【摘要】：陣列微零件在生物醫(yī)療領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用,通過(guò)塑性微成形技術(shù)可以制造高精密陣列微零件,但在微/納尺寸下特殊的塑性變形規(guī)律降低了成形工藝穩(wěn)定性。利用納米材料內(nèi)部大量的晶�？梢杂行Ы档驮牧蠈�(duì)成形工藝的影響,采用力學(xué)性能優(yōu)異的氧化石墨烯(GO)作為增強(qiáng)相制備具有較好超塑成形性能的納米金屬基復(fù)合材料,可以提高成形工藝穩(wěn)定性,促進(jìn)微成形技術(shù)發(fā)展。本文采用脈沖電沉積法制備Ni/GO和Ni-Co/GO納米復(fù)合材料,將實(shí)驗(yàn)研究、性能測(cè)試、組織分析和力學(xué)性能表征等相結(jié)合,深入研究了鎳基納米復(fù)合材料的組織形貌及基本力學(xué)性能,分析了脈沖電沉積工藝參數(shù)對(duì)納米復(fù)合材料塑性和超塑性的影響,探討了超薄柔性二維增強(qiáng)相的增強(qiáng)作用機(jī)理,揭示了納米鎳基復(fù)合材料冷軋微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系,建立了不同類型凸模陣列微成形的破裂規(guī)律、揭示了陣列微成形機(jī)理以及尺寸效應(yīng)對(duì)微成形的影響規(guī)律。成功利用超聲輔助Hummers法制備了橫向尺寸為3~5μm、片層為2~3層、并附帶較多含氧官能團(tuán)的GO,并作為增強(qiáng)相添加到鎳合金基體中合成納米鎳基復(fù)合材料。復(fù)合材料中各元素分布均勻,結(jié)晶度較好,基體粒徑為30~50 nm,硬度和彈性模量具有較大地提升,與普通粗晶材料相比,均提高了1倍以上。Ni-Co/GO納米復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變隨電流密度和占空比增大出現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象,隨電沉積液的p H值增大而增大,最大的斷裂強(qiáng)度為997 MPa,最大室溫拉伸延伸率為7.53%。系統(tǒng)研究了不同GO加入量對(duì)Ni/GO和Ni-Co/GO納米復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度、延伸率和應(yīng)變等力學(xué)性能的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)納米鎳基復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度、延伸率和應(yīng)變隨著GO加入量增加而增大,GO加入量大于0.04 g/L時(shí)高溫拉伸延伸率均高于納米Ni。探討了GO在復(fù)合材料中的形態(tài)對(duì)力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)環(huán)狀或長(zhǎng)纖維狀的GO會(huì)導(dǎo)致材料孔洞增多,降低力學(xué)性能。結(jié)合其他學(xué)者對(duì)于復(fù)合沉積機(jī)理的研究,詳細(xì)分析了GO沉積到復(fù)合材料的過(guò)程以及電沉積液中游離態(tài)物質(zhì)之間的相互作用。探索并獲得了增強(qiáng)相GO強(qiáng)化作用方式為細(xì)化基體金屬晶粒,改變基體金屬織構(gòu),覆蓋基體金屬晶界,高溫下可以抑制基體晶粒長(zhǎng)大。成功進(jìn)行了納米鎳基復(fù)合材料多道次單向軋制和交叉軋制實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了納米鎳基復(fù)合材料冷軋后硬度先下降后上升,且軋制后材料硬度均小于軋制前的特殊現(xiàn)象,交叉軋制的箔材比單向軋制硬度稍高。冷軋加工后材料硬度下降的原因是基體晶粒尺寸變大;多道次冷軋后材料硬度提高的原因是基體晶粒尺寸變小和高密度納米孿晶的產(chǎn)生;交叉軋制的箔材硬度較高的原因是材料內(nèi)部出現(xiàn)較多的多重孿晶。多道次單向冷軋后納米復(fù)合材料中GO呈現(xiàn)條形狀態(tài)存在,GO周圍的晶粒沒有明顯拉長(zhǎng)。對(duì)冷軋后的箔材進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了在溫度為500℃時(shí)應(yīng)變最大,同時(shí)發(fā)現(xiàn)不同溫度下延伸方向的應(yīng)變均大于在寬展方向上,但冷軋后箔材的應(yīng)變均小于原始箔材。發(fā)現(xiàn)了高溫塑性變形中裂紋擴(kuò)展主要來(lái)源是復(fù)合材料內(nèi)部的空洞,斷裂位置和方式取決于GO和基體金屬間的結(jié)合力與基體金屬間的結(jié)合力的大小關(guān)系。成功進(jìn)行了鎳基納米復(fù)合箔材陣列微成形實(shí)驗(yàn),并獲得了形狀較好的成形件。發(fā)現(xiàn)了復(fù)合材料箔材冷軋后的陣列微成形件深徑比均小于未軋制復(fù)合材料制造的成形件。發(fā)現(xiàn)了不同類型凸模的成形件形狀和易破裂位置均不同,剛性凸模成形件底部較平,凸模底部圓周處易破裂;柔性鋁凸模成形件的微杯呈半球形,凹模圓角處易破裂;納米顆粒陶瓷粉凸模成形件的微杯形狀差異大,兩個(gè)位置均易破裂。Ni/GO箔材剛性凸模陣列微成形的最佳成形溫度是550℃,上壓頭下壓速度為0.04 mm/min,箔材厚度為60μm;Ni-Co/GO箔材柔性鋁凸模陣列微成形的最佳成形溫度為500℃,上壓頭下壓速度為0.05 mm/min,箔材的厚度為60μm。尺寸效應(yīng)導(dǎo)致較小的凹模直徑獲得較深的深徑比,箔材厚度變化的陣列微成形同樣存在尺寸效應(yīng)。
【圖文】：

