废弃玻璃铝基复合材料的基础研究

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1、圭童奎望奎兰堡主堡壅一一———————————!!曼摘要在人类的生产和生活活动中，每天都消耗着大量的资源和能源，并排放出废气、废水和各种固体废弃物，严重污染了人类的生存环境。而材料及其制品工业是造成能源短缺、资源过度消耗、环境污染的主要活动之一。近年来人们开始从可持续发展的角度出发，从新评价过去研究、开发、生产和使用材料的活动，更新单纯追求高性能、高附加值的材料研究思路；探索发展既有良好或功能，又对资源和能源消耗较低，并且与环境协调较好的材料及其制品。目前我国在工业、生活中产生了大量的废弃玻璃和废铝(如废弃易拉罐)，这些废弃物难以回收。如将之加

2、以回收利用，制成新型的绿色材料，将具有良好的社会效益和经济效益。、在本研究工作中选用废弃玻璃和石英砂作为增强相，分别与铝合金复合，获得了新型绿色循环材料一玻璃／铝基废弃物复合材料和(A1。0。+SiO。)／A]复合材料。这种新型材料能使原来的这两种废弃物扬长避短，既保留了铝韧性好的优点，又克服了铝硬度低的缺点；既保留了增强相硬度高的优点，又克服了增强相(如玻璃)脆性的缺点。由于这两类废弃物优点的叠加，又由于两种再生工艺的简化合一，使这两类再生资源的价值倍增。’本文着重研究了复合材料的制各工艺和微观组织、机械性能及断裂机理：一、采用搅拌铸造的方法

3、，优化工艺后将废弃的玻璃颗粒成功地与ZLl05进行了复合，再挤压成型得到了废弃玻璃／铝基复合材料。。得到的材料具有较好的结合界面，颗粒在基体中分布均匀，增强粒子对材料硬度的提高有一定的贡献。材料的断裂方式为脆性断裂，其裂纹主要来源于玻璃自身的加工裂纹或拉伸过程中颗粒与基体界面的开裂。其裂纹扩展方向一般有两种，一是引发已有裂纹的玻璃颗粒断裂，并穿过其颗粒；二是穿过基体与粒子的界面。复合材料由于亚表层的脆化而与脆性材料接近，磨损速率由裂纹形成率与裂纹扩展共同控制。其耐磨性在载荷较低时比基体有一定的提高，但由于玻璃颗粒较脆，并且对缺口效应敏感，因而未

4、能完全发挥其硬度高的作用，载荷较高时，材料的耐磨性比基体有所下降。在增强粒子材料对裂纹敏感的体系中，具有预加裂纹的大颗粒的低应力破I上海交通大学硕士论文坏，将对材料的断裂性能造成损害。复合材料在175。C完全时效所需的时间比基体材料完全时效所需的时间要短，其硬化峰值出现在7--9小时之间，峰值硬度为HBl20左右，而基体材料在同样条件下，达到时效峰值的时间为16一18小时，其峰值硬度为HBl00左右。形变后的复合材料在同等条件下，完全时效所需的时间更短，为3—5小时。复合材料的峰值硬度为HBl30左右，比未经形变的材料略高。改进制备工艺，应从细

5、化玻璃粒子的大小，减少其加工裂纹，改善其形状入手。二、选用合适的参数，制得了SiO：预制件，再采用真空压力浸渍法制备了(A1203+Si02)／AI复合材料。研究了铝和氧化硅在1000K至1500K温度区间反应的热力学机制，结果表明，在此区间随温度上升，反应Gibbs自由能的绝对值下降，因而在保证能充份浸渍的条件下，应降低浸渍温度。实验中采用730。C作为浸渍温度，通过真空压力浸渍法制备了A1203／AI+Si02复合材料。通过对复合材料的组织研究表明，Si02宋完全反应，其外壳包裹着一层A1203，在基体和增强粒子之间是A1203与Si的析出

6、带。颗粒在基体上分布均匀，●t其表面较粗糙fXRD实验的结果进～步证实了上述判断。随着增强粒子。Si02和A1203的增加，复合材料的硬度迅速上升。在整个过’程中，材料的高硬度对其耐磨性能起的是正面作用。材料的摩擦系数和磨损量与’，J基体纯铝相比，有明显的下降，与含硅量相近的A1．si合金ZLl05相比，其耐磨壮也有较大的提高。复合材料的磨损机制以磨料磨损为主，同时伴随着粘着磨损和少量的热磨损与疲劳磨损。在磨损过程中，摩擦副向复合材料的表面有较多的元素转移，在材料的表面形成了保护层，有助于材料耐磨性能的提高。与材料硬度类似的，其拉伸强度也随增强

7、粒子体积分数的增加而增加，抗压强度与基体相比也有较大的提高，但同时由于片状硅的析出和大量的刚性粒子的存在，使材料的塑性受到了损害，其加工性能下降。●关键词：颗粒增强复合材料，废弃玻璃颗粒，石英砂，铝合金，搅拌铸造真空反压浸渍，机械性能Ⅱr：!堂銮望盔兰堡主笙苎．!!塞AbstractPeople’Sindustryandlivingactivitiesconsumealotofresourceandenergyandbringmuchwastegas，wastewaterandwastesolid，whichhavedonemuchharmto

8、theenvironment．MaterialsmanufactureiSoneofthemajoractivitiesthathavebadeffe