论文题目：镍基复合材料的制备及其摩擦学性能研究
摘要：我国以农业发展作为主要经济来源、农产品种类丰富、加工过程同时产生大量的副产物—生物质资源。若处理不当、就会形成资源的浪费和污染。因此、合理利用生物质资源成为当今的热点研究话题。目前、开发功能型纳米材料是生物质资源化利用的有效途径之一。生物质可制备纳米二氧化硅、纳米微球、碳纳米管、碳量子点等、其中开发金属基复合材料功能添加剂是有效利用生物质功能材料的有效途径。随着我国创新力度加大、众多领域对新型材料的需求加速。研究人员在寻求新材料的过程中、增强了几种新的进展材料。其中、一种是金属基复合材料（MMC）、其主要成分是金属、增强元件是陶瓷或有机材料。在过去的几十年中、各种增强填料掺杂的MMCs、即陶瓷纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯和氧化石墨烯、具有优良的摩擦学和机械性能、以逐步升级的方式引起了人们的广泛兴趣。复合材料的新颖性可以克服但组分材料的缺陷、因为复合材料中的功能添加剂及协作组分具有多维用途。与传统材料相比、它们具有高强度、低密度、强化的机械和热性能以及简单的框架。因此、在广泛的应用服务中、受到青睐。此外、即使在高温和复杂的环境中、它们也具有稳定的摩擦性能和较长的使用寿命、从而有效减小了运行和维护成本。例如:在铁路制动器中、使用Si C颗粒制造的铝基复合材料表现出比钢制动器更好的性能。制动器的绝对重量减少了43%、最终消除了制动器的裂纹。铝和钛等传统材料无法克服系统故障、因为它们会在较低温度下分解、并且在汽车和航空航天领域的临界条件下都有局限性。带有增强陶瓷颗粒的MMC可以克服这种限制。Si C、Al2O3、Ti B2、WC、B4C等已被广泛用作增强颗粒。稻壳基陶瓷（RHC）作为一种新颖的陶瓷基材料、因有高硬度、低摩擦系数、高强度、良好的耐磨性、高导热性等显着特性、可以成为这些传统增强颗粒的最佳替代品。该类稻壳衍生物的功能材料可用于气缸套、气缸盖、驱动轴、活塞、连杆、发动机缸体、制动转子、进气歧管等。同样、它也可用于汽车变速箱、泵零件、飞机配件和控制零件。此外、稻壳的年产量十分丰富、每年大约有1.65亿吨、占全球水稻年总产量的近22%。当米粒在以不同速度移动的两个研磨表面之间通过时、通过摩擦去除稻壳。去壳后、通过抽吸去除外壳并运输到磨机外的存储垃圾场。如此获得的稻壳平均粒径为0.212-0.850毫米。稻壳的主要成分为水分（12.5%）、粗蛋白（3.1%）、氮提取物（29.2%）、粗纤维（35%）和脂肪（2.7%）。大部分的营养成分、可通过在饲养动物的形式被加以利用。此外、我国偏远山区存在着焚烧生物质或填埋生物质的行为、主要因为洁净能源获取困难或者有限、导致生物质成为加热、取暖等方式的最佳利用形式,但造成的后果却是严重污染环境、释放出大量的二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）等温室气体、加剧全球气温的变化、影响环境和人类健康。因此、稻壳的资源化利用成为用作增强材料力学或者机械性能的最佳方式之一。到目前为止、各种金属已被用于广泛应用于机械制造增强金属基复合材料当中、在摩擦学性能、机械性能、耐腐蚀性能等方面均有应用。成功制造出具有镍、铜和铝的碳增强MMC、并发现它们具有增强的机械和摩擦学性能的功效。随着我国航天技术和飞行器研究的长足发展、耐高温、高强度、高韧性等高性能复合材料不断地被研究出来。其中、镍具有优越的高温强度、抗氧化性、抗热疲劳性和抗热腐蚀性能。此外、镍基复合材料比其他传统合金具有高强度和低重量。NMC（镍基复合材料）可用于纳米电子、初级和临床应用等尖端应用。此外、在船舶、汽车和飞行发动机等领域,更表现出出色的性能、其摩擦学和机械性能是其优越性的重要体现。NMC在交通运输领域的关键优势是更低的燃料消耗、更少的骚动和更低的空气排放。因此、生物质碳增强镍基复合材料因其出色的拉伸和摩擦学性能而成为高温底层和表面工程应用的理想材料。然而、尚未研究生物质基陶瓷微粒镍复合材料、以及其摩擦学行为、耐腐蚀行为、抗氧化等特性。本论文采用高温碳化法成功制备出稻壳基陶瓷颗粒,现代分析技术随制备的生物质基陶瓷颗粒的组分、结构和形貌等进行了系统的表征与分析。在不同的摩擦试验机上调查了镍基复合材料的常温和高温摩擦学行为、并采用一系列的化学技术对其摩擦学机理进行了阐述。具体内容如下:1)稻壳基陶瓷颗粒是通过将稻壳粉和酚醛树脂以1:3的比例在900o C在氮气氛条件下、加热2小时制备得到。该颗粒为粗颗粒、需要在高能球磨机中、球磨一定的时间、获取粒度和形貌规整的微米级微粒、进而提升微粒的单颗粒硬度、以便提升镍基复合材料硬度。在采用扫描电子显微镜和附带的能谱分析颗粒的团聚形态和元素种类和含量,结果可知:稻壳基陶瓷颗粒主要含有碳、硅、氧等元素、含碳量最大。