sicpal复合材料热残余应力分析

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1、摘要碳化硅颗粒增强铝基复合材料因其优异的综合性能，近年来在精密光机构件，电子封装等应用方面引起了广泛的关注。然而由于材料组元之间的热膨胀系数差异，复合材料在制备过程中会形成热残余应力，热残余应力的存在对材料尺寸稳定性有较大影响从而影响到材料在应用中的精度。本文采用无压渗透法制备SiCp/ZL101复合材料，利用有限元法对复合材料中热残余应力场进行分析。借助ANSYS有限元软件建立颗粒增强金属基复合材料的平面模型，讨论了颗粒体积分数，颗粒形貌以及冷却速度对SiCp/ZL101复合材料中热残余应力的影响；同时采用XRD测量了复合材料内部残余应力，同模拟结果进行了对比；用冷热循环法测试了

2、复合材料的尺寸稳定性，探讨了热残余应力对复合材料尺寸稳定性的影响机理。有限元分析结果表明：在SiCp/ZL101复合材料制备冷却后，由于SiC颗粒与铝合金之间热膨胀系数的差异，复合材料内部产生了较大的热残余应力场。颗粒承受压应力，基体承受拉应力，界面附近基体内分布着残余拉应力的最大值；SiCp/ZL101复合材料中热残余应力值随颗粒体积分数的增加而增大。颗粒呈球形时，颗粒和基体的界面附近的热残余应力场分布均匀；颗粒呈方形时，颗粒尖角附近基体中存在非常明显的热应力集中现象；复合材料在不同冷却速度下热应力随时间的变化趋势不一致，冷速越高则热应力的变化越剧烈。水冷过程中由于温度的迅速下降

3、，复合材料的热应力在瞬间即转化成热残余应力保存下来，而空冷和炉冷过程中复合材料的热应力的变化趋势较为平缓。XRD测量结果表明：不规则形SiC颗粒增强复合材料中热残余应力值高于近球形颗粒增强复合材料；水冷处理后的复合材料中热残余应力最大。与有限元模拟结果相对比，热残余应力测量值与其均在同一数量级；冷热循环法测试结果表明不规则形SiC颗粒增强复合材料的尺寸稳定性较差，冷却速度越快复合材料尺寸稳定性越差。热残余应力是影响复合材料尺寸稳定性的主要因素，热残余应力越大，尺寸稳定性越差，反之，尺寸稳定性越好。关键词：SiCp/ZL101复合材料，热残余应力，有限元分析，冷却速度，尺寸稳定性II

4、IABSTRACTBecauseoftheexcellentperformance,SiCp/Alcompositesappliedtoaccurateopticalinstrumentandelectronicpackagingattractedbroadattentionrecentyears.Duetothemismatchbetweenthethermalexpansioncoefficientsofthecomponentmaterials,compositesformthermalresidualstressesduringthecoolingfromtheproces

5、singtemperaturetoroomtemperature.Thethermalresidualstressistheimportantfactorofthecompositesdimensionstabilityandtheprecisioninapplication.TheSiCp/ZL101compositeswerefabricatedbypressurelessinfiltration,andthethermalresidualstressofSiCp/ZL101compositeswasanalyzedbyusingthefiniteelementmethod.T

6、heplanegeometrymodelsofparticlereinforcedcompositeswereestablishedbyfiniteelementsoftwareANSYS.Theeffectofvolumefraction,particleshapeandcoolingrateonthethermalresidualstressinthecompositeswasinvestigated.TheresidualstressofcompositewasmeasuredbyXRD,andcontrastedtothesimulativeresult.Thedimens

7、ionstabilityofcompositewasmeasuredunderthermalcyclingcondition,andeffectofthermalresidualstressondimensionstabilitybehaviorwasdiscussed.Thestudiesoffiniteelementanalysisindicatethatcompositesformbiggishresidualstressesduringcoolingproce