AlN/Al纳米复合材料的制备、结构表征与性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘彦强 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-27 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 成会明 |
| 关键词 | 金属基复合材料 纳米结构 AlN/Al 力学性能 耐磨性 热物性能 |
| 其他题名 | Fabrication, microstructure characterization and properties of AlN/Al nanocomposites |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | 金属基复合材料（MMC）作为一类重要的新型结构、功能材料，在比强度、比刚度、疲劳性能、高温蠕变、耐磨性、热膨胀等诸多方面具有明显优于传统金属材料的综合性能，而被应用于航空航天、电子信息、交通车辆等领域。纳米晶材料（NC）由于具有超细晶粒和极高的界面体积，通常表现出不同于粗晶材料的奇特的力学、物理和化学性质。本论文综合考虑MMC的可设计性和纳米晶材料的结构性能特点，利用高强度、高热导、低热膨胀的氮化铝（AlN）陶瓷颗粒为增强相；AlN与金属Al无界面反应的特点，设计并制备出一种具有纳米结构的AlN颗粒增强Al基复合材料，在此基础上，对复合材料的力学性能、热物性能和耐磨性开展了比较系统的研究，取得如下几方面结果： 采用含氮等离子金属蒸发法同步原位制备出两相分散均匀的AlN/Al纳米复合粉体，发现：AlN的体积质量百分数随N2分压近线性变化，纳米粉中Al的平均颗粒尺寸随AlN含量增加而降低，AlN与Al纳米颗粒部分实现原位结合，纳米粉的成型性良好。通过调整蒸发工艺参数，制备出一系列（0~43 wt.%）AlN/Al纳米复合粉体，并实现成分可控。此方法克服了纳米颗粒难以分散的问题。采用热压烧结法进行粉末成型，研究了热压温度对块体材料致密化的影响，在450℃~500℃热压获得致密、结构稳定的纳米复合材料，复合材料中AlN纳米颗粒分散均匀，AlN-Al界面形成原子结合。 复合材料的硬度随AlN含量提高线性增加，其弹性模量也显著提高，如：39%AlN/Al的硬度值（3.48 GPa）是NC-Al的3.3倍，是退火态纯Al的20倍；复合材料中AlN含量为39%时弹性模量比NC-Al提高57%。AlN/Al纳米复合材料的强化方式主要为AlN颗粒间接导致的晶界强化、界面载荷传递以及Orowan强化效应，其中，界面载荷传递是AlN/Al纳米复合材料最主要的强化方式。弹性模量实验测量值与经典的Hashin-Shtrikman模型预测值吻合较好。 与纳米晶纯Al相比，复合材料的摩擦系数明显降低，耐磨性显著提高。如39%AlN/Al的磨损量为纳米Al的30%左右。NC-Al的磨损率随载荷增加而增大；而AlN/Al的磨损率在低载荷时（5~25 N）对载荷变化不敏感，更高载荷下材料发生严重的磨损。AlN/Al的磨损率随滑动速率提高以双曲线趋势降低，在高滑动速率下表现出更好的耐磨性。摩擦氧化对AlN/Al纳米复合材料的摩擦磨损行为有重要影响，氧化反应促使磨损表面形成了一层半连续的氧化摩擦层，摩擦层通过减少材料与配副的接触而对材料起到保护作用。高载荷下摩擦层的作用削弱导致磨损加剧；而高滑动速率下由于摩擦热增加，有利于发生摩擦氧化形成摩擦层，磨损率更低。总之，在外加载荷5~25 N、滑动速率0.01~0.08 m/s范围内，氧化与摩擦层现象很大程度上决定着AlN/Al纳米复合材料的摩擦系数的变化和磨损程度。复合材料耐磨性的提高主要归因于硬度的提高和氧化摩擦层的防护作用。 复合材料的热导率随AlN体积分数增加而降低，如：NC-Al的热导率为160 W/(mK)，而39%AlN/Al为50 W/(mK)。通过与电导率对比估算了AlN颗粒对复合材料热传导的贡献，当AlN含量低于23%时复合材料的热导率接近含有完全隔热孔洞的情况，当含量高于30%时复合材料的热导率为为后者的2倍。此外，在AlN/Al纳米复合材料中发现了热/电传导的渗流现象，渗流阀值处于23%~30%之间。高温下（~500℃）AlN/Al的热导率降低不明显。AlN纳米颗粒有效降低了复合材料的热膨胀系数，含量为39%时热膨胀系数降低到NC-Al的一半。与文献对比发现：增强颗粒尺寸越小，复合材料热膨胀降低效果越好。 AlN颗粒增强Al基纳米复合材料因具有高热传导、低热膨胀、高强度和耐磨损的综合性能，可望发展成为一种新型微电子封装材料和轻质高强的耐磨材料。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 120 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17275]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘彦强. AlN/Al纳米复合材料的制备、结构表征与性能研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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