生态陶瓷金属网络互穿结构复合材料的制备及性能研究

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1、圭查奎堡查芏堡圭兰壁坚———————』!i_—叁摘要I经济的发展带给人们方便和舒适的生活，但同时造成了许多严重的问题，如资源过度开采、大量的生活和工业垃圾以及环境污染等。因此。材料的设计、开发与应用应同时追求材料高性能与材料环境协调性。面对地球环境的日益恶化，环境材料相关领域已成为研究的热点。生态陶瓷是新近开发的一种环境材料。该材料由木质废弃物经过特殊处理制备而成，是一种海绵状多孔碳材料，具有低密度，优异的耐磨、减磨性，优良的电磁屏蔽效应和远红外线放射特性等特点，并有望应用于一些工业和民用领域。但是，与其它多孔陶瓷一样，其力学、热学等性能较差，这些阻碍了该材料在更广泛的领域中的

2、应用。、)针对生态陶瓷性能的上述瓶颈，本文提出利用材料复合技术解决上述问题，在发挥生态陶瓷现有优异性能的同时，提高其综合等性能。基本思想是利用生态陶瓷独特的三维开孔结构特征，往其中浸渍入导热导电高塑性好的金属及其合金，制备出网络互穿结构的新型环境复合材料，并期望这种材料同时具有生态陶瓷和金属材料的综合优良性能。本文采用真空压力浸渍工艺制备了生态陶瓷／舢(ECMs／A1)、生态陶瓷／AISi(ECMs，mSi)和生态陶瓷／MBl5(ECMs／MBl5)三种复合材料，并利用复合材料的可设计性，针对合金和生态陶瓷的不同性能特点，有针对性地在上述三种复合材料中选择研究对象进行性能研究和

3、分析。通过对生态陶瓷的形貌和组织分析，发现生态陶瓷的组织存在一定的方向性，由非晶碳组成，并可根据孔的大小及形成过程，将生态陶瓷内的孔隙分为宏观孔、微观孔和纳米孔(坑)三种if压汞仪测试结果表明生态陶瓷孔径随着烧结温度的升高而增加。ECMs／金属复合材料的组织均匀致密且网络互穿结构明显。金相法和密度法对同一复合体系测得的浸渍率非常接近，充分说明EcMs／金属复合材料的网络互穿结构具有三维特征。复合材料中金属未浸溃区域来源主要有三个：生态陶瓷自身闭孔、气体阻隅以及金属缩孔。ECMs／A1复合材料少量局部界面有反应物产生，而ECMs／MBl5复合材料界面光滑，没有反应物生成。文通过浸

4、溃金属来提高生态陶瓷的力学性能是可行的。f力学性能分析表明，ECMs／金属复合材料的弯曲强度、压缩强度、弹性模量以及布氏硬度在生态陶瓷的基础都有大幅度的提高。生态陶瓷的断口具有典型的脆性断裂特征。ECMs／金属复合材料具有混合断口特征，包括生态陶瓷的脆断和浸渍金属的韧断。EcMs／金属复合材料的失效模式为生态陶瓷的裂断，其裂纹大多起源于生态陶瓷内部或复合材料组成相界面处，以T形裂纹为主。ECMs／金属复合材料的力学性能通过韧性相桥接、裂纹偏转和组成相互锁方式得到改善和提高。I7--上海交通大学博士学位论文摘要复合材料许多应用领域要求其具有合适的热膨胀性能。＼研究发现，生念陶瓷表

5、现出较低的热膨胀系数和稳定的热循环性能。ECMs／金,I复合材料的热膨胀系数大于混合法则预测值。这类复合材料的热循环曲线的升温阶段位于Ij筚温阶段的下部，并且加热阶段曲线上出现拐点，这些与加热过程中基体发生塑性变形有关。循环次数增加，试样伸长量减小，封闭性提高，拐点消失，这些现象与基体得到应交强化有关。ECMs／金属复合材料热膨胀性能的各向异性因材料微观结构的各向异性而产生。生态陶瓷内部的闭孔对复合材料的热物理性能影响不大，而界面闭孔有助于减小热膨胀量和热膨胀系数。ECMs／金属网络互穿结构复合材料的热膨胀行为可用试样表面金属挤入挤出机理解释。士噪声和振动成为越来越严重的另类污

6、染，减振降噪、改善人机工作环境逐渐成为一个急需解决的问题。【研究表明，生态陶瓷因其多孔特征而表现出较好的阻尼性能，其阻尼随振幅和频率的升高而增加，随烧结温度和测试温度的升高而下降。ECM舳15复合材料室温阻尼和高温阻尼大于ECM毗蛆复合材料，它们具有相似的阻尼一振幅曲线只是阻尼一频率曲线稍有不同。它们的高温阻尼随着温度的升高而增加，随振动频率的增加而减小。生态陶瓷不同区域的微孔和微裂纹对其阻尼性能的影响不一样。ECMs，金属复合材料的室温阻尼以组成相阻尼和位错阻尼为主；高温时基体中位错密度降低使位错阻尼降低，同时界面结合力减小，界面阻尼因界面滑移量的增加而增加，ECMs／金属复

7、合材料高温阻尼以界面摩擦滑动阻尼为主。既然无定型碳是由石墨分子碎片互相大致平行地无序堆积而成，在摩擦过程中它可用作固体润滑剂，玻璃碳具有很高的硬度和强度，它们都有助于降低摩擦系数并提高耐磨性。同时，Al-Si合金作为摩擦件用材已经得到广泛应用，但其抗咬合性能有待改善，通过对不同滑动速度和载荷下生态陶瓷／AlSi复合材料的干摩擦行为的研究发现，基于生态陶瓷制备AISi合金复合材料具有很好的摩擦磨损性能。ECMs／AISi复合材料的摩擦系数随载荷和滑动速度的增加而增加，其磨损率随载荷和滑动速度的