原位转化碳纤维增韧氧化铝的腐蚀磨损机理及应用研究

In the research, a novel type of alumina composite toughened by carbon fiber in-situ transformed from preoxided polyacrylonitrile fiber is prepared by vacuum hot-pressure sintered technology. The microstructure, physical and mechanical properties for the composite will be analyzed and measured by advanced analysis and measurement technology. The corrosion-erosion rule and mechanisms will be researched with different corrosive media and abrasive slurry for the composite. The damage mechanism and corrosion-erosion interaction mechanism will be investigated for the alumina matrix, the content and orientation distribution of carbon fiber and the boundary between the carbon fiber and alumina matrix during the corrosion, erosion and corrosive erosion wear, as well as the corrosion-erosion theory model will be also built. The relationship between corrosive erosion wear and the physical and mechanical properties for the composite will be obtained, which will direct the material selection and rational applications. Based on the corrosive erosion wear theory research, the work on the composition and process parameters optimizing for the composite will be conducted and the simulate dense medium cyclone operating condition erosion research will also be made. The project research achievements will enrich the fundamental theory of tribology and direct the rational application and the development of novel wear resistance materials. It will be hopeful for the novel composite to apply to the important components, such as cyclones, pipelines, slurry pumps, sealings and cylinders etc.

本项目以聚丙烯腈预氧化纤维作为先驱纤维，采用真空热压烧结技术制备原位转化碳纤维原位增韧氧化铝新型复合材料，利用先进试验和分析技术研究其组织结构和物理、力学性能。研究新型复合材料在不同腐蚀环境、不同浆料冲蚀条件下的腐蚀冲蚀磨损规律和机理；研究氧化铝陶瓷基体、碳纤维含量、碳纤维取向分布、碳纤维与氧化铝基体结合界面在腐蚀、冲蚀、腐蚀冲蚀磨损过程中的损伤机理和腐蚀-冲蚀磨损交互作用机理，建立腐蚀冲蚀磨损理论模型；分析得出新型复合材料的物理、力学性能与腐蚀磨损性能之间的关系，指导材料的合理选择和应用。在腐蚀磨损理论研究基础上，优化新型复合材料的成分设计和工艺参数，模拟选煤重介旋流器的腐蚀冲蚀磨损工况进行实验室模拟试验研究。本研究成果将丰富摩擦学基础理论，指导耐磨材料的合理应用和新型耐磨材料的研发。新型复合材料有望用于苛刻环境磨损工况的旋流器、输送管道、柱塞泵、渣浆泵、密封件、汽缸套等关键零部件。

以聚丙烯腈预氧化纤维作为先驱纤维，采用真空热压烧结技术制备了不同组分的原位转化碳纤维增韧氧化铝新型复合材料（in-situ Cf/Al2O3），系统研究了纤维分散工艺、球磨工艺和真空烧结工艺；利用先进分析技术对复合材料的组织结构、相结构、原位转化碳纤维的结构进行了深入分析；测试了复合材料的硬度、密度、断裂韧性、抗弯强度和弹性模量。系统研究了复合材料在不同腐蚀环境的腐蚀冲蚀磨损性能和机理以及腐蚀-冲蚀磨损交互作用机理和在干摩擦和不同润滑条件下的摩擦磨损性能及机理。模拟选煤重介旋流器的腐蚀冲蚀磨损条件进行铁磁粉浆体腐蚀磨损试验研究。研究结果表明：采用优化的成分设计和优化工艺制备出了性能优良的in-situ Cf/Al2O3复合材料，原位转化碳纤维的碳原子排列具有皮芯结构，与氧化铝基体结合良好。断裂韧性最高可达10.6MPa.m1/2 ，较氧化铝的断裂韧性提高1倍左右，其主要的增韧机理为：碳纤维拔出、纤维桥接、裂纹偏转以及纤维脱粘。在pH2酸性环境冲蚀下，in-situ Cf/Al2O3复合材料的腐蚀磨损性能优于商用C-Al2O3陶瓷；在pH7中性及pH12碱性浆体中，in-situ Cf/Al2O3复合材料的腐蚀磨损性能稍差于C-Al2O3，但in-situ Cf/Al2O3复合材料均优于自制H-Al2O3陶瓷，表明原位转化碳纤维起到了一定的减缓腐蚀冲蚀磨损的作用。In-situ Cf/Al2O3的腐蚀冲蚀机理为陶瓷颗粒的脆性断裂和晶间断裂剥落，腐蚀介质的存在对磨损有促进作用。在大角度冲蚀时，碳纤维的增韧作用减缓了冲蚀磨损。在干摩擦和水润滑滑动时，碳纤维起到一定的减摩作用，可使摩擦系数降低。在油和脂的润滑条件下减摩作用不明显。研究成果为复合材料的制备提出了新思路，丰富了复合材料的摩擦学基础理论，可指导新型复合材料在旋流器、输送管道、柱塞泵、渣浆泵、密封件、汽缸套等的合理应用。