【摘 要】
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近年来节能绿色环保的概念深入人心,对轻质、高强高耐磨结构件的需求也逐年增大。其中,铝合金由于低密度,高比强度比刚度和低的热膨胀系数等优点被广泛的应用到汽车航空航天等领域。但传统铝合金耐磨性较差,限制了其在高性能摩擦学领域的应用。而无定形碳（APC）由于低密度、低摩擦和金属表面成膜能力强等优点,成为提高铝合金耐磨性的有效轻质材料。但无定形碳质软,提高耐磨性的同时会引起APC/Al基复合材料强度、硬度
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近年来节能绿色环保的概念深入人心,对轻质、高强高耐磨结构件的需求也逐年增大。其中,铝合金由于低密度,高比强度比刚度和低的热膨胀系数等优点被广泛的应用到汽车航空航天等领域。但传统铝合金耐磨性较差,限制了其在高性能摩擦学领域的应用。而无定形碳（APC）由于低密度、低摩擦和金属表面成膜能力强等优点,成为提高铝合金耐磨性的有效轻质材料。但无定形碳质软,提高耐磨性的同时会引起APC/Al基复合材料强度、硬度等力学性能降低。为了获得具有良好综合性能的复合材料,本文提出了一种新型铝基复合材料的制备方法——切屑水热碳化沉积法,将无定形碳和B4C颗粒引入到铝合金中制备具有高强度和良好耐磨性的无定形碳和B4C混杂增强铝基复合材料,为拓展新型高性能铝基复合材料的开发与应用提供理论支持,具有重大的理论意义和实用价值。本文采用切屑水热碳化沉积工艺,以无定形碳和B4C颗粒（B4Cp）作为增强体,铝合金切屑作为基体材料,分别制备了APC/Al基复合材料、微米B4Cp和无定形碳混杂增强铝（micro-B4CP@APC/Al）基复合材料及纳米B4Cp和无定形碳混杂增强铝（nano-B4CP@APC/Al）基复合材料。采用SEM、EDS、Laman光谱、FTIR光谱和TEM对获得的切屑表面和复合材料的微观组织进行表征。通过XRD和基体溶解法对复合材料中的无定形碳进行定性和定量分析,并对复合材料的强度、硬度及耐磨性进行检测。本文主要研究内容和结果如下:（1）切屑和葡萄糖溶液进行水热反应后可在切屑表面形成无定形碳膜。改变水热反应工艺可以对切屑表面无定形碳的形貌、尺寸、结构及含量进行调控,无定形碳球的形核长大机制符合La Mer模型。随葡萄糖浓度增加,APC/Al基复合材料中无定形碳含量增加。无定形碳与α-Al基体通过静电吸附作用紧密结合。无定形碳具有自润滑作用,随无定形碳含量增加,复合材料的摩擦系数和磨损率降低,在0.3 mol/L时有最小磨损率,为1.84×10-5mm~3/N·m,比原始铝屑制备复合材料磨损率低35%。分析APC/Al基复合材料磨损机理,并建立了复合材料磨损表面磨损机理模型。（2）Micro-B4Cp@APC/Al基复合材料中α-Al基体的晶粒尺寸随微米B4Cp含量的增加而降低。水热反应后微米B4Cp被无定形碳包覆与α-Al基体结合,其周围还观察到了大量的位错堆积。Micro-B4Cp@APC/Al基复合材料硬度和强度随微米B4Cp含量的增加而增加,比原始铝屑制备试样的强度和硬度分别增加了5%和14%。分析micro-B4Cp@APC/Al基复合材料的增强机制包括热错配强化,细晶强化和载荷转移强化,其中热错配强化为主要强化机制。微米B4Cp和无定形碳混杂增强铝基复合材料的磨损率随微米B4Cp含量升高而降低,比APC/Al基复合材料降低了21%。（3）观察添加纳米B4Cp进行水热碳化沉积后获得的切屑表面形貌,添加纳米B4Cp的切屑表面的无定形碳球明显增多增大,表明纳米B4Cp可作为无定形碳的形核质心,促进无定形碳球的形核和长大,并对无定形碳球起支撑和增强作用,形成被增强的无定形碳球（Reinforced-amorphous carbon,R-APC）。Nano-B4Cp@APC/Al基复合材料强度和硬度随纳米B4Cp含量增加而增加。当纳米B4Cp含量为3 wt.%时,强度和硬度达到峰值,分别为235.41 MPa和95.8 HV。复合材料中增强颗粒包括纳米B4Cp和以纳米B4Cp作为形核质心的微米R-APC,分析增强机制为双尺寸颗粒增强引起的细晶强化,载荷转移强化,纳米B4Cp产生的Orowan强化和微米R-APC产生的热错配强化。建立纳米B4Cp作为形核质心形成微米R-APC的百分比与屈服强度增量关系模型。随纳米B4Cp含量增加,nano-B4Cp@APC/Al基复合材料磨损率比APC/Al基复合材料低55%。
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