纳米颗粒增强金属基复合材料的性能研究

第２１卷第５期　２００８年９月　机电产品开发　钏崭　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ＶＯＩ．２１．Ｎｏ．５　Ｓｅｐ．，２００８　

ＴｉＣ颗粒增强铝基复合材料耐磨性能研究　

范敏　

（洛阳理工学院机电系，河南洛阳４７１０２３）　

摘要：实验结果表明：在铝及其合金中添加ＴｉＣ颗粒可明显提高材料的抗磨损性能．且磨损性能与材　料的硬度之间没有必然的联系。ＴｉＣ颗粒增强铝基复合材料的磨损表面既有磨粒磨损的特征形　貌，又具有粘着磨损的特征产物，磨损过程中两种机理共同发生作用。　

关键词：ＴｉＣ颗粒；铝基复合材料；耐磨性能　中图分类号：ＴＧ１１５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—６６７３（２００８）０５—０４８—０２　

０引言　

在各种金属基复合材料中。颗粒增强铝基复合材料　受到青睐并获得了长足发展，这是由于颗粒增强铝基复　合材料具有制备工艺简单、价格便宜，适于批量生产优　点，在航空航天及汽车工业中得到了广泛应用【ｌｌ。颗粒　

增强铝基复合材料主要应用于汽车部件，如刹车系统　（包括刹车盘、刹车片等）、发动机活塞、控制杆、汽缸　套、汽缸盖等，这些零件对磨损性能都有一定的要求。　所以研究ＴｉＣ颗粒增强铝基复合材料的磨损性能有重要　的实践意义。　

１实验材料成份设计及制备　

表１中列出本文各种实验材料具体成份。其中合金　１是基体成份ＬＤ５标准牌号。选择ＬＤ５作为基体合金，　力图使复合材料达到较低的强度、较高的塑性及良好的　

表１复合材料设计成份表　Ｔａｂ．１　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　

合金号　合金成份　主要成份　１　Ａ１—２．２Ｃｕ－０．６Ｍｇ一１．２Ｓｉ一０．６Ｍｎ一０．０１Ｃｅ　ＬＤ５　Ａ１－２．２Ｃｕ－０．６Ｍｇ一１．２Ｓｉ－０．６Ｍｎ一０．０１Ｃｅ一　２　ＬＤ５＋２Ｖｏｌ％ＴｉＣ　２Ｖ０ｌ％ＴｉＣ　Ａｌ－２．２Ｃｕ－０．６Ｍｇ－１．２Ｓｉ－０．６Ｍｎ一０．０１Ｃｅ－　３　ＬＤ５＋３Ｖｏｌ％ＴｉＣ　３Ｖｏｌ％　Ｃ　Ａｌ一２．２Ｃｕ一０．６Ｍｇ一１．２Ｓｉ一０．６Ｍｎ一０．０１Ｃｅ一　４　ＬＤ５＋５Ｖｏｌ％ＴｉＣ　５Ｖ０１％ＴｉＣ　５　Ｃｕ一３８Ｚｎ一２．２Ｍｎ一２．２Ｐｂ　５８—２—２　

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SiC颗粒增强铝基复合材料摩擦磨损性能研究

作者：陈蓉

来源：《科技传播》2013年第24期

摘 要 随着交通运输业的高速发展，为了提高车辆的速度，就需要减轻车辆的重量，过去交通运输工具使用铁材料制造较为多见，减重较为困难。颗粒增强铝基复合材料的比重只为铁材料的1/3，且有着极好的耐磨性，热膨胀系数低，热导性和抗侵蚀等优良属性。合理的采用sic颗粒增强铝基材料为高速客车，列车的制动刹车材料，有减轻列车簧下重量的作用，可以很好的保障列车安全和高效运行。但sic颗粒增强铝基复合材料摩擦的性能过于依赖制备工艺和实验条件，还存在一些不足。本文主要介绍了颗粒增加铝基复合材料主要磨损理论，研究的现状，sic颗粒和复合材料的选择情况，影响sic颗粒增强铝基复合材料磨损摩擦性能的因素等内容，希望有一定的借鉴意义。

关键字 sic；摩擦磨损；颗粒铝基复合材料

中图分类号 U26 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）105-0118-02

0 引言

与其他的摩擦材料比，sic颗粒增强铝基复合材料不仅有着陶瓷的高耐磨性，低膨胀性，高强度等特点，还有铝合金的低密度，较好的热传导性等特点，是一种非常优秀的高速列车摩擦材料。如今，sic颗粒增强铝基复合材料已经成为高速列车钢铁材料的最佳替代材料。日本Toyta和Ford公司看重sic颗粒的性能，已经将sic颗粒增强铝基材料应用到轿车的制动盘上面，在进行了许多检测试验后肯定了其价值。德国的高速列车也采用了铝基复合材料并进行了试验，效果非常好。在国内，西安交通大学，北京交通大学等研究院都在sic颗粒增强铝基复合材料摩擦磨损性能研究方面取得了丰硕的成果。Sic颗粒增强铝基材料除了可以运用于制动盘，还可以运用于内燃机的活塞，滑动轴承的材料上等，所以对其的研究非常有意义。

