金属氧化物/尼龙1010复合材料热力学性能与摩擦热行为研究--《中国矿业大学》2009年博士论文
金属氧化物/尼龙1010复合材料热力学性能与摩擦热行为研究
【摘要】：
论文选择微米级金属氧化物(ZnO、CuO、Fe3O4)无机填料改性聚合物基复合材料的热力学性能和滑动摩擦热效应研究作为主要研究方向。以熔融共混法注塑成型制备了金属氧化物/尼龙1010(PA1010)复合材料。系统考察了不同工况下,相关参数对尼龙1010以及金属氧化物/尼龙1010复合材料热力学性能的影响,并自行研制了盘式可变速摩擦测热综合实验机,对金属氧化物/尼龙复合材料的表面温度场和摩擦磨损性能进行了分析研究。得到了以下主要结论:
1.金属氧化物/尼龙1010复合材料的导热性能不仅随着金属氧化物含量的增加而得到提高,还与填料的粒径、温度条件、复合材料的制备工艺有关。分析认为,实验测定的复合材料导热系数变化曲线位于Y.Agari串联模型曲线和并联曲线之间,更接近Y.Agari串联模型;而复合材料的热膨胀系数随温度的变化关系则遵循格律乃森定律。
2.静态力学实验和动态力学分析(DMTA)表明,相对纯尼龙1010,金属氧化物/尼龙1010复合材料的力学性能明显得到提高,但随着金属氧化物用量的增加,金属氧化物/尼龙1010力学性能存在一个最佳值。建立了极限力学性能预测模型,在一定的温度范围内,由储能模量来预估极限抗压强度,实验证明了该方法的可行性;研究了不同老化程度的金属氧化物/尼龙1010的动态力学性能和老化特征,ZnO/PA1010复合材料的损耗因子在老化70天内变化较小,70天后变化较大。
3.在盘式可变速摩擦测热综合试验机上,进行了不同工况下金属氧化物/尼龙1010复合材料滑动摩擦升温试验。复合材料表面温度的分布特征为中部温度最高,表面温度梯度沿径向变化较大,沿周向变化较小;相比尼龙1010,随着金属氧化物含量的增加,复合材料表面的温升也逐渐增大;低转速下,尼龙1010复合材料的摩擦因数随着摩擦时间逐渐提高,高转速下,摩擦因数先是上升,然后逐渐趋于稳定;当摩擦温度小于复合材料的玻璃化温度gT时,摩擦因数随温度升高而增大;温度大于gT时,摩擦因数急剧下降。
4.实验数据显示尼龙1010复合材料磨损率随着转速的增加而增大。观察摩擦副表面转移膜SEM照片,发现随着转速的不断提高,转移膜存在着一个生成(不连续)—生长(多层叠加)—成熟(均匀、致密)—破坏(熔化)过程。在较高应力作用下,因摩擦热的积聚导致尼龙1010基体的机械性能下降,同时在过高的载荷下转移膜难以形成和保持,因此磨损率较高。
5.针对目前对聚合物复合材料摩擦片三维瞬态温度场研究的薄弱环节,利用ANSYS有限元分析中的热分析模块,模拟了“盘式制动器”瞬态温度场。在边界条件上,考虑了热流密度在径向上的变化,以及和空气的强制换热等条件,获得了匀速工况下的三维瞬态温度场和温度梯度分布规律。研究表明,和实验结果基本一致。
【关键词】：
【学位授予单位】：中国矿业大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2009【分类号】：TB33【目录】：
Abstract7-9
Extended Abstract9-13
图清单17-24
表清单24-26
变量注释表26-28
1 绪论28-38
1.1 尼龙基复合材料的研究现状28-32
1.2 复合材料摩擦磨损热动力学研究现状32-35
1.3 论文开展研究的目的、意义35-36
1.4 论文研究路线36-37
1.5 论文研究内容37-38
2 试样的选择与制备38-50
2.1 原材料的选择38-43
2.2 试样的制备43-45
2.3 讨论45-49
2.4 本章结论49-50
3 金属氧化物/尼龙1010 复合材料热物理性能50-70
3.1 金属氧化物/尼龙1010 复合材料的导热性能50-57
3.2 金属氧化物/尼龙1010 复合材料的比热容57-61
