二氧化钛复合材料的制备及光催化性研究

前言

对铝基复合材料（钛白粉增强TiO2）的物理、力学和摩擦特性之间关系进行的研究工作。采用了粉末冶金生产路线来制造复合材料（Al6061含3重量％的TiO2）。对复合材料进行了一系列的物理、力学和摩擦性能的研究。实验结果表明，TiO2填料的增加了复合材料的密度，并且符合混合规则接受的值。

Al6061-TiO2复合材料的力学性能结果显示，随着基体中TiO2含量的增加，强度显著增加，但延展性下降。Al6061-TiO2复合材料的干摩擦磨损研究表明，其耐磨性比Al6061基体更高，并且含有更高填料含量的复合材料表现出更优越的物理、力学和摩擦特性。

材料和方法

选择了Al6061作为基体，钛白粉（TiO2）50 μm作为填料。该金属基复合材料通过粉末冶金（P/M）技术制备，所需的合金和其他复合材料的粉末由Shubmets和Carbideindia公司提供，位于印度孟买。Al6061基合金的组成提供了所选材料的性能信息。

Al6061-TiO2复合材料通过粉末冶金路线合成，包括粉末混合、冷压和烧结过程。基体合金粉末通过行星球磨机制备，然后与不同比例的TiO2增强物混合。混合后，粉末在圆柱形模具中压缩，并在160 MPa的压力下压实。压块在真空炉中脱气，以400 °C的温度烧结90分钟，然后在炉内降温至室温。获得直径为15 mm × 长度150 mm的圆柱形试样，然后进行加工以进行各种测试。

根据ASTM标准对Al6061-TiO2复合材料试样进行加工。通过测量复合材料块的重量和体积来确定其密度。对复合材料试样进行显微镜、硬度、拉伸和磨损测试。经过系统抛光和玻璃抛光处理的试验样品在扫描电子显微镜下进行观察，以获得显微图像。硬度测试使用布氏硬度（MRB 250）测试机进行，使用10 mm钢球压头在500 kg的荷载下进行30秒测试。拉伸和延伸率测试使用Fine Spavy Associates公司的计算机控制万能试验机（型号TUE – 400C，最大400 KN，4 N最小计数）进行评估。

磨损测试使用Ducom公司位于班加罗尔的计算机控制的针盘磨损试验机进行。复合材料针状样品直径为10 mm，长25 mm，而EN31钢盘具有HRC 60硬度，作为对盘。通过使用1.0 μm最小计数的LVDT传感器，记录由于磨损导致的圆柱形针材料的磨耗量（以微米为单位）。通过针对盘磨损试验期间针的高度损失来评估由于磨损而导致的材料体积损失。复合材料针施加10到40 N的荷载，并保持3 km的滑动距离。保持复合材料针和盘表面的0.1 μm Ra表面不平整度。

能量色散X射线光谱（EDX）

根据Al6061基体材料的标准组成，将各种合金元素以粉末形式放入行星式球磨机中，并按照指定的配比混合粉末。将适当混合的粉末样品进行能量色散X射线光谱（EDAX）检测，混合物中含有镁和硅，证实成功制备了Al6061合金。

通过实验获得的复合材料的密度与规则混合法计算的值进行比较。理论值和实验值非常接近，证实了成功的复合材料制备。随着Al6061基体中TiO2含量的增加，复合材料的密度也增加，并且大于Al6061基体合金。Al6061-TiO2复合材料较高的密度是由于TiO2增强材料密度较大。

Al6061及其TiO2 MMC的扫描电子显微镜（SEM）照片。从SEM照片可以看出，基体合金中填料的分布是适当均匀的。这些图表还显示了铸造复合材料的均匀性。显微结构还显示了复合材料中填料含量的增加。从显微照片还可以看出，存在一定程度的孔隙性。研究表明，金属基复合材料的硬度较高与其孔隙率较低相关。

在显微照片中还可以看出，基体与增强材料之间存在良好的结合，从而改善了从基体Al6061到TiO2的载荷传递，增强了复合材料的性能。显示了铝固溶体非常小的树枝状晶体，而显微结构3b至3d显示了铝固溶体中的小树枝状晶体，其中一些随机分布了增强元素。

