金属间化合物Mg2Si基合金的制备与性能研究

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金属间化合物Mg2Si具有优异的电学和力学性能,引起了科研学者的广泛关注。这是由于Mg2Si具有低密度、高硬度、高弹性模量、耐高温等优点,是一种很有前途的结构材料;同时,Mg2Si具有高热电势率和低热导率,并且原料丰富、价格低廉、无毒无污染,是一种潜在的热电材料。然而,Mg2Si的本征脆性阻碍了它的实际应用,所以对金属间化合物Mg2Si的研究具有现实意义。本文在Mg2Si中添加Sn、Bi元素,以SiC、碳纤维(Cf)为增强相,在改善材料力学性能的同时提高其导电性。  (1)通过机械合金化制备 Mg-Si粉末,对不同球磨时间、球磨转速、球料比条件下制备的Mg-Si粉末的晶粒尺寸、晶格畸变、有效温度系数以及它们之间的关系进行了分析研究。结果表明:随着球磨时间、球磨转速、球料比的提高,粉体的晶粒尺寸减小,晶格畸变增加,有效温度系数增大。机械球磨过程中,晶粒尺寸与晶格畸变和有效温度系数是逆变关系;随有效温度系数的增大,晶格畸变增加。最佳的球磨工艺参数为球磨时间20h,球磨转速200r/min,球料比15:1。  (2)采用机械合金化+热压烧结的方法制备 Mg2Si1-xSnx(0≤x≤0.8)合金、Mg2Si0.6-xSn0.4Bix(0≤x≤0.02)合金,研究了Sn、Bi含量对合金的组织、致密度、硬度、强度、电导率的影响。结果表明:加入 Sn、Bi元素,合金的晶体结构并未改变,衍射峰向低角度偏移,晶粒得到有效细化;随 Sn、Bi含量的增加,合金的硬度增大,致密度、强度、电导率先增大后减小;合金的力学性能的提高是由细晶强化、固溶强化、第二相强化共同作用的结果;Bi能显著细化晶粒,同时引入Sn、Bi元素,Mg2Si的力学性能和导电性能均得到更大提高。  (3)用化学镀的方法对碳纤维表面进行了镀铜处理,采用机械合金化+热压烧结的方法制备出Cf/Mg2Si-SiC复合材料,研究了表面包覆Cu的Cf含量对该复合材料的微观形貌、致密度、硬度、强度、电导率的影响,SiC用于提高室温强度,Cf起到强韧化的作用。结果表明:碳纤维经表面镀Cu修饰后可以抑制其与Mg2Si的界面反应,SiC颗粒主要分布在基体Mg2Si的晶界处,Cf含量较低时,碳纤维平直地分布在基体中,碳纤维与基体结合良好。随Cf含量的增加,复合材料的致密度逐渐减小,硬度、抗压强度、抗弯强度和电导率先增大后减小。复合材料的强化机制主要是SiC的细晶强化、弥散强化和纤维拔出。Cf含量为3vol.%时,Cf/Mg2Si-SiC复合材料具有最佳的综合性能。
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