3.3 金属氧化物/尼龙1010 复合材料的热膨胀性能61-64
3.4 金属氧化物/尼龙1010 复合材料的热稳定性能64-65
3.5 金属氧化物/尼龙1010 复合材料的结晶与熔融行为65-68
3.6 本章结论68-70
4 金属氧化物/尼龙1010 复合材料静态力学性能70-92
4.1 引言70-72
4.2 金属氧化物/尼龙1010 复合材料的简化力学模型72-74
4.3 不同组分金属氧化物/尼龙1010 复合材料的力学性能74-84
4.4 金属氧化物/尼龙1010 复合材料不同温度力学特性84-87
4.5 硅烷偶联剂对ZnO/PA1010 复合材料静态力学性能的影响87-90
4.6 本章结论90-92
5 金属氧化物/尼龙1010 复合材料动态力学热分析92-108
5.1 引言92-93
5.2 不同质量分数金属氧化物/尼龙1010 复合材料的动态力学分析93-98
5.3 尼龙复合材料动态力学性能与极限力学性能的关系98-102
5.4 尼龙1010 复合材料物理老化的动态力学性能102-106
5.5 本章结论106-108
6 滑动摩擦热效应实验研究108-126
6.1 引言108-109
6.2 盘式可变速摩擦热综合实验机的研制109-111
6.3 尼龙1010 复合材料匀速转动表面温度场分布特征111-114
6.4 尼龙1010 复合材料制动工况下的表面温度变化114-117
6.5 转速对尼龙1010 复合材料的表面温度与摩擦磨损性能影响117-122
6.6 载荷对尼龙1010 复合材料的表面温度与摩擦磨损性能影响122-124
6.7 本章结论124-126
7 滑动摩擦温度场数值分析126-138
7.1 引言126
7.2 滑动摩擦表面温度场计算模型的建立126-130
7.3 滑动摩擦表面温度场的有限元分析130-132
7.4 滑动摩擦表面温度场的数值模拟132-135
7.5 本章结论135-138
8 结论138-144
8.1 全文主要结论138-141
8.2 研究展望141-144
参考文献144-152
附录152-164
作者简历164-168
学位论文数据集168
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用于Ti6Al4V表面生物活性陶瓷涂层材料的设计及制备
金属基一陶瓷涂层复合材料作为生物医用材料，可以综合金属和陶瓷材料各自的优点。本文设计制备了一系列用于涂覆在 Ti6AI4v 基体表面的生物活性陶瓷涂层材料。在 Gomez 等人研制的生物陶瓷涂层材料的基础上，通过在系统中引入一定量的 BO部分替代SiO、CaF部分替代 CaO，达到调节陶瓷涂层材料的热膨胀系数及生物活性的目的。
用经验公式计算各个配方的热膨胀系数以减少试验的盲目性，采用熔融法于1350℃熔制生物陶瓷涂层材料。通过将生物活性陶瓷浸泡在 37℃的模拟体液(SBF) 中不同时间后，表面形态和组成的改变来证明陶瓷涂层材料的生物活性。运用热膨胀仪测量各个配方生物陶瓷的热膨胀系数和软化点温度，用 SEM．XRD．ICP，FTIR 和 EDS 等对生物陶瓷涂层材料的形貌、物相组成以及 SBF 浸泡后的表面形貌和成分进行表征。
试验结果表明，系统中引入 BO 能够起到调节热膨胀系数的作用，其中6P64-B5-F4 的热膨胀系数为10.1×10℃，与Ti6AI4V 的热膨胀系数最为接近；6P64-B11-F4 的热膨胀系数为8.7×10/℃，与激光氮化后的 TiN 的过渡层的热膨胀系数最为接近。CaF 的引入使生物陶瓷中出现氟磷灰石相。
模拟体液 (SBF) 浸泡 10 天后，能够在材料表面形成 HCA 层，且氟磷灰石晶粒的出现有助于提高生物陶瓷涂层材料的生物活性。
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【摘要】：