第 1 章 緒 論3.2 石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料研究進(jìn)展石墨烯及其氧化物發(fā)展到今天，具有非常好的應(yīng)用，但在復(fù)合材料制備中常以功能材料居多，，而對(duì)于結(jié)構(gòu)材料，制備和應(yīng)用都較少。由于它們的力學(xué)同樣突出，當(dāng)制備形成金屬基復(fù)合材料，也得到了非常好的效果。Ren 等[61]通過(guò)電沉積法成功合成了 Ni-Gr 復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)中 Gr 通過(guò)攪拌法分散到電沉積液中。測(cè)試可以知道納米 Gr 在 Ni 基體的表面和界面上均勻分時(shí) Gr 的存在促進(jìn)了 Ni 晶體的(111)面成為擇優(yōu)取向，同時(shí) Gr 和 Ni 基體之間強(qiáng)烈的相互作用，并且 Gr 能夠有效地防止 Ni 基體中的位錯(cuò)滑動(dòng)，導(dǎo)致 Ni 基力學(xué)性能的增強(qiáng)。當(dāng)電沉積液中 Gr 的加入量為 0.05 g/L 時(shí)獲得的彈性模量高0 GPa，硬度高達(dá) 4.6 GPa，分別是在相同條件下電沉積法制備純 Ni 的 1.7 倍 倍。圖 1-1 是 Ni 和 Ni-Gr 復(fù)合材料的彈性模量和硬度隨電流密度變化關(guān)系

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文粒簇周圍產(chǎn)生高密度位錯(cuò)和大角度晶界，由于局部高的變形應(yīng)變，在顆觀察到小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，相比之下，觀察到細(xì) TiB2顆粒通過(guò)阻止位微鋸齒帶的擴(kuò)展來(lái)延遲大角度晶界的形成。由于有效的釘扎效應(yīng)，再結(jié)粒的晶界運(yùn)動(dòng)被細(xì)小的 TiB2顆粒阻擋，導(dǎo)致殘留 TiB2顆粒簇在晶粒的周
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.1

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本文編號(hào)：2591244