Li7La3Zr2O12/Al基高阻尼复合材料的设计、制备与性能研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:youki2008
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复合型阻尼材料因其同时具有金属基体和添加第二相的阻尼和力学特性而倍受关注。本论文主要以Nb掺杂的Li7La3Zr2O12陶瓷作为第二相添加物,使用放电等离子烧结方法(SPS)制备金属铝基复合材料,以内耗和力学拉伸为主要研究手段,结合XRD和SEM测量,系统研究了Nb含量、热处理工艺对复合材料阻尼和力学性能的影响。论文所取得的主要研究成果和创新之处如下:  1、Nb掺杂系列的Li7La3Zr2O12内耗峰强度与Nb掺杂量呈线性关系,所有内耗峰均可用两个弛豫内耗次峰拟合叠加;两个内耗峰的机制分别对应于锂离子在品格中两种不同的迁移方式:48g(←→)48g和48g(←→)24d。随着Nb掺杂量的增加,Li离子扩散激活能从0.45eV(x=0.25)逐渐增加到0.64eV(x=1.5),其机制与晶格相互作用和因Zr4+部分取代Nb5+导致锂离子扩散浓度降低有关。  2、使用放电等离子烧结技术(SPS)制备了致密度超过97%的高阻尼陶瓷/金属铝基复合材料,其中,未经热处理、陶瓷含量为20wt%的复合材料最大拉伸强度高达101MPa,优于相同制备工艺的纯铝试样(60MPa),但复合材料延伸率偏低,复合材料的内耗峰值仅有0.0035左右;当样品在高纯氨气下经过400℃~650℃、5小时的热处理后,复合材料在室温附近的内耗峰值可高达0.012;随着热处理温度的升高,材料的最大拉伸强度从400℃的70MPa下降到650℃处理后的35MPa左右,力学性能有所下降。  3、研究了热处理时间不同、热处理气氛变化以及热挤压三种不同的后处理方式对SPS制备样品的内耗和拉伸性能的影响,发现热处理时间及热处理环境(氩气或真空)对陶瓷含量为20wt%的样品力学和阻尼性能影响有限。对于陶瓷含量为10wt%的复合材料,热处理时间的长短对其最大拉伸强度和内耗性能同样影响较小,但对样品的延伸率影响较大,从热处理1小时超过20%延伸率下降到热处理5个小时后的不足10%。陶瓷含量为20wt%的样品的内耗峰温经热挤压处理后升高了25℃,同时热挤压后的样品的最大拉伸强度却只有之前的一半左右,说明热挤压进一步破坏了铝基体结构的完整性,使得样品的拉伸性能变差。  4、研究了三种不同陶瓷含量(10wt%、20wt%和30wt%)的样品在500℃氩气环境中处理5小时后的内耗性能和拉伸性能,并用SEM研究样品的拉伸断面,发现热处理后样品在室温附近都会出现与阻尼陶瓷相关的内耗峰,内耗峰强度分别为0.0064(10wt%)、0.0127(20wt%)和0.0215(30wt%),表明复合材料的室温内耗峰强度取决于陶瓷LLZNO颗粒的含量。同时,陶瓷含量的增加还会增加合材料的最大拉伸强度(从10wt%的51MPa增强到20wt%的73MPa)。
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