项目名称： 纳米金属材料的多级结构制备及优异性能探索研究

首席科学家： 卢柯 中国科学院金属研究所

起止年限： 2012.1至2016.8

依托部门： 中国科学院

一、关键科学问题及研究内容

本项目拟解决的关键科学与技术问题包括：多级纳米结构在金属材料中的形成演化规律和制备技术，多级纳米结构金属材料的本征力学性能、塑性变形机制、疲劳损伤机制及结构-性能关系，多级纳米结构金属材料的理化性能特征和综合性能调控途径，多级纳米结构金属材料的结构稳定性特征及其调控途径，多级纳米金属材料的规模化制备技术及工业应用。

针对上述关键科学问题，本项目拟主要针对以下四类典型多级纳米结构金属材料展开研究：

1）纳米孪晶结构：多晶体中所有晶粒或部分晶粒由纳米尺度孪晶结构组成；

2）表层梯度纳米结构：指晶粒尺寸自表及里在空间上呈梯度分布（纳米-亚微米-微米），梯度纳米结构层的厚度超过百微米。

3）纳米多孔结构：由纳米尺度（最小可至3-4 nm）的金属柱和纳米尺度的孔洞交互贯通而成的网络状结构；

4）复相纳米镶嵌结构：指由两种或多种纳米相复合或相互镶嵌而形成的纳米结构。

本项目拟分别选择两类材料作为研究对象，即具有典型结构特征的模型材料和具有普适性的典型工程材料。如表1所示，模型材料主要集中在纯金属和简单合金，如纯Cu、Ni、Fe、Au和单相合金材料Cu-Al合金及Al合金等，通过研究模型材料的微观结构形成和演化机制、微观结构和力学及理化性能、结构稳定性、强韧化机制和损伤机制等，建立多级纳米结构的结构-性能关系和提高综合性能的原理。实用材料主要包括Cu合金、Al合金、奥氏体不锈钢、奥氏体高锰钢、耐热钢、低合金钢等，利用多级纳米材料的结构-性能关系和综合性能优化原理，研究其综合力学及理化性能（如强度、塑性、韧性、导电性、导热性、耐腐性、耐磨性，低温表面合金化以及稳定性等），发展具有优异综合性能的多级纳米结构金属材料并推动其工业应用。主要开展以下工作：

分类号 密 级

UDC 学校代码 10497

学 位 论 文

题 目 颗粒增强金属基复合材料动态力学性能预测方法研究

英 文 Study on the Method to Predict Dynamic Mechanical

题 目 Property of Particle Reinforced Metal-Matrix Composite

研究生姓名 曹东风 姓名 刘立胜 职称 副教授 学位 博士

单位名称 武汉理工大学 邮编 430070

申请学位级别 硕士 学科专业名称 固体力学

论文提交日期 论文答辩日期

学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期

答辩委员会主席 评阅人

2006年 12 月 指导教师

武汉理工大学硕士学位论文

I

摘 要

本文的主要任务是用计算细观力学的方法模拟研究分离式霍普金森压杆的

实验过程，并构建一种采用二维多颗粒随机模型来预测PRMMCs动态力学性能

的方法。这种二维多颗粒随机模型可以考虑应变率、颗粒体积含量、颗粒尺寸及

颗粒形状等因素对PRMMCs动态力学性能的影响。该方法的主要步骤如下：首

先在金属基体随机生成颗粒，并剖分网格，构建试样的数值模型；随后分别对基

体和陶瓷颗粒附加合适的材料模型，陶瓷颗粒选用Johnson-Holmquist(JH-2)损伤

模型，最后用有限元软件完成对SHPB实验的模拟。为了证明预测方法的合理性，

论文还用SHPB实验对PRMMCs动态力学行为的预测方法进行验证。基于以上工

作，可以大致得到如下结论：

1、数值预测表明：一方面，应变率效应对PRMMCs流动应力有着显著的

影响，应变率越大，对应的流动应力就越大，另一方面屈服强度和流动应力随

着应变率的变化呈非线性变化。实验结果和数值预测的结果是一致的。

2、数值预测表明：颗粒含量的影响非常显著，不同体积含量，在同等应

变率下对应的应力应变曲线差别非常明显。颗粒含量越大，PRMMCs的增强

效果就越明显，特别是材料的屈服强度。实验结果和数值预测的结果是一致的。