纳米金属铝的制备及力学性能研究

发布时间：2017-07-19 10:06

  本文关键词：纳米金属铝的制备及力学性能研究

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【摘要】：纳米铝块体由于具有晶粒尺寸细小且均匀、晶界浓度高、晶粒表面清洁等特点，因此其力学性能与常规粗晶材料相比有许多优点，如高强度、高硬度、良好的耐磨性等。但是纳米铝块体的制备条件严苛，纳米铝粉极大的比表面积和极高的表面活性，使得纳米铝粉无法在空气中直接使用，同时多达数小时的常规烧结方法将导致晶粒长大，很难获得真正意义上的纳米铝块体材料。 经有机包覆的纳米铝粉既可以保持其活性又可以避免其被氧化，，因而可以方便地在空气中直接使用。放电等离子烧结技术采用脉冲能、焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结，具有烧结温度低、升温速度快、烧结时间短等特点，易于获得致密度高、晶粒细小均匀、力学性能良好的材料。 本实验采用放电等离子烧结（SPS）技术对经过有机包覆的纳米铝粉进行烧结，制备纳米铝块体材料，并系统研究了烧结温度、升温速率、保温时间对纳米铝显微组织及力学性能的影响规律。实验结果表明：烧结温度对纳米铝性能影响最大，纳米铝的密度、晶粒尺寸和延伸率均随温度的升高而增大，显微硬度、抗压强度和抗拉强度随温度升高先增大后减小；随着升温速率的升高，孔隙率逐渐增大；随着保温时间的延长，晶粒尺寸逐渐增大。选择初始压力为1MPa，升温速率为40℃/min，保温压力为300MPa，保温时间为6min，烧结温度为500℃，可以制备出晶粒细小、相对密度为99.5%、力学性能良好的纳米铝块体材料。对该工艺条件下制备的纳米铝块体在不同温度下进行真空热处理，并对热处理前后的试样进行内部残余应力测试和准静态压缩、原位拉伸实验。实验结果表明，SPS烧结铝内部具有较大的残余应力，经退火处理后能够得到很好的消除，抗压强度、抗拉强度、应变均较退火前有较大程度的提升。在此基础上，系统研究了热扩散系数、电阻率随烧结温度的演变规律。随着烧结温度的升高，纳米铝的电阻率逐渐下降，热扩散系数逐渐升高。研究成果为SPS技术在制备大块体纳米金属材料方面打下了良好的基础。
【关键词】：放电等离子烧结 纳米铝 显微组织 力学性能 热处理
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TG146.21
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 纳米材料概述10
• 1.2 纳米金属颗粒的制备方法概述10-13
• 1.2.1 气相法制备纳米金属粒子10-11
• 1.2.2 液相法制备纳米金属粒子11-12
• 1.2.3 固相法制备纳米金属粒子12-13
• 1.3 纳米金属粒子的表面改性13
• 1.4 纳米金属块体材料的制备13-15
• 1.4.1 外压力合成法13-14
• 1.4.2 电解沉积法14
• 1.4.3 相变界面形成法14-15
• 1.5 放电等离子烧结（SPS）技术15-20
• 1.5.1 SPS 烧结系统结构16-17
• 1.5.2 SPS 烧结工艺过程17-18
• 1.5.3 SPS 烧结机理18
• 1.5.4 SPS 烧结工艺优势18-19
• 1.5.5 SPS 烧结技术在材料制备中的应用19-20
• 1.6 材料内部残余应力测试方法20-21
• 1.6.1 逐层钻孔法20
• 1.6.2 中子衍射法20
• 1.6.3 同步衍射法20-21
• 1.6.4 短波长 X 射线衍射法21
• 1.7 本文研究内容与意义21-23
• 1.7.1 主要研究内容21-22
• 1.7.2 研究意义22-23
• 第2章 实验方法23-32
• 2.1 实验原料23-24
• 2.2 放电等离子烧结实验24-26
• 2.2.1 烧结系统24
• 2.2.2 烧结模具的选择24-26
• 2.2.3 放电等离子烧结实验操作步骤26
• 2.3 性能测试26-29
• 2.3.1 密度26
• 2.3.2 显微硬度26-27
• 2.3.3 静态压缩27
• 2.3.4 原位拉伸27-28
• 2.3.5 残余应力测试28
• 2.3.6 电阻率测试及分析28-29
• 2.3.7 热扩散系数测试及分析29
• 2.4 物相与微观组织分析29-31
• 2.4.1 物相分析29-30
• 2.4.2 显微组织观察30
• 2.4.3 透射电子显微镜观测分析30-31
• 2.5 真空热处理31-32
• 第3章 放电等离子烧结法制备纳米铝关键控制因素研究32-51
• 3.1 实验过程设计32-34
• 3.2 升温速率对纳米铝密度和显微组织的影响规律34-37
• 3.3 保温时间对纳米铝密度和显微组织的影响规律37-39
• 3.4 烧结温度对纳米铝显微组织和性能的影响规律39-51
• 3.4.1 密度测试结果与分析39-40
• 3.4.2 物相分析40-41
• 3.4.3 显微硬度测试结果与分析41-42
• 3.4.4 显微组织观察结果与分析42-45
• 3.4.5 准静态压缩实验结果与分析45-47
• 3.4.6 拉伸实验结果与分析47-48
• 3.4.7 烧结温度对纳米铝拉伸断口形貌的影响48-49
• 3.4.8 烧结温度对纳米铝电阻率的影响49-50
• 3.4.9 烧结温度对纳米铝热扩散系数的影响50-51
• 第4章 内部残余应力对纳米铝力学性能的影响51-58
• 4.1 去应力退火51-52
• 4.2 残余应力测试52-56
• 4.2.1 测试条件52
• 4.2.2 测试方向及部位52-53
• 4.2.3 测试方法53-54
• 4.2.4 测试数据处理与分析54-55
• 4.2.5 结论55-56
• 4.3 残余应力对纳米铝力学性能的影响56-58
• 第5章 结论58-59
• 参考文献59-66
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单66-67
• 致谢67

【参考文献】

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本文编号：562293