硬度是材料的基本物理和机械特性，可以近似估计材料的强度、耐磨性和基体与增强颗粒之间的结合性。硬度测试是根据ASTM E10-07a标准在常温下进行的。显示了Al6061和含有0-3 wt% TiO2的复合材料的硬度。从图中可以看出，Al6061-TiO2复合材料的硬度比Al6061合金高。含有更高TiO2填料含量的复合材料显示出更高的硬度。

随着TiO2填料含量从0增加到3 wt%，Al6061-TiO2复合材料的硬度增加了70%。这种硬度增加可以归因于TiO2的存在和其在合金中的分布，从而增强了硬度。硬度较高的材料具有更好的耐磨性，这与其他研究结果一致，他们也建议复合材料的耐磨性与其硬度直接相关。

极限抗拉强度

随着TiO2含量增加，复合材料的极限抗拉强度的变化情况。极限拉伸测试是根据ASTM-E8/E8M-08标准进行的。随着TiO2含量从0增加到3 wt%，复合材料的极限抗拉强度增加了83%。这个趋势与其他研究结果相似。填充颗粒的Al-MMCs具有更好的弹性、拉伸和疲劳性能，相比未加固材。填充颗粒的Al-MMCs的强度随着填料相含量的增加而增强，但会牺牲一定的延展性。

展示了Al6061合金及其TiO2填充复合材料的断口SEM显微照片。基体和增强材料之间有良好的结合，并且随着TiO2填料含量的增加，断口性质下降，这可以归因于Al6061基体合金中的缺陷增加。

干滑动磨损试验是在常温下根据ASTM-G99标准进行的。用于摩擦试验的复合材料圆柱样品直径为10毫米，长度为25毫米。在固定的摩擦速度2.62 ms–1下，使用计算机化的摩擦试验仪进行干滑动磨损实验。

显示了MMC在滑动距离上的体积磨损。随着滑动距离的增加，基体合金及其复合材料的体积磨损增加。在较大的滑动距离下，滑动表面的温度变得很难维持。基体和复合材料的表面变软，并在较大的滑动距离下发生严重变形，导致较大的磨损损失。与所有滑动距离研究的基体合金相比，复合材料的磨损损失要小得多，并且随着复合材料中TiO2含量的增加，磨损损失减少，这可以归因于硬度的提高。

展示了在不同加载条件下磨损损失的变化。Al基合金和复合材料的磨损损失受到施加加载的影响，加载是影响磨损的最重要因素。在较大的加载下，Al6061和其复合材料的磨损损失增加。复合材料的耐磨性仍然优于Al6061合金。较大的加载会导致基体合金和复合材料的层状剥离，导致更严重的磨损。

显示了Al6061合金和TiO2填充复合材料的体积磨损损失与增强材料含量的关系。可以看出，随着TiO2填料含量的增加，复合材料的体积磨损损失减少。对于给定的填料含量，复合材料的体积磨损损失仍然小于其基体合金。复合材料的耐磨性随着TiO2填料含量的增加而增强，这可以归因于复合材料硬度值的提高。

Al6061合金和TiO2填充复合材料在40N负载和3km滑动距离下的磨损表面的SEM显微照片。显示了磨损颗粒和粘附磨损现象，即由于磨损而产生的表面弹性和塑性剪切。含有3 wt% TiO2的复合材料在40N负载下显示出较小的磨损。在40N负载下，基体合金和含有较低TiO2体积分数的复合材料的磨损表面形成了较大的沟槽，并且发生了严重的塑性变形，导致严重的磨损。SEM照片显示了磨损表面上密集的磨损分区。随着复合材料中TiO2含量的增加，磨损表面的沟槽数量减少，表明材料的磨损损失减小。

结论

通过粉末冶金技术成功制备了含有高达3重量％的TiO2增强的Al6061-TiO2复合材料。Al6061-TiO2复合材料的密度比其基体Al6061合金有所提高。扫描电子显微镜研究发现TiO2颗粒均匀地分布在Al6061合金中。

复合材料的耐磨性比基体合金更高，而较高的载荷和滑动距离会导致更大的磨损损失。TiO2填料在提高Al6061-TiO2复合材料的耐磨性方面起到了重要作用。根据目前的研究结果可以确定，含有3重量％的TiO2的Al6061复合材料表现出优越的物理、力学和耐磨性能。

参考文献

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