无压浸渗法制备Al2O3p/Al复合材料力学性能研究

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氧化铝短纤维增强铝基复合材料已成功应用于发动机活塞部件,但氧化铝颗粒增强铝基复合材料的应用却鲜有报道,如何制备出不同性能氧化铝颗粒增强铝基复合材料以拓展其应用范围是一个重要的课题。本文选用市售的1组(4种粒径)球形、1组(4种粒径)多孔以及1种多棱角合计三类形态的氧化铝颗粒,通过超声清洗之后,将其以无压浸渗法制备成对应的Al2O3p/Al复合材料,通过SEM、XRD、三点弯曲试验、有限元模拟等手段研究了不同形态、粒度的氧化铝颗粒对Al2O3p/Al复合材料的力学性能的影响规律及影响机制。三类形态氧化铝颗粒表面普遍吸附有许多微小(<5μm)的氧化铝颗粒,通过超声清洗之后,颗粒表面的微小吸附质得以清除。本文研究的9种氧化铝颗粒中平均粒径(D50)分别为33.224、51.729μm的多孔态、36.960μm球形态以及38.493μm多棱角态共4种氧化铝颗粒含有许多尺寸明显偏离平均粒径的细小(10μm左右)颗粒。SEM分析结果显示,氧化铝颗粒供货状态下颗粒聚集现象及含有细小颗粒的现象均会导致对应的复合材料中缺陷较多。球形态、多孔态氧化铝颗粒对应的复合材料其断裂机制主要为氧化铝颗粒的穿晶解理断裂。多棱角氧化铝颗粒对应的复合材料其断裂机制主要为界面脱粘。XRD分析结果显示,三类形态的氧化铝颗粒均为α-Al2O3,以其作为增强体的铝基复合材料中普遍存在少量界面反应产物Mg Al2O4。球形态、多孔态氧化铝颗粒对应的复合材料均比多棱角态的弹性模量要高,这是因为球形态颗粒对应复合材料致密度高、增强体体份也高。多孔态颗粒对应的复合材料则是由于增强体特有的三维网络构型而提高了复合材料的弹性模量。有限元分析结果与此规律十分吻合,即在同等氧化铝体积分数下,多孔态氧化铝颗粒对应复合材料弹性模量数值模拟结果(140.09 GPa)比多棱角态颗粒对应复合材料的模拟值(106.58 GPa)要高出31.44%。对球形态氧化铝颗粒增强铝基复合材料而言,颗粒粒度对其体份几乎没有影响(均在58%左右)。最小粒径球形态氧化铝颗粒(D50=36.690μm)对应复合材料其致密度、弹性模量均偏低,分别为93.04%、151.54 GPa,而另外三种粒径较大球形态颗粒对应复合材料其致密度、弹性模量分别在97%、204GPa左右。球形态及多孔态氧化铝颗粒其粒度对复合材料强度的影响规律均为先提升后降低。在球形态氧化铝颗粒增强铝基复合材料中,平均粒径(D50)为54.443μm时,复合材料强度最高(396.47MPa);在多孔态氧化铝颗粒增强铝基复合材料中,平均粒径(D50)为70.936μm时,复合材料强度最高(317.31 MPa)。
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