氧化铝晶须增强铝基复合材料的应用前景.pdf
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1、氧化铝晶须增强铝基复合材料的应用前景 北京石油化工学院机械工程系( 1 0 2 6 1 7 )郝保红 清华大学反应工程系( 1 0 0 0 8 4 )向兰 北京科技大学冶金学院( 1 0 0 0 8 3 )方克明 【摘要】介绍了晶须的性质及铝基复合材料的性能特点,概述了国内外研究现状,提出了用水热 法制备三氧化二铝晶须的新思路,分析了氧化铝晶须增强铝基的应用前景。阐明了开发氧化 铝晶须的意义。 关键词三氧化二铝晶须增强铝基复合材料 P o t e n t i a lA p p l i c a t i o no fA l u m i n u mM a t r i xC o m p o s i t
2、 e sR e i n f o r c e d b yA l ,o :C r y s t a lW h i s k e r s A b s t r a c t P r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o n so fa l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e sr e i n f o r c e db yA 1 20 3w h i s k e rw a sb r i e f l yi n t r o d u c e d T h ep r e p a r a t i o np r o c e s s e sf
3、 o ra l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e sw e r es u m m a r i z e d P r e p a r a t i o nA 1 20 3w h i s k e rb yh y d r o t h e r m a lm e t h o dw a si n t r o d u c e d D e v e l o p m e n ta n df u t u r ea p p l i c a t i o n so fA 1 20 3w h i s k e rw a sa n a l y z e di nt h i sp a p
4、e r K e y w o r d sA 1 20 3 ,c r y s t a lw h i s k e r s ,m a t r i x ,a l u m i n u mc o m p o s i t e s 中图分类号:T G l 7 4文献标识码:A 科学技术的迅猛发展,对材料性能提出了越来 越高的要求。重量轻、强度高的材料越来越受到人 们青睐。然而,现有材料难以同时满足上述要求,因 此,对轻质材料特别是铝合金材料进行增强改性受 到重视。铝基复合材料是以轻金属铝及其合金为基 体,以金属或非金属颗粒、晶须或纤维为增强相的非 均质混合物。与金属基复合材料相比,具有比强度、 比刚度高,疲劳强
5、度高,耐磨性能好,且复合工艺相 对简单、灵活多样等优点。 在现有用于增强铝合金的填充材料中,晶须由 于晶体结构完整、力学强度高、形貌和大小易于控 制,被认为是理想的增强铝合金的材料。特别是氧 化铝晶须,与铝合金之间的相容性优于其它的晶须 材料,因此被认为是铝基复合材料最佳增强材料。 然而,目前氧化铝晶须通常采用气相沉积法制备,反 应温度高,条件苛刻,大规模生产难以实现,使得价 格昂贵,极少得到实际应用。近年来,水热技术的发 展为在较低温度和较温和条件下制备氧化铝晶须提 供了可能。 1 晶须的性质及应用 晶须是具有一定长径比( 一般大于1 0 ) 、截面积 小于5 2 1 0 1c r n 2
6、的单晶纤维材料。由于晶须在结 晶时原子结构排列高度有序,内部缺陷较少,因此晶 业业业坐业业业靶业业业业业喜 誊 业业业业业业业业省章船业业业越 业业 业业业薯窖业业尘尘业业业业业 业业坐 达到4 0 0W 时产生裂纹,并随着激光输出功率的增 加而逐渐扩展;激光输出功率高于18 0 0W 时,损伤 区中心的涂层材料熔化,并在激光热冲击作用下推 挤到四周而形成凹坑,即涂层被击穿。 2 ) 在激光热冲击作用下,Z r O 。涂层损伤区存 在裂纹的萌生与扩展,并使损伤区表面出现碎裂,翘 曲和塌陷。 3 ) Z r O 。涂层消耗激光热冲击能量的方式主要 是利用裂纹的萌生和扩展。 4 ) 激光热冲击使基
7、体产生热影响区,但深度较 小,涂层在激光输出功率为10 0 0W 时未击穿,热影 响区的深度小于1I T l r n ;涂层在激光输出功率为 18 0 0W 时击穿,热影响区的深度小于3I T I I I I 。 参考文献 1 阎吉祥激光武器 M 北京:国防工业出版社,1 9 9 6 2 F e r r e i r aDM ,M a r c e l lFC N a v a lh i g he n e r g yl a s e rw e a p o n s y s t e m J N a v a lE n g i n e e r sJ o u r n a l ,1 9 9 3 ,1 0 5 (
8、3 ) :1 0 5 1 1 7 3 C o o kJR ,A l b e r t i n eJR T h en a v y Sh i g he n e r g yl a s e r w e a p o ns y s t e m S P I E ,19 9 7 ,2 9 8 8 :2 6 4 2 7 0 4 B o k n iRF D e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fH E L W S P I E ,1 9 9 4 5 黄勇,刘杰高能激光武器的杀伤机理及主要特性分析 J 光学与光电技术,2 0 0 4 ,2 ( 5 ) :2 0
