提高硼酸铝晶须增强2024铝复合材料高温热稳定性和耐磨性的界面设计及性能研究

Poor interfacial wettability and serious interfacial reaction between magnesium in the matrix and aluminum borate whiskers at high temperatures significantly reduce the mechanical properties of aluminum borate whiskers reinforced aluminum matrix composite, limiting its use, especially, at high temperatures. In this study, uniform ZnO nano-coating of aluminum borate whiskers is prepared by a sol-gel process and an ultrasonic dispersion technique. During squeeze casting, ZnO coating of whiskers reacts with molten aluminum to improve the interfacial wettability, so the composite with high properties are obtained at room temperature, at the same time, the uniform reaction product formed at the interface can hinder the severe interface reaction between magnesium in the matrix and the whiskers at high temperatures. Eventually, the exellent mechanical properties of the composite are obtained at high temperatures. On the basis of interface design by nano-coating of whiskers, the interfacial wettability and interfacial reaction of ZnO nano-coated aluminum borate whiskers reinforced aluminum matrix composite are investigated in details. The effect of the coating contents on the strength and plasticity of the composite,and the thermal stability and wear resistance mechanism of the composite at high temperatures are also investigated. Through the interface design and optimization, it will provide theoretical support for the design, preparation and properties improvement of aluminum matrix composite and it will also provide a new method to prepare aluminum matrix composite with high thermal stability and wear resistance at high temperatures.

硼酸铝晶须增强铝基复合材料界面润湿性差、高温下铝基体中镁元素与硼酸铝晶须发生严重的界面反应，显著降低该复合材料的力学性能，限制了其使用，特别是在高温下的使用。本项目采用溶胶-凝胶结合超声分散工艺制备了均匀、分散的ZnO纳米涂覆的硼酸铝晶须，挤压铸造时，利用ZnO和熔融铝合金的反应提高界面润湿性，首先制备出室温下高性能的复合材料，同时上述反应在界面处形成均匀的产物在高温下可以阻碍复合材料基体中镁元素和硼酸铝晶须严重界面反应的发生，从而最终获得高温下力学性能优异的复合材料。本课题在纳米涂覆晶须设计界面的基础上，深入研究纳米涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料的界面润湿、界面反应以及涂覆量对强度和塑性的影响规律和机理，复合材料高温下的热稳定性和高耐磨性机理。通过本课题界面设计和优化将为铝基复合材料设计、制备和性能提高提供理论支持，也为制备高温下热稳定性和高耐磨性的铝基复合材料提供一种新思路。

硼酸铝晶须增强铝复合材料界面润湿性差和高温下铝基体中的镁元素与硼酸铝晶须发生严重界面反应，显著降低该复合材料的力学性能，限制了该复合材料的广泛应用，特别是在高温下长期稳定的使用问题。本项目提出了一种溶胶-凝胶和超声分散相结合的工艺方法，在硼酸铝晶须表面制备了均匀的ZnO纳米涂覆层且超声分散工艺不会显著折断涂覆的硼酸铝晶须，之后模压成型制备预制件，挤压铸造制备复合材料。主要的研究内容有：ZnO纳米涂覆硼酸铝晶须溶胶-凝胶和超声分散工艺；硼酸铝晶须增强2024Al复合材料铸态时的界面润湿，界面反应和界面结构；涂覆量对ZnO涂覆硼酸铝晶须增强2024Al复合材料弯曲性能和断裂的影响规律和机理；该复合材料在高温热暴露下的界面稳定性和拉伸性能；涂覆对复合材料时效行为的影响；该复合材料在不同载荷、不同速率和不同热处理条件下的耐磨性和耐磨机理。研究结果表明：ZnO均匀的涂覆在了硼酸铝晶须表面，ZnO和液态铝以及合金中少量的镁元素在挤压铸造过程中发生反应，可以提高界面润湿性同时在界面处形成MgAl2O4过渡层，该过渡层可以阻碍高温下复合材料基体中镁元素和硼酸铝晶须发生严重的界面反应，提高复合材料高温下的界面稳定性。ZnO涂覆量显著影响复合材料的力学性能和断裂机理。ZnO涂覆后，复合材料的峰时效时间延长，硬度水平、拉伸性能和耐磨性能显著提高。在相同载荷和转动速率下，涂覆复合材料的磨损量少于未涂覆的复合材料，T6热处理可以显著提高该复合材料的耐磨性。通过本课题界面设计和优化将为铝基复合材料设计、制备和性能提高提供理论支持，也为制备高温下热稳定性和高耐磨性的铝基复合材料提供一种新思路。本项目完成的同时，对ZnO的研究进行了拓展。利用超声辅助下的水热工艺，通过改变原料的组成合成出了多种形貌的ZnO纳米材料，揭示了水热工艺下ZnO各种形貌的生长机制，同时研究了不同形貌ZnO对乙醇、氢气、一氧化碳及甲苯的气敏性能。并设计出新型三维结构、大比表面积的ZnO纳米线阵列/三维泡沫石墨烯复合材料，可以同时检测抗坏血酸、尿酸和多巴胺，并实际应用于帕金森病人血清中生物标记物尿酸的检测。同时研究了该材料提高灵敏度和选择性的机理，具有重要的理论意义和较强的实用价值。