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碳化硅颗粒增强铝基复合材料的性能研究

张建云  
【摘要】: 本文以精密光机仪器和电子封装为应用背景,采用无压渗透法制备SiCp/Al复合材料。以热膨胀系数、热循环残余应变、微屈服强度为尺寸稳定性指标,以硬度及抗弯强度为力学性能参数,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线(XRD)、热膨胀分析仪、热机械分析仪、拉伸机、布氏硬度和三点弯曲试验等手段对复合材料的微观组织及形成机制进行了研究,测试了复合材料的尺寸稳定性、热应力及力学性能,分析了相关的影响因素。 透射组织观察显示,无压渗透法制备的复合材料SiC-Al界面干净,未出现明显界面反应产物,复合材料基体中存在高密度位错,复合材料的增强相SiC颗粒内存在明显的层错。 热应力测试及分析表明, SiCp/Al复合材料比基体材料存在较大的热残余应力。在复合材料中,基体中存在拉应力,颗粒中存在压应力。冷热循环预处理的复合材料及增强颗粒较大的复合材料具有较低的热残余应力。在复合材料中存在的热应力分布中,颗粒尖角处的应力最大。 复合材料热膨胀和热循环行为的研究表明,复合材料的热膨胀系数(CTE)明显低于基体铝合金,其在温度单程变化时的尺寸稳定性显著提高。当SiC颗粒体积分数较高,或颗粒粒径较大,复合材料的CTE就更小;预处理对复合材料CTE也有一定的影响,固溶+冷热循环预处理和固溶时效预处理复合材料CTE低,退火预处理复合材料CTE稍高。复合材料热循环后会产生一定量的残余应变,这是由于在热循环过程中复合材料铝基体中产生微塑性变形而引起的。热循环后的残余应变随热循环次数的增加而减小,尺寸趋于稳定;复合材料中颗粒粒径较大及基体较硬,则复合材料热循环尺寸稳定性高;退火预处理的残余应变最大,固溶时效预处理其次,固溶+冷热循环预处理最小。 微屈服性能研究表明,SiCp/Al复合材料在未达工程屈服强度的应力下就会产生微塑性变形,复合材料中的热残余应力,基体金属位错组态和可动位错数量,位错运动障碍,对复合材料的微屈服性能有显著影响。热残余应力使微应变易于产生,导致微屈服强度降低。合适的预处理能有效地降低热残余应力,减少可动位错,析出的强化相阻碍位错运动,使微屈服强度提高。复合材料的微屈服强度比未增强的铝基体微屈服强度高。固溶时效预处理的微屈服强度最高,固溶+冷热循环预处理的次之,退火预处理的最低。 在SiCp/Al复合材料中,随着SiC颗粒粒径的减小,抗弯强度升高;固溶时效预处理的复合材料比退火预处理的复合材料抗弯强度高,而固溶+冷热循环预处理的复合材料抗弯强度则居于前两种预处理的复合材料抗弯强度之间。SiCp/Al复合材料整体上表现出脆性断裂的特征,同时断口又具有一定的韧性断裂的特征。


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