基于木材模板的铝生态陶瓷复合材料的制备及性能研究

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1、上海交通大学博士学位论文摘要摘要自然界在长期进化和演变的发展过程中，生物系统中的植物材料形成了独特的多孔结构，这种结构通常难以通过人工手段获得。在材料及其结构设计的过程中，植物的结构形态给予了人们很多启示。材料研究者利用植物结构，通过工艺控制与复合，制备了众多保留植物结构且性能优良的陶瓷材料。生态陶瓷是新近研发的一种材料。该材料由木材转化而成，是保留了木材微观结构的多孔陶瓷或复合陶瓷，具有低密度，优异的摩擦磨损性能，好的热稳定性能，优良的电磁屏蔽和远红外辐射特性等优点，并有望应用于一些工业和民用领域。但是，与其它多孔陶瓷一样，其强度低、脆性大且导热能力差，这

2、些阻碍了该材料在更广泛领域中的应用。目前的研究工作仅是利用植物制备具有自然结构的陶瓷材料，能否将植物的结构引入到金属一陶瓷复合材料中，这种结构对金属一陶瓷复合材料的性能又有什么影响，关于这方面的研究国内外未曾有报道。针对这一问题，本文开展了基于木材模板铝／生态陶瓷复合材料的探索研究，即利用自然界中广泛存在的植物材料一木材作为模板，制备具有木材结构特征的铝／生态陶瓷复合材料，并对这种复合材料的微观结构及性能特点进行了研究。本文将铝合金与生态陶瓷结合起来，其目的也在于探索一种新型结构功能一体化复合材料的途径。本文采用柳桉、榆木、橡木等具有不同结构特征的木材作为模

3、板，通过制各工艺的控制，制备了AI／C及A1／(SiC+C)两种铝／生念陶瓷复合材料，并研究分析了它们的微观组织、力学性能、摩擦磨损性能及热学性能。研究结果表明：1．利用木材作为模板，通过遗传转化和复合材料制备工艺，可制得保持所选木材宏观形貌及微观结构特征的铝／生态陶瓷复合材料。铝合金与生态陶瓷复合良好，没有明显缺陷。铝与生态陶瓷界面结合良好，没有明显的反应产物。复合材料中铝合金受木材结构控制而呈连续纤维状分布，且大多数纤维状铝沿原木材轴向排列，少数沿径向排列，木材结构的各向异性造成复合材料在结构上也呈现出明显各向异性。刖C复合材料中纤维铝与碳生态陶瓷管壁直

4、接结合，而A1／(SiC+C)复合材料中纤维铝与碳生态陶瓷之间有一SiC层。2．铝／生态陶瓷复合材料的力学性能与术材模板的精细结构有密切关系，且上海交通大学博士学位论文摘要木材结构的各向异性造成了复合材料力学性能的各向异性。木材模板的孔隙率、管孔分布的均匀性、管道的弯曲程度等对复合材料力学性能有较大影响。Al／C和AI／(SiC+c1的弯曲强度、压缩强度、拉伸强度、弹性模量及韧性明显高于碳生态陶瓷。碳生态陶瓷断裂为脆性断裂，而AYe和AI／(SiC+Q的断裂属于混合断裂，包括碳生态陶瓷的脆性断裂和纡维铝的韧性断裂，体现出一定的韧性。SiC相的加入使AI／(S

5、iC+C)复合材料的强度和弹性模量比A1／C复合材料有了进一步提高，但是韧性略有降低。3．铝／生态陶瓷复合材料的摩擦稳定性较铝合金有了明显提高，木材框架结构对复合材料具有稳定的摩擦性能起到关键作用。碳的润滑性能使A1／C复合材料的耐磨性能好于铝合金，AYC磨损率最低为铝合金的64．4％。此外，硬质SiC相的生成使Al／(SiC+Q复合材料耐磨性能比Al／C复合材料又有了迸一步提高。磨损过程中，铝合金磨损面较粗糙，而AYe及AI／(SiC+Q复合材料磨损面却能保持光滑。具有光滑的磨损面是复合材料耐磨性能好于铝合金的一个重要原因，而生态陶瓷框架对复合材料具有光滑

6、的磨损面又起到主要作用。4．铝／生态陶瓷复合材料热膨胀性能和导热性能随木材模板结构的不同而变化，其中木材模扳的孔隙率、管道的弯曲程度对复合材料导热系数有较大影响。铝／生态陶瓷复合材料因木材模板结构的各向异性而呈现出明显的导热性能各向异性和微弱的热膨胀性能各向异性。AI／C复合材料热稳定性能高于铝合金，300℃时，铝合金热膨胀系数为26．0x10‘6／K，而几种AI／C复合材料只为17．8～21．5x10。6／K；同时A1／C复合材料导热系数高于碳生态陶瓷，最高导热系数为碳生态陶瓷的49倍。SiC相的加入使AI／(SiC+C1复合材料热稳定性较AFC复合材料有

7、所提高，但导热系数略低于AVC复合材料。本文的主要创新之处在于：将植物结构运用到金属一陶瓷复合材料制备中，并制得了保持原有木材结构特征的金属一陶瓷复合材料，研究了这种复合材料的结构与性能特点。通过上述探索性研究，可以为金属一陶瓷复合材料领域提供新的设计制备思路。Il上海交通大学博士学位论文摘要关键词木材，铝／生态陶瓷复合材料，微观组织，力学性能，摩擦磨损，热膨胀性能，导热性能III上海交通大学博士学位论文Abs仃actABSTRACTItisfoundthatplantSpossessauniqueandaestheticmicrostructureinal

8、ong-termevolutionprocess；t