Al--SiO2--C(Mg)系反应合成内生型铝基复合材料.pdf
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1、硕士论文 A 1 - S i 0 2 - C ( M g ) 系反应合成内生型铝基复合材料 摘要 本实验采用放热弥散法( X D ) 成功制备了A 1 S i 0 2 C ( M g ) 系铝基复合材料。对 A 1 S i 0 2 C ( M g ) 系,综合热力学计算、金相显微镜、D S C 曲线、X R D 、S E M 等方法,分 析反应机理;由不同升温速率的D S C 曲线,结合K i s s i n g e r 方程计算反应活化能:并测 试材料的力学性能,分析断裂机理。 反应机理研究表明:A 1 S i 0 2 C 系,C S i 0 2 摩尔比为0 时,在1 0 9 0 K 时生成
2、增强相 a A 1 2 0 3 颗粒和S i ,S i 在基体中有两种形貌,粗大的初生硅和针状的共晶硅;C S i 0 2 摩 尔比为O 5 和1 时,增强相为颗粒状的口A 1 2 0 3 、细小颗粒S i C ,树枝状的共晶S i ,C 的 加入,生成了S i C ,抑制了粗大初生硅的形成;C S i 0 2 摩尔比为0 ,0 5 ,l 时,反应活 化能分别为2 3 5 材m o l ,3 1 3 7 k J m o l ,2 0 3 7 U m o l 一。A I S i 0 2 M g 系,共有两步 反应,第一步是在8 5 0 K 时生成中间产物M g O 、S i rM g S i 0
3、 3 、M 9 2 S i 0 4 ;第二步是在1 0 0 0 K 时生成最终产物,大块颗粒M g A l 2 0 4 、细小颗粒M 9 2 S i 和M g O 、针状共晶硅,M g 的加 入同样抑制了粗大初生硅的形成;M S i 0 2 摩尔比为1 和2 时,第一步反应活化能为 2 2 9 材t o o l 1 和2 1 8 k J m o l ,第二步反应活化能为2 5 6 3k J t o o l - 1 和1 2 5 3k J t o o l 。 性能测试研究表明:增强相体积分数为3 0 的A 1 S i 0 2 C ( M g ) 系复合材料,随C S i 0 2 摩尔比由0 增加
4、到O 5 和1 时,抗拉强度由1 3 4 5 M P a 提高到1 5 0 7 M P a 和2 0 8 5 M P a ,延伸率 由3 9 5 提高到了4 0 7 和4 2 0 ;M g S i 0 2 摩尔比从0 增加到1 和2 ,材料的抗拉强度由 1 3 4 5 M P a 提高到1 4 1 9 M P a 和1 8 7 0 M P a ,延伸率由3 9 5 提高到了5 4 6 和7 1 8 。利用 S E M 观察拉伸试样断口形貌,A I S i 0 2 C ( M g ) 系复合材料断口有大量韧窝,A 1 S i 0 2 系断 裂主要是基体的韧性断裂和初生硅脆性断裂,A 1 S i
5、0 2 C 系断裂为韧性断裂,A 1 S i 0 2 M g 系的断裂为基体的韧性断裂和M g A l 2 0 4 的脆性断裂。 关键词:复合材料反应机理增强相活化能抗拉强度断口形貌 A b s t r a c t 硕士论文 A b s t r a c t I nt h i sp a p e r t h eA 1 - S i 0 2 - C ( M g ) s y s t e m so fa l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e sh a v eb e e n s u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db
6、ym e a n so ft h e E x o t h e r m i cD i s p e r s i o n ( X D ) T h er e a c t i o n m e c h a n i s mo ft h eA 1 - S i 0 2 C ( M g ) s y s t e m sw e r ea n a l y s e db ym e t h o ds u c ha st h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o n , o p t i c a lm i c r o s c o p e ,D S Cc u r v e ,X R D
7、 r a yd i f f r a c t i o n ) ,S E M ( s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ) ;t h ea c t i v a t i o ne n e r g yv a l u eo ft h eA 1 S i 0 2 - C ( M g ) s y s t e m sw a s c a l c u l a t e db yD S Cc u r v ew i t hd i f f e r e n th e a t i l 唱r a t e sa n dt h eK i s s e n g e re q
8、 u a t i o n ;t h e m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ew a st e s t e da n di t sf r a c t u r em e c h a n i s m W a sa n a l y s e d T h es t u d yo ft h er e a c t i o nm e c h a n i s ms h o w e dt h a t :w h e nC S i 0 2m o l a rr a t i oo ft h e A 1 一S i 0 2 一Cs y s t e mw a s0 ,t h er e
9、i n f o r c i n gp h a s e sw e r ea - A 1 2 0 3g r a i n sa n dS ie l e m e n t a lw h i c h h a dt w ok i n d so fm o r p h o l o g i e sw i t ht h i c kp r i m a r ys i l i c o na n dd e n d r i t i ce u t e c t i cs i l i c o n , w h e n t h et e m p e r a t u r er e a c h e d10 9 0 K W h e nC s
10、 i 0 2m o l a rr a t i oW a s0 5a n d1 ,t h er e i n f o r c i n g p h a s e so fA l S i 0 2 一Cs y s t e mw e r e 仅- A 1 2 0 3g r a i n s ,f i n ep a r t i c l eS i C ,a n dd e n d r i t i ce u t e c t i cS i W i t ht h ec a r b o na d d e di n t ot h es y s t e m ,S i Cw a sp r o d u c e di nt h em
11、 a t r i x ,a n dt h eg r o w t ho ft h e t h i c kp r i m a r ys i l i c o nW a si n h i b i t e d W h e nC S i 0 2m o l a rr a t i oW a s0 ,0 5a n dl ,t h ea c t i v a t i o n e n e r g yv a l u eo fA I - S i 0 2 一Cs y s t e mw a s2 3 5k J m o l ,31 3 7k J t o o l a n d2 0 3 7k J t o o l 一 A 1 一S