形貌为类树叶型微粒、尺寸为微米级颗粒（0.5微米）。X-射线衍射仪试验表明:稻壳基陶瓷微粒为无定形碳、但也含量少量的石墨微晶存在、主要表现在002和101晶面特征峰的存在。拉曼光谱分析表明:石墨微晶存在于碳微粒中、碳的无序化程度为ID/IG=2.52;红外分析可知:颗粒界面存在碳氧双键、羧基官能团等。此外、对参考物二硫化钼进行了表征、拉曼显示有两个特征峰分别为E1g和A1g峰;XRD峰表明二硫化钼纯度较好;红外分析也暗示颗粒界面存在碳氧双键和羧基基团。热重分析表明稻壳基陶瓷颗粒热热损失最大、石墨和二硫化钼的损失较小。2)镍基复合材料的制备采用常温压制的方法:使用高能球磨或手动的方法对混合的稻壳基陶瓷颗粒粉进行混匀、再转移一定量的混合物与压片机磨具中、在30Mpa下压制成型、保压5min、在脱模获取坯体材料。在氮气保护的管式炉中、煅烧2 h、获得不同组分的镍基复合材料。再利用硬度计对复合材料的硬度进行测量;随着金属添加剂的引入、材料的硬度不断增加、说明金属铜和铝于镍可以发生高温融合、形成新的化合物、进而增加材料的强度。其中添加0.75 wt%铝+0.25 wt%铜具有良好的硬度。不同摩擦试验机上、研究常温和高温下、复合材料的摩擦学行为。摩擦系数曲线表明:添加不同含量的生物基陶瓷颗粒的摩擦系数先降低后增加、最佳添加量为3 wt%;因此、以后的研究均采用添加3 wt%的RHC颗粒为基础材料、考察不同金属含量对复合材料摩擦学性能的影响。其中铝和铜的添加量均控制在1 wt%,协同作用时添加量分别为0.25 wt%+0.75 wt%和0.5 wt%+0.5 wt%等从而研究最佳添加范围。磨损阻抗试验表明添加3 wt%RHC颗粒可以明显降低材料的磨损性能、添加不同金属于复合材料中、铜和铝均起到很好的抗磨特性。其中添加1 wt%的铝颗粒具有最好的抗磨性能;复合材料中含1 wt%铜、0.75 wt%铝和0.25 wt%铜作为金属添加剂时、具有最低的磨损率。最佳的添加量为添加5 wt%陶瓷基材料和1wt%铝材料。为了阐明上述摩擦学行为、采用扫描电子显微镜和附带能谱对镍基盘和钢球表面磨痕区域进行了表征于分析。纯镍基盘在摩擦后,表面有大量的磨屑存在、钢球表面也清晰看到大量的磨屑的存在。说明生物基陶瓷颗粒的耐磨性极差;当添加1 wt%铝时、材料组织结构发生变化、而且钢球表面磨痕明显减小。添加1 wt%铜时、材料界面磨屑仍然存在、但钢球表面转移膜却清晰可见。添加0.5 wt%Al+0.5 wt%Cu盘表面也时存在大量的磨屑、钢球表面存在转移膜。纯镍基材料摩擦后钢球表面元素主要为碳、氧、铁和镍。当添加铝于基础材料中时、钢球表面摩擦区域元素有碳、氧、铝、铁和镍。当添加铜时、摩擦区域主要元素为碳、氧、硅、镍、铁和铜。添加复合铜和铝金属粉时、钢球表面摩擦区域元素有碳、氧、铝、铁、镍和铜。说明在钢球表面形成的转移膜均来自钢盘组分、在摩擦副钢球界面形成摩擦膜、进而使钢盘表面和钢球表面直接接触、进而降低摩擦系数或者钢盘的磨损率。从以上的数据可知:制备的复合材料的摩擦系数和磨损量均很高。说明材料在制备过程中工艺存在着极大的漏洞、其中因试验设备的原因、导致制备的材料的致密性不高、因此、采用添加传统固体润滑剂的形式、以期达到降低摩擦系数和磨损率的目的。在先前研究的基础上依然以添加3 wt%的生物基陶瓷颗粒为基体材料、分别添加不同含量的固体润滑剂石墨或二硫化钼、添加1 wt%的石墨于镍基复合材料中、可以明显降低摩擦系数;添加1 wt%的铜和1 wt%的二硫化钼颗粒也可以明显降低镍基复合材料的摩擦系数;互配的金属粉（0.25 wt%铝+0.75%铜）添加1 wt%二硫化钼具有较好的抗磨特性.在磨损方面,添加1 wt%的石墨所有复合材料的磨损率是最低的。其中。添加0.25 wt%铝+0.75 wt%铜加1 wt%石墨;0.75 wt%铝+0.25 wt%铜加1 wt%二硫化钼颗粒,磨损率呈现最低值。对比所有样品,最低的磨损率分别为添加1 wt%石墨和1 wt%二硫化钼。硬度测量表明:添加1 wt%石墨,在所有复合材料中表现出较低的硬度、而添加1 wt%的二硫化钼的复合材料硬度呈现较大值。这也为磨损率的降低、作了初步的揭示。在不同添加比例的样品中、不难发现、添加二硫化钼颗粒的硬度均大于添加石墨和两者混合材料、这也说明二硫化钼具有改善复合材料硬度的功能、进而获得较低的磨损率。同样、为了解释摩擦行为、采用扫描电子显微镜和附带的能谱、对于纯镍基复合材料添加1 wt%的石墨后、表面明显得到改善、表面磨屑减少很多、且钢球表面磨痕区域变得十分光滑、磨损面积也明显降低（7882.976μm~2）。继续添加铝粉于复合材料中时、磨痕区域存在大量微坑、表面形貌中得磨损面积为7458.78μm~2;添加铜粉时、表面十分光滑、磨损较轻、表面粗糙度为9338.859μm~2;当添加含量0.25 wt%Al+0.75wt%Cu+1 wt%C时、表面磨损面积明显增加,为14127.935μm~2;当添加Ni+0.75wt%Al+0.25wt%Cu+1wt%Mo S2+3wt%RHC时、表面粗糙度变小、且钢球表面磨痕也清晰可见、磨损面积将为11793.205μm~2.
