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三维网络SiC/Cu复合材料组织与性能的研究

作　者: 徐永先
导　师: 茹红强
学　校: 东北大学
专　业: 材料学
关键词: 摩擦材料三维网络SiC/Cu 力学性能界面反应热处理摩擦磨损性能
分类号: TB333
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着交通运输业的迅速发展,设备也向着大型、高速、重载、及高安全性方向发展,对摩擦材料的使用性能提出了越来越高的要求。近年来人们逐渐将研究热点转移到一种新型的复合材料——网络交叉复合材料上,此类材料的增强相与基体相相互贯穿、相互支撑,能充分发挥两相的优点,具有优异的物理化学性能和机械性能。本试验将铜引入到SiC骨架中制成三维网络SiC/Cu复合材料,并对其力学性能、界面反应、热处理的影响及摩擦磨损性能进行了研究。研究结果表明：(1)三维网络SiC/Cu复合材料的抗弯强度σbb=225.9MPa,抗压强度σbc=199.9MPa,拉伸强度σb=19MPa。SiC增强相和Cu基体相互相贯穿,使其在承受载荷时互相支撑,从而具有优异的力学性能。(2)三维网络SiC/Cu复合材料在熔铸过程中存在着SiC与Cu的界面反应,界面反应主要分为三个步骤：①SiC分解成Si和C；②SiC分解出的Si和C与Cu基体发生反应,生成各种界面产物,主要有Cu4Si、C、TiC、V-C、Cr-C以及Cr-Si化合物；③固相扩散。从SiC骨架开始到Cu基体的界面反应区大致分为四个：界面Ⅰ区为Cu4Si、C以及岛状分布的T-C和Cr-C化合物,界面Ⅱ区是介于界面Ⅰ区和Ⅲ区之间的过渡区,界面Ⅲ区主要是TiC、V-C,界面Ⅳ区为Cr-Si化合物。界面Ⅲ区和界面Ⅳ区位于界面反应区的前沿,其阻碍了界面两端元素的扩散,对界面反应起到了抑制作用。(3)把三维网络SiC/Cu复合材料加热到700℃并分别保温30、60、90和120min,热处理后的样品并没有检测到新界面产物,热处理对界面区其它元素的分布影响不大,但却影响了C在界面Ⅰ区的分布形态,随着保温时间的增加,块状及条纹状的石墨相转变为细小且弥散分布的球状石墨相；Cu在热处理的过程中逐步发生氧化,生成Cu2O和CuO；热处理后Cu基体的晶粒尺寸有所增加,孪晶密度增加；通过菲克定律计算Cu元素在热处理过程中的扩散系数为D=2.76×10-14m2·s-1。(4)以三维网络SiC/Cu为静环,以铸铁环为动环模拟了轿车的刹车试验。结果表明：随着转速增加平均摩擦系数和加速度绝对值减小、制动时间和制动距离增大,随着压力的增加平均摩擦系数、制动时间和制动距离均减小,加速度绝对值增大；低压低转速下磨损机理以磨粒磨损为主,高压高转速下以粘着磨损为主,并发生了主要从铸铁环向三维网络SiC/Cu环方向的物质迁移；三维网络SiC在磨擦表面形成硬的微突起并起承载作用,SiC独特的骨架结构限制了Cu基体高温下的塑性变形及软化,因此此类复合材料具有良好的摩擦磨损性能。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-23
  1.1 摩擦材料的发展状况  11-13
    1.1.1 摩擦材料发展概述  11-13
    1.1.2 摩擦材料发展现状及前景  13
  1.2 金属基复合材料  13-20
    1.2.1 金属基复合材料的界面问题  14-18
      1.2.1.1 SiC/Al复合材料界面研究现状  15-16
      1.2.1.2 SiC/钢铁复合材料界面的研究现状  16-17
      1.2.1.3 SiC/Cu复合材料界面研究现状  17-18
    1.2.2 三维网络金属基复合材料  18-20
      1.2.2.1 三维网络金属基复合材料发展及制备  18-19
      1.2.2.2 三维网络SiC/金属基复合材料  19-20
  1.3 摩擦磨损性能  20-22
    1.3.1 摩擦与磨损  20-21
    1.3.2 三维网络SiC/金属基复合材料摩擦磨损性能研究现状  21-22
  1.4 研究内容及意义  22-23
第2章实验材料和实验方法  23-27
  2.1 实验材料及其制备  23
  2.2 实验设备  23-24
    2.2.1 金相显微镜  23
    2.2.2 扫描电子显微镜  23
    2.2.3 X射线衍射  23-24
    2.2.4 电子拉伸实验机  24
    2.2.5 液压式万能试验机  24
    2.2.6 MM1000-Ⅱ型惯性制动试验机  24
  2.3 样品制备及实验方法  24-27
    2.3.1 扫描和金相样品的制备  24
    2.3.2 抗弯强度试样制备及方法  24
    2.3.3 抗压强度试样制备及方法  24-25
    2.3.4 拉伸试样制备及方法  25-27
第3章三维网络SiC/Cu复合材料力学性能  27-31
  3.1 抗弯强度试验结果及分析  27
  3.2 抗压强度试验结果及分析  27-28
  3.3 拉伸试验结果及分析  28-29
  3.4 本章小结  29-31
第4章三维网络SiC/Cu复合材料显微组织  31-53
  4.1 三维网络SiC骨架物相分析  31
  4.2 Cu合金基体微观组织形貌分析  31-32
  4.3 三维网络SiC/Cu复合材料物相分析  32
  4.4 三维网络SiC/Cu复合材料界面研究  32-39
    4.4.1 界面区各元素分布  33-35
    4.4.2 界面各区物相鉴定  35-39
  4.5 热处理对三维网络SiC/Cu复合材料的影响  39-46
    4.5.1 热处理对Cu合金基体组织形貌的影响  39
    4.5.2 热处理对复合材料物相的影响  39-42
    4.5.3 热处理对界面区的影响  42-44
      4.5.3.1 热处理对界面宏观形貌的影响  42
      4.5.3.2 热处理对界面成分、组织形貌的影响  42-44
    4.5.4 扩散系数的计算  44-46
  4.6 界面形成机理  46-50
    4.6.1 Cu-C及Cu-Si二元相图  46-47
    4.6.2 SiC与金属反应的基本特征  47-48
    4.6.3 三维网络SiC/Cu复合材料界面形成机理  48-50
  4.7 本章小结  50-53
第5章三维网络SiC/Cu复合材料的磨擦磨损性能  53-65
  5.1 试验设备及样品  53
  5.2 试验方案设计  53-56
    5.2.1 汽车实际制动条件  53-54
    5.2.2 试验参数的确定  54-56
      5.2.2.1 摩擦试验机转动惯量I_0的确定  54-55
      5.2.2.2 角速度ω的确定  55
      5.2.2.3 摩擦试验机转速n的确定  55
      5.2.2.4 汽车线速度v的确定  55
      5.2.2.5 制动加速度a及制动距离1的计算  55-56
    5.2.3 试验机模拟制动条件  56
  5.3 试验结果及分析  56-62
    5.3.1 扭矩-时间曲线  56-59
    5.3.2 不同压力下平均摩擦系数与转速曲线  59-60
    5.3.3 不同压力下制动时间、制动加速度、制动距离与转速曲线  60-61
    5.3.4 磨损量  61-62
  5.4 摩擦磨损机理分析  62
  5.5 本章小结  62-65
结论  65-67
参考文献  67-71
致谢  71

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