三维网络SiC/Cu复合材料组织与性能的研究

论文摘要

随着交通运输业的迅速发展,设备也向着大型、高速、重载、及高安全性方向发展,对摩擦材料的使用性能提出了越来越高的要求。近年来人们逐渐将研究热点转移到一种新型的复合材料——网络交叉复合材料上,此类材料的增强相与基体相相互贯穿、相互支撑,能充分发挥两相的优点,具有优异的物理化学性能和机械性能。本试验将铜引入到SiC骨架中制成三维网络SiC/Cu复合材料,并对其力学性能、界面反应、热处理的影响及摩擦磨损性能进行了研究。研究结果表明：（1）三维网络SiC/Cu复合材料的抗弯强度σbb=225.9MPa,抗压强度σbc=199.9MPa,拉伸强度σb=19MPa。SiC增强相和Cu基体相互相贯穿,使其在承受载荷时互相支撑,从而具有优异的力学性能。（2）三维网络SiC/Cu复合材料在熔铸过程中存在着SiC与Cu的界面反应,界面反应主要分为三个步骤：①SiC分解成Si和C；②SiC分解出的Si和C与Cu基体发生反应,生成各种界面产物,主要有Cu4Si、C、TiC、V-C、Cr-C以及Cr-Si化合物；③固相扩散。从SiC骨架开始到Cu基体的界面反应区大致分为四个：界面Ⅰ区为Cu4Si、C以及岛状分布的T-C和Cr-C化合物,界面Ⅱ区是介于界面Ⅰ区和Ⅲ区之间的过渡区,界面Ⅲ区主要是TiC、V-C,界面Ⅳ区为Cr-Si化合物。界面Ⅲ区和界面Ⅳ区位于界面反应区的前沿,其阻碍了界面两端元素的扩散,对界面反应起到了抑制作用。（3）把三维网络SiC/Cu复合材料加热到700℃并分别保温30、60、90和120min,热处理后的样品并没有检测到新界面产物,热处理对界面区其它元素的分布影响不大,但却影响了C在界面Ⅰ区的分布形态,随着保温时间的增加,块状及条纹状的石墨相转变为细小且弥散分布的球状石墨相；Cu在热处理的过程中逐步发生氧化,生成Cu2O和CuO；热处理后Cu基体的晶粒尺寸有所增加,孪晶密度增加；通过菲克定律计算Cu元素在热处理过程中的扩散系数为D=2.76×10-14m2·s-1。（4）以三维网络SiC/Cu为静环,以铸铁环为动环模拟了轿车的刹车试验。结果表明：随着转速增加平均摩擦系数和加速度绝对值减小、制动时间和制动距离增大,随着压力的增加平均摩擦系数、制动时间和制动距离均减小,加速度绝对值增大；低压低转速下磨损机理以磨粒磨损为主,高压高转速下以粘着磨损为主,并发生了主要从铸铁环向三维网络SiC/Cu环方向的物质迁移；三维网络SiC在磨擦表面形成硬的微突起并起承载作用,SiC独特的骨架结构限制了Cu基体高温下的塑性变形及软化,因此此类复合材料具有良好的摩擦磨损性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 摩擦材料的发展状况
• 1.1.1 摩擦材料发展概述
• 1.1.2 摩擦材料发展现状及前景
• 1.2 金属基复合材料
• 1.2.1 金属基复合材料的界面问题
• 1.2.1.1 SiC/Al复合材料界面研究现状
• 1.2.1.2 SiC/钢铁复合材料界面的研究现状
• 1.2.1.3 SiC/Cu复合材料界面研究现状
• 1.2.2 三维网络金属基复合材料
• 1.2.2.1 三维网络金属基复合材料发展及制备
• 1.2.2.2 三维网络SiC/金属基复合材料
• 1.3 摩擦磨损性能
• 1.3.1 摩擦与磨损
• 1.3.2 三维网络SiC/金属基复合材料摩擦磨损性能研究现状
• 1.4 研究内容及意义
• 第2章 实验材料和实验方法
• 2.1 实验材料及其制备
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 金相显微镜
• 2.2.2 扫描电子显微镜
• 2.2.3 X射线衍射
• 2.2.4 电子拉伸实验机
• 2.2.5 液压式万能试验机
• 2.2.6 MM1000-Ⅱ型惯性制动试验机
• 2.3 样品制备及实验方法
• 2.3.1 扫描和金相样品的制备
• 2.3.2 抗弯强度试样制备及方法
• 2.3.3 抗压强度试样制备及方法
• 2.3.4 拉伸试样制备及方法
• 第3章 三维网络SiC/Cu复合材料力学性能
• 3.1 抗弯强度试验结果及分析
• 3.2 抗压强度试验结果及分析
• 3.3 拉伸试验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 三维网络SiC/Cu复合材料显微组织
• 4.1 三维网络SiC骨架物相分析
• 4.2 Cu合金基体微观组织形貌分析
• 4.3 三维网络SiC/Cu复合材料物相分析
• 4.4 三维网络SiC/Cu复合材料界面研究
• 4.4.1 界面区各元素分布
• 4.4.2 界面各区物相鉴定
• 4.5 热处理对三维网络SiC/Cu复合材料的影响
• 4.5.1 热处理对Cu合金基体组织形貌的影响
• 4.5.2 热处理对复合材料物相的影响
• 4.5.3 热处理对界面区的影响
• 4.5.3.1 热处理对界面宏观形貌的影响
• 4.5.3.2 热处理对界面成分、组织形貌的影响
• 4.5.4 扩散系数的计算
• 4.6 界面形成机理
• 4.6.1 Cu-C及Cu-Si二元相图
• 4.6.2 SiC与金属反应的基本特征
• 4.6.3 三维网络SiC/Cu复合材料界面形成机理
• 4.7 本章小结
• 第5章 三维网络SiC/Cu复合材料的磨擦磨损性能
• 5.1 试验设备及样品
• 5.2 试验方案设计
• 5.2.1 汽车实际制动条件
• 5.2.2 试验参数的确定
• 0的确定'>5.2.2.1 摩擦试验机转动惯量I₀的确定
• 5.2.2.2 角速度ω的确定
• 5.2.2.3 摩擦试验机转速n的确定
• 5.2.2.4 汽车线速度v的确定
• 5.2.2.5 制动加速度a及制动距离1的计算
• 5.2.3 试验机模拟制动条件
• 5.3 试验结果及分析
• 5.3.1 扭矩-时间曲线
• 5.3.2 不同压力下平均摩擦系数与转速曲线
• 5.3.3 不同压力下制动时间、制动加速度、制动距离与转速曲线
• 5.3.4 磨损量
• 5.4 摩擦磨损机理分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