高含量氮化硼纳米片增强铝基复合材料的微观组织与性能研究

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铝基复合材料由于密度低、比强度高等特点而受到人们关注,尤其是颗粒增强型复合材料在航空、汽车和电子领域应用广泛。氮化硼纳米片(BNNSs)具有非常优异的物理性能和机械性能,作为二维陶瓷纳米增强相有望显著提高金属基复合材料的性能,然而BNNSs在基体中极易产生团聚现象,会阻碍材料性能的进一步提高,因此,亟需寻求一种新的BNNSs分散工艺制备铝基复合材料。本文对BNNSs/Al复合粉末的分散和制备工艺进行了研究,对比了不同球磨参数对复合粉末的影响规律。采用高速球磨法剥离BNNSs,用球磨变速法制备了BNNSs/Al复合粉末,快速热压烧结出不同BNNSs体积的复合材料,并对微观组织、拉伸性能和摩擦性能进行了表征与分析。主要研究结果如下:(1)高速球磨能够有效从六方氮化硼(h-BN)中剥离得到BNNSs,满足实验增强相的使用需求。传统的单一球磨转速难以同时满足BNNSs均匀分散、粉末间强结合、晶粒细化的要求。结合变速球磨和创新性提出的分步添加BNNSs球磨工艺,制备了BNNSs/Al复合粉末。设计的球磨制备工艺充分利用了铝粉的表面积,低含量几乎没有团聚现象的产生,取得了良好的纳米片分散效果。(2)采用快速热压烧结方法,在600°C、烧结压力50 MPa下经过40 min烧结得到BNNSs/Al复合材料。物相组成、微观组织和界面结构的表征表明:制备过程没有杂质相的引入;复合材料的晶粒尺寸远小于P-Al材料;BNNSs和Al发生强界面反应结合,界面有Al N、Al B2和Al B10相的析出;三种反应生成物相在界面上的空间分布取决于Al、B和N之间的相对扩散速率。BNNSs与Al的界面状态较为简单,反应的相尺度为纳米级,工艺窗口更宽,反应缓慢,可控性高。(3)P-Al材料随着烧结温度的提升,强度和断裂伸长率均提升,断面从颗粒脱粘转向韧性断裂形貌。随着BNNSs含量的增加,复合材料的抗拉强度先提高到临界值然后减小。当BNNSs含量为2.0 vol%时,抗拉强度最高为220 MPa。拉伸断面BNNSs的拉拔现象表明BNNSs起到了承担载荷的作用。相比其他AMCs,BNNSs/Al材料的拉伸表现更佳,具有更加优异的综合性能。BNNSs/Al复合材料的增强机理可以归因于载荷传递强化、奥罗万强化、细晶强化、位错强化和固溶强化,同时发现BNNSs的团聚作用会阻碍BNNSs的增强作用。(4)一定量的BNNSs可以显著提升复合材料的耐磨性能,耐磨性能随着BNNSs含量的增加先提升后下降。当添加1.0 vol%BNNSs时,材料的摩擦系数下降到0.569±0.056,磨损率约为5.33±0.60×10-5mm~3/N·m。纯铝的磨损类型主要是粘着磨损和磨粒磨损,BNNSs的加入后,材料摩擦面会出现润滑膜,有效降低了材料磨损率。但是过高含量的BNNSs团聚降低了界面结合强度,容易造成磨损性能不佳。
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