玻璃/钨复合材料的制备及力学性能研究

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玻璃由于具有高声速(5.06.0km/s)和高温下良好的塑性等特点,具有作为药型罩材料的潜力,但低密度(2.05.5g/cm3)导致其射流的穿深有限。而钨是具有高密度(19.3g/cm3)的药型罩材料,在玻璃中添加钨可以弥补其低密度的缺点。因此开展玻璃/钨复合材料的制备及针对药型罩应用方面力学性能的基础研究具有重要意义。本文分别通过无压烧结法及热压烧结法制备了不同钨含量的玻璃/钨复合材料。主要研究了无压烧结法中生坯成型压力、预烧时间、烧结温度和热压烧结中烧结温度等工艺参数对玻璃/钨复合材料组织的影响。通过对不同工艺制备的玻璃/钨复合材料的密度及微观组织分析,优化出了不同钨含量的玻璃/钨复合材料的制备工艺。利用带有同步装置的分离式霍普金森压杆系统对使用优化工艺制备的不同钨含量的玻璃/钨复合材料的高温动态力学性能进行了测试,研究了钨含量和测试温度对复合材料动态力学性能的影响,并探讨了不同钨含量的玻璃/钨复合材料的变形机理及破坏机制。对于无压烧结法,优选出钨含量为20vol%复合材料的生坯的成形压力为250MPa,钨含量为50vol%复合材料的成形压力为300MPa;预烧工艺为550℃下保温3h。但无压烧结法制备的玻璃/钨复合材料的最高致密度仅为82.73%,因此,当钨含量高于20vol%时,采用该方法很难制得组织完全致密的玻璃/钨复合材料。热压烧结法由于烧结过程中的压力促进了复合材料的致密化,因此制得了组织致密的玻璃/钨复合材料。对于钨含量分别为20vol%、33vol%、50vol%的玻璃/钨复合材料的优化出的烧结温度分别为750℃、775℃、800℃,其最高致密度分别达到了98.94%,97.74%和97.03%,但当钨含量升高至67vol%时,采用优化的工艺参数制备,致密度仅为74.39%,热压烧结法无法将其烧结致密。在应变率为3×103s-1,测试温度为500℃750℃范围内时,随测试温度的升高,不同钨含量的玻璃/钨复合材料的应变均逐渐变大,由脆性状态转变为塑性状态;当测试温度达到775℃时,复合材料由于玻璃相粘度过低均无法承载。对于钨含量为20vol%50vol%的玻璃/钨复合材料,随钨含量的增加,复合材料的脆塑转变温度逐渐降低,复合材料的塑性状态温度区间逐渐增大。钨含量为20vol%50vol%的玻璃/钨复合材料,随着钨含量的增加,复合材料的变形及破坏机制也发生了变化。当钨含量为20vol%时,复合材料的变形主要集中在玻璃相中,破坏主要为裂纹在钨颗粒聚集的区域沿钨与玻璃的界面处扩展;随钨含量的升高,复合材料的变形方式由玻璃相主导变形,钨相协调变形,逐渐转变为钨相与玻璃相共同主导变形;当钨含量为50vol%时,玻璃/钨复合材料的破坏方式变为裂纹在钨与玻璃界面处的扩展和钨颗粒劈裂的共同作用。
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