9、2 3 6 徐惠忠高能激光武器的毁伤机理及飞行器防御途径分 析 J 中国航天,2 0 0 4 ( 9 ) :3 4 3 7 7 郭亚林,梁国正,丘哲明,等激光辐照下的材料破坏和 防护研究进展 J 材料保护,2 0 0 3 ,3 6 ( 1 2 ) :8 - 1 0 r 8 t M l a n t y n eAM o d e l i n go ft h ei n t e r a c t i o no f 1 0 6L ml a s e rr a d i a t i o nw i t hr e i n f o r c e dp l a s t i c s J A I A AJ o u r n a
10、l ,1 9 8 1 ( 1 9 ) :7 3 1 9 K e s h u nD ,Z h e n gJ ,D a v i e sA W ,e ta 1 T h e r m a lb u c k l i n g o fa x i a l l yp r e - c o m p r e s s e dc y l i n d r i c a ls h e l ls i r r a d i a t e db y l a s e r b e a m J A I A AJ o u r n a l ,3 8 ,2 0 0 0 ,17 8 9 1 0 高阳,潘峰,梁勇,等高温合金表面激光熔敷热障涂层组 织结构
11、与氧化性能 J 材料科学与工程学报,2 0 0 3 ,2 1 ( 1 ) :4 - 7 4 2 新技术新工艺热加工工艺技术与装备2 0 0 6 年第6 期 责任编辑吕德龙 万方数据 须的强度和模量均接近其完整晶体材料的理论值, 是一种力学性能十分优异的复合材料补强增 韧剂1 I 。 自从1 9 4 8 年美国贝尔电话公司首次发现晶须 以来,到目前为止已经开发了1 0 0 多种不同的晶须, 其中主要包括金属晶须( 如S n ,F e ,C u ,T e ,C d ,N i 和T e 等晶须) 和非金属晶须( S i 。N 。,S i C ,A l 。O 。, Z r 0 2 ,A l N ,T
12、i 0 2 ,T i C ,N a C l ,T i N 和莫来石等晶须) 两大类 2 。晶须最早的工业化产品出现于1 9 6 2 年, 因其价格极高( 碳化硅晶须30 0 0 50 0 0 元千克) 而限制了他的应用。直至2 0 世纪8 0 年代,较廉价 的钛酸钾晶须在日本问世后,晶须的应用才有所突 破。我国无机晶须的研究开发起步于9 0 年代,先后 研制出钛酸钾、硫酸钙等晶须,但大都由于价格较高 而未能形成大规模工业生产。 晶须所具有的惊人的力学强度,使其在作为塑 料、金属和陶瓷等物质的改性增强剂时,显示出了极 佳的物理化学性质和优异的机械性能。不仅能够提 高复合材料的强度、韧性、硬度、耐
13、热性、耐磨性、耐 腐蚀性和触变性等,还具有导电、绝缘、抗静电、减 振、阻尼、隔音、吸滤、防滑、阻燃等多种功能。短纤 维填充剂对树脂有较大的增强作用,但难以制备表 面光滑美观的制品。以晶须增强的热固性和热塑性 树脂则可制成形状复杂、尺寸微小、外观光滑精美的 制件,显著提高复合材料制品的质量。由于晶须的 内部结构及表面均具有高度的完整性,与多晶纤维 和玻璃纤维相比,具有高强高韧的优异性能。晶须 既具有玻璃纤维的伸长率( 3 4 ) ,又具有硼纤 维的高模量( 4 2 0 6 9 0G P a ) ,比玻璃纤维和硼纤维 的强度大3 5 倍。晶须作为增强材料可用于热固 性树脂、热塑性树脂、金属、陶瓷、
14、橡胶、水泥等的增 强,制造高性能的复合材料;也可用于制造胶黏剂、 涂料、密封剂、摩擦材料、导电材料、吸波材料、耐磨 防滑材料和减振降噪材料等。 我国的清华大学、沈阳金属研究所、中国矿业大 学、上海硅酸盐研究所等单位自2 0 年代起就对晶须 的制备和应用方面进行了大量的工作,取得了很好 的成绩。但与日本等发达国家相比,还存在一定的 差距。特别是研究单位与材料加工企业和使用企业 之间合作不够,使得晶须的制备和使用脱节,一定程 度上造成了研究资源的浪费,也不利于科研成果的 转化。为此,我们认为,为了提升我国晶须研究和应 用水平,为高性能材料使用企业服务,必须走科研院 所和企业结合的道路。 2 铝基复
15、合材料的种类及性能特点 随着航空航天、原子能等现代高技术的迅速发 展,对材料的要求也越来越高,不仅要求重量轻,还 要求比强度、比模量高。传统金属材料难以满足这 些要求,于是复合材料应运而生。与传统金属材料、 非金属复合材料相比,金属基复合材料具有很多优 点,金属基复合材料以其高比强、高比模、耐高温、导 热、导电、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的综 合性能及在航天、航空、先进武器系统、汽车等领域 中有广阔的应用前景,已成为国内外十分重视研究 发展的先进复合材料。 铝基复合材料是普遍研究的一种金属基复合材 料,他以金属铝及其合金为基体,以金属或非金属颗 粒、晶须或纤维为增强相的非均质混合物。铝基
16、复 合材料具有比强度、比刚度高,疲劳强度高,耐磨性 能好,且复合工艺相对简单、灵活多样等优点,在金 属基复合材料中占主导地位。自从1 9 8 1 年4 月1 2 日美国在“哥伦比亚号航天飞机上首次使用硼纤维 增强的铝基复合材料以来,国内外对铝基复合材料 进行了大量的研究工作。目前,美、英、日、法和加拿 大等国己在航天工业和汽车制造业上开始批量应用 铝基复合材料,且拥有相当规模的铝基复合材料专 业生产厂4 。 我国较全面地开展了铝基复合材料方面的研究 工作,包括纤维增强、颗粒增强、层压复合、喷射沉 积、原位生成等方面的研究,取得了进展,正走向实 用。目前,开发的铝基复合材料主要有B A 1 ,B
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- 氧化铝 增强 复合材料 应用 前景
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