三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3D-Si-Al復(fù)合材料微觀組織設(shè)計(jì)及性能研究.pdf

1、本文設(shè)計(jì)并制備了Si/Al復(fù)合材料。利用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)等多種手段對復(fù)合材料的微觀組織及其形成機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，用熱膨脹分析儀、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率測試儀、布氏硬度和三點(diǎn)彎曲測試了復(fù)合材料的物理性能和力學(xué)性能，并分析了相關(guān)的影響因素。
　　本文從材料微觀組織設(shè)計(jì)的角度出發(fā)提出了熱融合的方法，使Sip/Al復(fù)合材料中的增強(qiáng)體Si形成獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了Si-Al界面，并在基體中析出Si相

2、，降低了復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，改善了復(fù)合材料的力學(xué)性能；對熱融合進(jìn)行分析后，提出了實(shí)現(xiàn)熱融合的條件。研究表明，熱融合是一個原子擴(kuò)散的過程?？煞譃榛w的熔化、顆粒的溶解、聯(lián)結(jié)和基體的凝固等三個階段，增強(qiáng)體形貌經(jīng)過了鈍化(球化)、小顆粒溶解、大顆粒間互相聯(lián)結(jié)等一系列演變；本文研究的Si-Al體系適用于Gibbs-Thomas效應(yīng)，基于Gibbs-Thomas效應(yīng)，建立了顆粒溶解、聯(lián)結(jié)模型并對熱融合的各個階段進(jìn)行了解釋。
　　預(yù)備材料基

3、體合金中的存在大量的位錯，Si-Al界面平直干凈，沒有界面反應(yīng)物生成；三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3D-Si/Al復(fù)合材料界面是光滑的曲面，界面處及基體合金中有細(xì)小彌散Si的析出。
　　論文研究的Si/Al復(fù)合材料其平均線膨脹系數(shù)（20℃-100℃）介于7.4～10.1×10-6/℃之間，熱導(dǎo)率介于112～168W/(m℃)之間，電導(dǎo)率介于6.5～8％IACS之間。隨著溫度的升高，復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢，熱導(dǎo)率呈下降趨勢；預(yù)備材料的熱膨

4、脹系數(shù)、導(dǎo)熱率及導(dǎo)電率均隨著Si元素含量的增加而逐漸下降，隨著增強(qiáng)體顆粒尺寸的減小而減??；退火處理降低了預(yù)備材料的線膨脹系數(shù)，提高了熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率；熱融合處理使復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)降低了9%～10.5%，基本沒有改變導(dǎo)熱導(dǎo)電性能。利用EMA（有效介質(zhì)近似）方法計(jì)算出Si/Al復(fù)合材料的界面熱阻值在0.2～0.3×10-9m2·℃/W之間。
　　預(yù)備材料布氏硬度介于239～322之間，彎曲強(qiáng)度在194MPa～328MP之間。隨著增強(qiáng)體

5、顆粒尺寸的增加及含量的降低，復(fù)合材料的硬度逐漸減??；退火處理降低了復(fù)合材料強(qiáng)度；熱融合處理后復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度增加了約14MPa；斷口分析表明：斷裂方式以脆性斷裂為主，微觀上包括界面剝離和脆性Si顆粒的斷裂。復(fù)合材料的楊氏模量隨著增強(qiáng)體含量的增加而增加，與顆粒尺寸分布無關(guān)；基體合金的彈性模量高，其復(fù)合材料的彈性模量也高；預(yù)備材料的彈性模量隨著增強(qiáng)體體積份數(shù)的增加而增加，并且大致呈線性增加；三維網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)對彈性模量的貢獻(xiàn)很小；可用H-S模型