颗粒增强铝基复合材料具有耐磨性良好、热膨胀系数低、导热性能好等特点。采用喷射沉积工艺制备的铝基复合材料制作高速列车制动盘,能有效地减轻传统刹车盘的重量,降低刹车时的闸片温升,且具有良好的制动性能。
本文结合科研项目,在铝基复合材料的摩擦磨损性能的研究过程中,针对测定材料的摩擦磨损性能的试验机进行了分析和设计。并且初步分析了材料的摩擦磨损性能。本文分为两大部分。
第一部分:在国内外相关文献查阅和分析的基础上,分析和探讨了已有的摩擦磨损试验机的特点及适应范围。为了能实现在实验室条件下对铝基复合材料的摩擦磨损性能进行测试,自行设计了MM1:1000型模拟试验机。研究了其机械设计、电气设计、计算机控制程序方框图、应用程序设计原理以及具备的特点如:可动态对试验数据进行采集、计算和处理,并直接在计算机上显示试验曲线。
第二部分:采用自制的制动模拟试验机MM1:1000,研究了SiC颗粒增强铝基复合材料闸片在制动过程中摩擦磨损性能。研究表明:闸片经过致密化、热处理对其摩擦磨损性能影响很大,并且不同的制动条件都会影响材料的摩擦性能。经过楔压和热压后的相同成分的复合材料的摩擦系数比较稳定,且耐磨性得到很大程度的提高。
【关键词】：
【学位授予单位】：湖南大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2007【分类号】：TH87【目录】：
ABSTRACT6-9
第1章 绪论9-21
1.1 研究背景9-10
1.2 摩擦磨损测试设备概述10-15
1.2.1 M-200 型磨损试验机11-12
1.2.2 ML-10 型磨粒磨损试验机12
1.2.3 四球式摩擦磨损试验机12-13
1.2.4 往复式摩擦磨损试验机13
1.2.5 环-块式摩擦磨损试验机13-14
1.2.6 定速摩擦磨损试验机14
1.2.7 MPX-2000 盘销式磨擦磨损试验机14-15
1.3 颗粒增强铝基复合材料概述15-17
1.3.1 颗粒增强铝基复合材料特点与应用现状15-16
1.3.2 颗粒增强铝基复合材料的主要制备方法16-17
1.4 颗粒增强铝基复合材料干摩擦磨损的主要理论和研究现状17
1.5 铝基复合材料与半金属摩擦材料制动副的研究现状17-19
1.5.1 制动摩擦材料（闸片）的研究现状17-18
1.5.2 铝基复合材料与半金属摩擦材料配副的研究现状18-19
1.6 本文研究内容19-21
第2章 摩擦试验设备研制21-38
2.1 引言21
2.2 整体设计方案21-22
2.3 设计参数的确定22-24
2.4 机械设计24-26
2.5 电气设计26-29
2.6 程序设计29-37
2.7 本章小结37-38
第3章 复合材料的制备38-46
3.1 引言38
3.2 复合材料基体的选择38
3.3 增强颗粒的选择38-39
3.4 SiC 颗粒增强铝硅基复合材料的制备工艺39
3.5 致密化工艺39-41
3.6 热处理工艺41-43
3.7 SiC 颗粒增强复合材料的成分、状态、微观组织和物理性能43-44
3.7.1 SiC 颗粒增强复合材料的成分及状态43
3.7.2 SiC 颗粒增强复合材料复合材料的微观组织43-44
3.7.3 SiC 颗粒增强铝基复合材料的机械性能44
3.8 对比材料的选择44
3.9 半金属摩擦材料的制备44-45
3.10 本章小结45-46
第4章 材料摩擦磨损性能的研究46-54
4.1 引言46
4.2 速度和压力对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响46-49
4.2.1 速度对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响46-48
