高增强体含量的sical复合材料无压渗透法制备及性能研究

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1、摘要高增强体禽量SiC／A1复合材料不仅具有商的比强度、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／hl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

2、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，表面的Si魄膜生成Mgo和MgAl20一，放出反应热，使熔渗前沿温度升高，有效改善了SiC与A1液之间的润湿性，诱发AI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A1液与SiC粉体表面的SiQ反应所控制，渗透速度较馒，浸渗

3、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cQ去除后留下孔隙；碳化硅粉体因其氧化产生的siO。膜的粘结作用面聚合在一起，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W

4、28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"C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—AI间存在厚度为0．3～0．5“m的MgAlz仉氧化物界面层，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MgAl20t形成半共格结构，半共格张应力使Mghl舢一侧产生位错和层错：Mghl：仉和A1则形成共格界面，晶格匹

5、配性好，界面两侧没有发现因半共格产生的缺陷。SiC／A1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—h1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ZIIOI为基的复合材料强度普遍高f以工业纯铝为基的复合材料强度。SiC／AI复合材料的弹性模晕随着SiC含最的增加而增加，以ZLIOI台金为基体的都略高于以丁业纯铝为基体的。铝基体中引入SiC自E人

6、幅降低其热膨胀系数(CTE)。SiC／AI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CTEd,的SiC／AI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)／ZLIOI的导热系数从146W·m1·K1降至118w．m。·K‘；当SiC的体积含量从37％增至53％之间时，SiC(W7)／ZLIOI的导热系数从136W·m-％K1降至118WomI．K。粗颗粒的SiC在相同体积含量下比细颗

7、粒增强E1101具有更高的导热率。关键词：$iC／AI复合材料，无压渗透，界面结构，抗弯强度，热膨胀系数，导热系数ABSTRACTSiC／AIcompositesreinforcedwithhighvolumefractionoflowcostSiCpowderhaveexcellentpropertiesofhighspecificstrength，specificelasticmodulus，improvedwearresistance，lowthermalexpansionandhi【曲thermalconductivity．Thoseproper

8、tiesCallbetailoredatall，whichlllakcsthec