12、i 0 2 - M gs y s t e mh a dt w os t e pr e a c t i o n s T h ef i r s ts t e p ,t h ei n t e r m e d i a t ep r o d u c t s ,w h i c h h a v eb e e nc o m p o s i t e db yM g O ,S i ,M g S i 0 3a n dM 9 2 S i 0 4 ,w e r ec r e a t e da t8 5 0 K ;t h es e c o n d s t e p ,t h ef i n a lp r o d u c t
13、s ,w h i c hc o n t a i n e dl a r g ep a r t i c l e sM g A l 2 0 4 ,f i n ep a r t i c l eM 9 2 S ia n d M g O ,a n dd e n d r i t i ce u t e c t i cS i ,w e r ec r e a t e da t10 0 0 K W i t ht h em a g n e s i u ma d d e di n t ot h e s y s t e m ,t h eg r o w t h o ft h et h i c kp r i m a r ys
14、 i l i c o nw a sa l s oi n h i b i t e d W h e nM g S i 0 2m o l a rr a t i o W a s1a n d2 ,t h ef i r s ts t e po ft h ea c t i v a t i o ne n e r g yv a l u eo fA 1 - S i 0 2 一M gs y s t e mw a s 2 2 9k j t o o l a n d218k J m o l 一,a n dt h es e c o n ds t e po ft h ea c t i v a t i o ne n e r g
15、 yv a l u ew a s 2 5 6 3 k J m o l a n d1 2 5 3 k J m o l T h er e s e a r c ho fp e r f o r m a n c et e s t i n gs h o w e dt h a t :t h er e i n f o r c e m e n tv o l u m ef r a c t i o no f t h eA 1 - S i 0 2 一C ( M g ) s y s t e m sW a s3 0 A sC S i 0 2m o l a rr a t i og r e wf r o m0t o0 5a
16、n d1 t h e t e n s i l es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t e si n c r e a s e df r o m13 4 5 M P at o15 0 7 M P aa n d2 0 8 5 M P a , w h i l et h ee l o n g a t i o nr a t er o s ef r o m3 9 5 t 04 0 7 a n d4 2 0 ;a sM g S i 0 2m o l a rr a t i og r e w f r o m0t o1a n d2 ,t h et e n s i l es t
17、 r e n g t ho ft h ec o m p o s i t e si n c r e a s e df r o m13 4 5 M P at O 1 4 1 9 M P aa n d1 8 7 0 M P a , w h i l et h ee l o n g a t i o nr a t er o s ef r o m3 9 5 t o5 4 6 a n d7 1 8 T e n s i l ef r a c t u r es u r f a c eo b s e r v e db ym e a n so ft h eS E M ,t h ef r a c t u r e so
18、fA I S i 0 2 一C ( M g ) s y s t e m ss h o w e dal o to fd i m p l e s T h ef r a c t u r eo fA 1 一S i 0 2s y s t e mW a st h em a t r i xo fd u c t i l e 硕士论文A I S i 0 2 - C ( M g ) 系反应合成内生型铝基复合材料 舰c t u r ea n db r i t t l er u p t u r eo fp r i m a r ys i l i c o n ;t h ef r a c t u r eo fA 1 - S
19、 i 0 2 - Cs y s t e ms h o w e d d u c t i l ef r a c t u r e ;t h ef r a c t u r eo fA I - S i 0 2 一M gs y s t e mw a st h em a t r i xo fd u c t i l e6 佻眦a n d b r i t t l er u p t u r eo fM g A l 2 0 4 K e yw o r d :m a t r i xc o m p o s i t e s ,r e a c t i o nm e c h a n i s m ,r e i n f o r c
20、 i n gp h a s e s ,a c t i v a t i o ne n e r g y , t e n s i l es t r e n g t h ,f r a c t u r es u r f a c e 川 lIjjlI川1 硕士论文 A 1 S i 0 2 - C ( M g ) 系反应合成内生型铝基复合材料 目录 摘要I A b s t r a c t I I 1 绪论。1 1 1 引言1 1 2 铝基复合材料1 1 3 原位反应法2 1 3 1 自蔓延高温合成法( S H S ) 2 1 - 3 2 放热弥散法( X D ) 2 1 3 3 接触反应法( C R ) 2
21、 1 3 4 气液反应合成法( V L S ) 3 1 3 5 机械合金化法( M A ) 3 1 3 6 熔体直接氧化法( D D 讧O X ) 3 1 3 7 混合盐反应法( L S M ) 。4 1 3 8 原位热压放热反应合成法( H P E S ) 4 1 4 反应热力学和动力学分析4 1 4 1 反应热力学4 1 4 2 原位动力学5 1 4 3 反应机理5 1 5 力学性能分析5 1 6 颗粒增强铝基复合材料的应用6 1 7 本课题研究的目的和主要内容。7 1 7 1 研究的目的7 1 7 2 主要内容7 2 实验过程8 2 1 实验设备8 2 1 1 真空炉。8 2 1 2 其
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- Al SiO2 Mg 反应 合成 内生型铝基 复合材料
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