4.2.2 压力对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响48-49
4.3 铝基复合材料摩擦磨损表面分析49-53
4.3.1 Al-20Si/SiC 材料的磨损表面及形貌特征49-51
4.3.2 复合材料摩擦变形及磨损机理的初步探讨51-53
4.4 本章小结53-54
参考文献55-59
附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录59-60
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题名: 电子封装中的不流动芯下材料力学性能和封装可靠性的研究
学位类别: 博士
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
学位专业: 固体力学
中文摘要: 可控坍塌芯片互连（C4）技术可以实现高速、高密度、小外形的封装，因此日渐得到关注和发展。本文针对发展新一代c4技术所面临的不流动芯下材料的机械性能问题，采用具有不同填充颗粒含量的不流动芯下材料，通过对材料的机械性能的测试和分析以及有限元模拟，初步揭示了不流动芯下材料变形行为的特点，填充颗粒含量对芯下材料机械性能的影响，以及芯下材料机械性能和芯下材料工艺导致的颗粒沉积对封装可靠性的影响。首先在差示扫描量热仪（DSC）、热一力学分析仪（TMA）上对材料的固条件、热膨胀系数、玻璃化转变温度进行了测试，接着又在六轴微型试验机上对材料在不同温度和应变率下的应力一应变行为进行了测试。测试结果表明，所用材料的固化条件和玻璃化转变温度可以满足不流动芯下材料的性能要求，材料的热膨胀系数高于芯下材料理想的热膨胀系数值，材料中填充颗粒含量、温度、应变率等对材料的应力一应变行为有重要的影响。为了解芯下材料中填充颗粒含量对机械性能的影响，对不同颗粒含量材料在各测试温度和应变率下的杨氏模量、屈服强度和流动应力进行了对比和分析。结果表明，在各测试条件下，芯下材料的杨氏模量基本随着颗粒含量的增加而升高；温度较低时，材料的屈服强度随颗粒含量的增加而升高，但是，较高温度时，材料的屈服强度和流动应力随着颗粒含量的增加呈现先升高后降低再升高的变化趋势。为理解芯下材料的屈服强度和流动应力随着颗粒含量非单调变化的行为，采用广义Eshelby等效夹杂法对含颗粒试样在单轴拉伸时试样内的应力分布进行了分析，并用纳米硬度计对材料纳米尺度的性能进行了测量。应力分析的结果表明，不流动芯下材料的SiO2填充颗粒的加入会在基体里引起应力集中，应力集中系数随着颗粒含量的增加先升高后降低，试样内的应力集中有使材料屈服强度降低的趋势。纳米硬度计的测试结果表明，芯～卜材料内形成了性能介于颗粒Z基体之间的界面相，界面相的形成有使芯下材料屈服强度提高的趋势。芯下材料屈服强度随着填充颗粒含量的非单调的变化是应力集中和界面效应藕合作用的结果。温度和应变率是影响芯下材料机械性能的重要因素。为刻画温度和应变率的效应，采用Pe化yna模型描述材料的应力一应变行为。结果表明，Per叮na模型可以拟合材料应变率相关的应力一应变行为，描述不流动芯下材料应力一应变曲线的基本趋势，对材料在测试范围外的行为给出较合理的预测，并且Perzyna模型可以很方便地用于ABAQUS中，这将易于工业应用。最后，采用商用有限元程序AB AQus分析了芯下材料机械性能和芯下材料工艺导致的填充颗粒沉积对C4封装可靠性的影响。结果表明，在芯片／基板的缝隙中填入芯下材料可以显著延长可控坍塌倒装封装焊点的热疲劳寿命，提高封装可靠性，可控坍塌倒装封装焊点的热疲劳寿命随着芯下材料中填充颗粒含量的增加而增长；芯下材料中填充颗粒在C4封装基板侧的沉积将导致封装焊点的热疲劳寿命缩短，而颗粒在芯片侧的沉积则可使焊点的热疲劳寿命稍稍延长。
语种: 中文
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