关键词：
学科专业：材料科学与工程
Abstract
Chinese Abstract
Abbreviations
Chapter 1 Introduction
1.1 Properties and application of Rice Husk
1.1.1 Rice Husk and its properties
1.1.2 Application of RH
1.1.3 Problems and Challenges of RH utilization:
1.2 Composite Materials:
1.2.1 Introduction and history of composite materials
1.2.2 Types of Composite Materials:
1.3 Introduction and application of MMC
1.3.1 Introduction to MMC
1.3.2 Fabrication of MMCs:
1.3.3 Recent techniques of MMC fabrication:
1.3.4 Characteristics and application of MMC
1.3.5 Interfaces in Metal Matrix Composites:
1.3.6 Wettability
1.4 Metal additives in Ni-MMC
1.5 Inorganic additives in Ni-MMC
1.6 Background,significance,and content of research
1.6.1 Background of research
1.6.2 Significance of research
1.6.3 Content of research
1.7 Project source
Chapter2 Preparation and Characterization
2.1 Introduction
2.2 Experimental materials,instruments and it’s working principle
2.2.1 Experimental materials
2.2.2 Experimental instruments and it’s working principle
2.3 Characterization of different additives
2.3.1 Preparation and characterization of RHC particles
2.3.2 Characterization of MoS_2
2.3.3 Characterization of Graphite
2.4 Preparation of Ni-MMC
Chapter3 Tribological properties and characterization of Ni-MMC with metal additives
3.1 Tribological properties
3.1.1 Friction reduction
3.1.2 Wear resistant
3.2 Hardness
3.3 SEM analysis
3.4 EDS analysis
Chapter4 Properties and characterization of Ni-MMC with inorganic additives
4.1 Tribological properties
4.1.1 Friction reduction
4.1.2 Wear resistant
4.2 Hardness
4.3 SEM analysis
4.4 EDS analysis
Chapter5 Tribological Behavior and Properties of Composite Materials at High Temperature
5.1 Need of high-temperature tribology materials
5.2 Tribological Properties
5.2.1 Friction test
5.2.2 Wear resistant
5.3 SEM analysis
5.4 EDS analysis
Chapter6 Conclusions
Chapter7 Prospects
Chapter8 References
Acknowledgement
Research Achievement