無(wú)壓熔滲制備高體積分?jǐn)?shù)SiCp-Al復(fù)合材料及其性能研究.pdf

1、高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料不僅具有比強(qiáng)度高、耐磨性好等優(yōu)良力學(xué)性能，還擁有高導(dǎo)熱、低膨脹的熱學(xué)性能。目前制備高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料的方法主要有壓力熔滲、注射成型等，制備工藝復(fù)雜且成本較高。與諸多制造工藝相比，SiC預(yù)成型坯無(wú)壓熔滲工藝具有近凈成形能力強(qiáng)、設(shè)備投入少等優(yōu)點(diǎn)。本文采用無(wú)壓熔滲法成功制備了SiCp/Al復(fù)合材料，采用金相顯微鏡、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、X射線衍射儀（XRD）、能譜（EDS）等技術(shù)

2、分析其滲透過(guò)程，深入研究其滲透機(jī)理；系統(tǒng)地研究了SiCp/Al復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)性能，揭示了SiC含量、顆粒級(jí)配、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)等與性能的關(guān)系和規(guī)律，為研制低成本、高導(dǎo)熱、低膨脹的SiCp/Al復(fù)合材料提供了實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)。
　　 本文首次采用Fe(NO3)3·9H2O/Ni(NO3)3·6H2O為造孔劑，水玻璃為粘結(jié)劑，在1000℃下燒結(jié)，制備了SiC預(yù)成型坯。研究表明，碳化硅發(fā)生氧化反應(yīng)，F(xiàn)e(NO3)3·9H2O/Ni(

3、NO3)3·6H2O受熱分解生成Fe2O3/NiO；碳化硅粉體因其氧化產(chǎn)生的SiO2膜、水玻璃的硬化作用以及Fe(NO3)3·9H2O/Ni(NO3)3·6H2O的分解形成的Fe2O3/NiO的粘結(jié)而聚合在一起，形成陶瓷骨架。SiC粉體間的本征孔隙和Fe(NO3)3·9H2O/Ni(NO3)3·6H2O分解后留下的孔隙一起構(gòu)成一個(gè)三維相互連通的、開(kāi)放的孔隙網(wǎng)絡(luò)；Fe(NO3)3·9H2O分解后在SiC預(yù)成型坯中留下的孔隙分布均勻，沒(méi)有偏

4、聚現(xiàn)象，而Ni(NO3)3·6H2O分解后SiC預(yù)成型坯中有偏聚現(xiàn)象。
　　 在1000℃燒結(jié)時(shí)，由于SiC氧化緩慢，生成的SiO2膜既能將SiC粘結(jié)成陶瓷骨架，又能保證坯體不發(fā)生形狀改變。SiC坯體燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生3％左右的線膨脹，膨脹量隨Fe(NO3)3含量的增加而增大，通過(guò)調(diào)整Fe(NO3)3含量，能獲得不同孔隙率的SiC預(yù)成型坯。通過(guò)調(diào)整Fe(NO3)3含量，對(duì)于85um/28um（W85/W28）和50um/14um（W

5、50/W14）為2：1（wt％）的SiC預(yù)成型坯，均能獲得35-46％的孔隙率；預(yù)成型坯的抗壓強(qiáng)度隨著造孔劑含量的增加而增大，F(xiàn)e(NO3)3含量在10％時(shí)，其抗壓強(qiáng)度在180MPa左右。
　　 在950℃、氮?dú)鈿夥罩?，采用顆粒級(jí)配的方法，成功制備出SiC含量為55-65vol％、致密度為95％以上的SiCp/Al復(fù)合材料。結(jié)果表明，液態(tài)鋁合金完全滲入SiC預(yù)成型坯內(nèi)顆粒間的所有間隙，達(dá)到近完全致密。這主要?dú)w因于三個(gè)方面的因素：

6、一是SiC陶瓷骨架低溫?zé)Y(jié)能保證其內(nèi)部孔隙的連通性和開(kāi)放性；二是多孔材料的內(nèi)表面無(wú)殘留，只有SiC顆粒氧化形成的致密的SiO2層以及Fe(NO3)3分解產(chǎn)生的Fe2O3附著在SiC顆粒表面，該氧化膜及氧化物顆粒在液態(tài)鋁滲入過(guò)程中通過(guò)界面反應(yīng)獲得液-固兩相潤(rùn)濕，促使鋁液滲入；三是由于Fe(NO3)3的加熱分解生成的Fe2O3，能與鋁液發(fā)生鋁熱反應(yīng)，進(jìn)一步改善液-固兩相潤(rùn)濕，促進(jìn)鋁合金液的滲入。液態(tài)鋁自發(fā)滲入后，SiC預(yù)成型坯無(wú)任何變形，而

7、且外形尺寸也無(wú)變化。SiC-Al間存在厚度為0.4um左右的MgAl2O4氧化物界面層，該界面層能有效阻止鋁液與SiC的接觸與反應(yīng)。界面層與鋁基體、SiC增強(qiáng)體都存在一定的位相關(guān)系。4H型和8F型SiC都能和MgAl2O4形成半共格結(jié)構(gòu)。
　　 鋁合金基體中引入高體積分?jǐn)?shù)的SiC增強(qiáng)體后強(qiáng)度顯著提高，抗彎強(qiáng)度都在300MPa以上，最高達(dá)381MPa。抗彎強(qiáng)度并不隨著硝酸鐵添加量的增加而單調(diào)增加，而表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)粗

8、顆粒預(yù)成型坯滲透得到的復(fù)合材料強(qiáng)度略高于細(xì)顆粒配比的，但總體上材料的強(qiáng)度隨增強(qiáng)體的含量改變，波動(dòng)的幅度不大。
　　 SiCp/Al復(fù)合材料的斷裂方式以脆性斷裂為主。裂紋走向主要沿著SiC-Al分界面、SiC與SiC間較脆弱的燒結(jié)頸以及粒徑較大的SiC顆粒擴(kuò)展。延性的金屬由于被SiC顆粒分隔在狹小的顆粒間隙，其在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中產(chǎn)生少量的塑性變形后被撕裂。斷面上留下大量SiC粒子剝離后留下的顆粒外圍輪廓印跡，在相鄰SiC粒子輪廓之間

9、是鋁基體的突起，形成類似韌窩的形貌。
　　 W85/W28(55-65vol％)SiCp/Al-10Mg-8Si復(fù)合材料的熱導(dǎo)率從128W·m-1·K-1升至142W·m-1·K-1；W50/W14(55-65vol％)SiCp/Al-10Mg-8Si復(fù)合材料的熱導(dǎo)率從126W·m-1·K-1升至139W·m-1·K-1?？傮w來(lái)說(shuō)在相同體積含量下粗顆粒SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率比細(xì)顆粒的略高。通過(guò)研究復(fù)合材料的CTE，發(fā)現(xiàn)增