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《合肥工业大学》 2008年
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高增强体含量的SiC/Al复合材料无压渗透法制备及性能研究

刘君武  
【摘要】: 高增强体含量SiC/Al复合材料不仅具有高的比强度、比弹性模量和耐磨损等力学性能,还拥有低膨胀、高导热的热学性能,而且原材料价格低廉、性能可任意剪裁,无论用作结构件、还是功能构件,都有很大的发展潜力。探求低成本的制造工艺是当前该材料研究的热点。与诸多制造工艺相比,SiC预成形坯无压渗透工艺具有近净成形能力强、设备投入少等优点,因而成为一种极具经济竞争力的制备技术。本文在首先研究了SiC粉体氧化条件下的液态铝合金自发渗透现象及其机理。以此为基础,进一步探求了SiC/A1复合材料无压渗透法的简洁工艺。将SiC粉体低温自氧化结合成SiC预成形坯,于氮气气氛中将液态铝合金自发渗入SiC预成形坯内,成功制备出不同增强体粒度及含量的SiC/Al复合材料。应用金相显微镜、扫描电显微镜、透射电子显微、x-Ray、能谱等测试手段对复合材料进行成分、结构与形貌分析,并研究SiC粒度和含量对复合材料力学和热学性能的影响。 在助渗剂镁的作用下,液态铝与SiC_p表面的SiO_2膜生成MgO和MgAl_2O_4,放出反应热,使熔渗前沿温度升高,有效改善了SiC与Al液之间的润湿性,诱发Al液自发向SiC粉体间隙中渗透。采用片状助渗剂Mg,Al液自发渗透前有一孕育期,渗透过程由Al液与SiC粉体表面的SiO_2反应所控制,渗透速度较慢,浸渗高度与时间呈抛物线关系。采用Mg粉与SiC粉混合来诱发的铝液自发渗透几乎没有孕育期,其渗透过程也符合抛物线关系,但能获得比片剂Mg快得多的渗透速度。 SiC粉体在1100℃氧化结合成SiC预成形坯的过程中,碳化硅和石墨同时发生氧化反应。石墨氧化成CO_2去除后留下孔隙:碳化硅粉体因其氧化产生的SiO_2膜的粘结作用而聚合在一起,形成陶瓷骨架。SiC粉体间的本征孔隙和石墨去除后留下的孔隙一起构成三维互连通的、开放的孔隙网络。因SiC氧化导致SiC坯体产生3~5%左右的线膨胀,膨胀量随石墨含量的增加而略有增大。通过调整石墨含量,能获得不同孔隙率SiC预成形坯。对于W28的SiC粉,能获得38~61%的孔隙率;对于W7的SiC粉,能获得47~63%的孔隙率。 在900℃的氮气氛中,液态铝合金能自发渗入SiC预成形坯内颗粒间的孔隙,达到接近全致密。液态铝自发渗入后,SiC预成形坯无任何形状和尺寸的变化,易于实现近净成形。SiC-Al间存在厚度为0.3~0.5μm的MgAl_2O_4氧化物界面层,该界面层能有效阻止铝液与SiC的接触与反应。界面层与铝基体、SiC增强体都存在一定的位相关系。4H型和8F型SiC都能和MgAl_2O_4形成半共格结构,半共格张应力使MgAl_2O_4一侧产生位错和层错;MgAl_2O_4和Al则形成共格界面,晶格匹配性好,界面两侧没有发现因半共格产生的缺陷。 SiC/Al复合材料的断裂方式以脆性断裂为主。裂纹走向主要沿着SiC-Al分界面、SiC与SiC间较脆弱的烧结颈扩展。延性的金属在裂纹扩展过程中产生少量的塑性变形后被撕裂。铝基体中引入高体积分数的SiC增强体后强度显著提高。弯曲强度并不随着增强体体积分数的增加而单调增加,过高的增强体含量反而使复合材料的强度下降。以Z1101为基的复合材料强度普遍高于以工业纯铝为基的复合材料强度。SiC/Al复合材料的弹性模量随着SiC含量的增加而增加,以ZL101合金为基体的都略高于以工业纯铝为基体的。 铝基体中引入SiC能大幅降低其热膨胀系数(CTE)。SiC/Al复合材料的CTE都随温度的升高而增大;随着SiC含量的增加,复合材料的CTE快速降低;在SiC体积含量相同的情况下,含细颗粒SiC复合材料的CTE显著低于粗颗粒SiC的;金属基体CTE小的SiC/Al复合材料CTE相应也小。当SiC的体积含量从39%增至62%之间时,SiC(W28)/ZL101的导热系数从146W·m~1·K~1降至118W·m~(-1)·K~(-1);当SiC的体积含量从37%增至53%之间时,SiC(W7)/ZL101的导热系数从136W·m~(-1)·K~(-1)降至118W·m~(-1)·K~(-1)。粗颗粒的SiC在相同体积含量下比细颗粒增强Z1101具有更高的导热率。
【学位授予单位】:合肥工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TB333

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