4.2 实验方法与设备
• 4.2.1 微观结构观察
• 4.2.1.1 金相观察
• 4.2.1.2 扫描电镜观察
• 4.2.2 力学性能测试
• 4.2.2.1 拉伸强度测试
• 4.2.2.2 硬度测试
• 4.2.3 摩擦性能测试
• 4.2.4 耐蚀性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 复合材料密度及孔隙率测试方法
• 4.3.2 石墨/铝复合材料的微观形态
• 4.3.3 石墨/铝复合材料的力学性能
• 4.3.3.1 不同包覆种类对复合材料拉伸的影响
• 4.3.3.2 石墨含量对复合材料抗拉强度的影响
• 4.3.4 石墨/铝复合材料的摩擦性能
• 4.3.4.1 石墨铝基复合材料的摩擦行为
• 4.3.4.2 不同压力下石墨铝基复合材料的摩擦行为
• 4.3.4.3 不同速度下石墨铝基复合材料的摩擦行为
• 4.3.4.4 不同石墨含量铝基复合材料的摩擦行为
• 4.3.5 石墨/铝复合材料的耐蚀性能
• 4.3.5.1 不同氧化物包覆石墨铝基复合材料的腐蚀状况
• 4.3.5.2 氧化铈锆包覆不同含量石墨铝基复合材料的腐蚀状况
• 4.3.5.3 腐蚀机理分析
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读博士学位期间发表的论文