鋁基碳化硅復(fù)合材料的制備技術(shù)

  由于單一材料不能滿足嚴(yán)酷工程環(huán)境的需要，因此對先進(jìn)材料需求的日益增長，尤其是有特殊性能的復(fù)合材料。20世紀(jì)80年代以來，美國和日本等國家對各類復(fù)合材料進(jìn)行相關(guān)研究，并采用粉末冶金技術(shù)、熔鑄技術(shù)、壓力浸滲技術(shù)和無壓浸滲等技術(shù)制備出性能優(yōu)良的顆粒增強(qiáng)型鋁基復(fù)合材料。其中，碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料由于其優(yōu)良的導(dǎo)熱性、低的膨脹系數(shù)、高的比強(qiáng)度與比剛度、抗磨損性能以及近凈成型等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于航空航天、汽車、電子封裝、軍工裝備領(lǐng)域，成為金屬基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)。本文主要對碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法和性能特點(diǎn)進(jìn)行概述，以便全面了解碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的發(fā)展?fàn)顩r。鈞杰陶瓷專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新精神、誠信合作、持續(xù)發(fā)展的理念。為新客戶提供優(yōu)異的品質(zhì)，完善的服務(wù)，良好的信譽(yù)，另外，本企業(yè)具有獨(dú)特的陶瓷件鏡拋光技術(shù)，保證了我們的產(chǎn)品的亮度、色澤，光潔度等性能優(yōu)于同類產(chǎn)品，受到廣大客戶的一致好評。鈞杰陶瓷期待與大家一起合作。咨詢鈞杰陶瓷聯(lián)系電話：134 128 56568。

1.熔鑄技術(shù)

歐陽求保等采用熔鑄技術(shù)生成復(fù)合材料坯料，再經(jīng)熱擠壓加工SiCp/7A04鋁基復(fù)合材料，并分析了碳化硅含量對復(fù)合材料腐蝕性能等影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)相對于7A04鋁合金，SiCp/7A04鋁基復(fù)合材料的抗腐蝕性能下降，且碳化硅含量越高其腐蝕速率越快，碳化硅尺度越大，抗腐蝕性能越好，這是因?yàn)樘蓟杵茐匿X基體表面的完整性，導(dǎo)致形成點(diǎn)腐蝕，而碳化硅的抗腐蝕性能又阻擋蝕孔擴(kuò)大。

2.攪拌鑄造技術(shù)

張建軍等通過攪拌鑄造技術(shù)制備出SiC體分比為10%碳化硅顆粒增強(qiáng)6168 鋁基復(fù)合材料，著重研究了其高溫下的熱變形行為，構(gòu)建了關(guān)于雙曲正弦模型的流變應(yīng)力和真應(yīng)變的熱變形本構(gòu)關(guān)系。

3.無壓浸滲技術(shù)

張家斯等利用無壓浸滲技術(shù)，經(jīng)過對SiC陶瓷顆粒的表面預(yù)處理、控制造孔劑添加量和優(yōu)化浸滲歷史，結(jié)合基體材料的成分組成，實(shí)現(xiàn)了不同粒徑顆粒配比的SiCp/Al復(fù)合材料的制備，其基本工藝路線：首先控制并優(yōu)化造孔劑的使用量，不同粒徑的SiC配比預(yù)先獲得具有不同孔隙率的SiC預(yù)制型，然后利用分級熱處理工藝，在高濃度O2氛圍中對SiC預(yù)制型進(jìn)行氧化法加工處理，以期在碳化硅顆粒表面獲得低溫石英氧化膜，使SiC預(yù)制型可以更好地浸入到AlSiMg基體液中，降低了SiCp/Al材料的殘余孔隙率，改善了復(fù)合材料的致密程度。此外，鎂元素所占比重影響SiCp/Al材料殘余孔隙率，所以鎂元素含量對SiCp/Al復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度有影響。當(dāng)硅元素含量在鋁合金液中的含量高達(dá)11wt%時(shí)，無法生成Al4C3有害相。其依據(jù)是，在常壓下，溫度高于鋁熔點(diǎn)時(shí)，熱力學(xué)上碳化硅表現(xiàn)為不穩(wěn)定狀態(tài)，即溫度約為923K時(shí)，Al與SiC發(fā)生有害化學(xué)反應(yīng)，生成Al4C3，反應(yīng)式為

3SiC+4Al?Al4C3+3Si            
作為鋁合金的重要組成部分，Si元素可有效降低不良Al4C3產(chǎn)物的產(chǎn)生，從而抑制Al和SiC的界面反應(yīng)。因參與化學(xué)反應(yīng)，SiC顆粒含量降低，進(jìn)而降低SiCp/Al復(fù)合材料熱力學(xué)性能，而且化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物Al4C3呈非穩(wěn)定狀態(tài)，易與大氣中的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生脆性相Al(OH)3，從而使得SiCp/Al復(fù)合材料變脆，反應(yīng)式為

Al4C3+12H2O?CH4+Al(OH)3               

李飛舟通過無壓浸滲技術(shù)進(jìn)行SiC/Al基復(fù)合材料，并研究了碳化硅平均粒徑對復(fù)合材料顯微組織、耐磨損性能等影響，研究發(fā)現(xiàn)，SiC/Al基復(fù)合材料殘余孔隙率隨著碳化硅粒徑的減小而減小，致密度則呈現(xiàn)增加趨勢，而摩擦系數(shù)和磨損速率則隨碳化硅粒徑的減小表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。

4.凝膠注模+無壓熔滲復(fù)合技術(shù)

劉君武等先通過凝膠注模技術(shù)制備碳化硅預(yù)制件，然后利用無壓熔滲熔融態(tài)鋁合金，實(shí)現(xiàn)了高體積分?jǐn)?shù)約為60%-67%的SiCp/Al復(fù)合材料的近凈成形。

5.復(fù)合粉末注射成型與無壓浸滲技術(shù)

姜旭峰等利用粉末注射成型結(jié)合無壓浸滲的方法制備出高體積分?jǐn)?shù)碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，著重研究無壓浸滲方法及其工藝參數(shù)對碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率的作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，隨保溫時(shí)間、保溫溫度的增加，復(fù)合材料的致密度隨之增加，但材料的熱導(dǎo)率隨保溫時(shí)間的增加而逐漸增加，隨保溫溫度的增加呈先增加后減小的變化規(guī)律，這主要與碳化硅與鋁基體間的界面熱阻有關(guān)。

6.真空自滲復(fù)合高壓浸滲技術(shù)

針對高體積分?jǐn)?shù)的 SiCp/Al復(fù)合材料陶瓷增強(qiáng)相含量高，從而導(dǎo)致機(jī)加工和熱成形困難且加工成本較高等問題，陳龍等以6063鑄鋁合金為復(fù)合材料基體合金，研究并開發(fā)出一種適用于高體分比SiCp/Al復(fù)合材料制備的真空自滲復(fù)合高壓浸滲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低能耗、高利用率和環(huán)境友好的復(fù)合材料近凈成形加工。

7.真空熱壓燒結(jié)技術(shù)

倪增磊等針對液態(tài)法在制備SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)SiC與Al基體間易形成不良界面反應(yīng)等問題，通過真空熱壓燒結(jié)技術(shù)制備體分比分別為30%、25%和20%的SiCp/Al-30Si復(fù)合材料，分析碳化硅體分比對SiCp/Al-30Si微觀結(jié)構(gòu)、致密度、拉伸性能、熱膨脹系數(shù)等熱力學(xué)性能的影響。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著碳化硅體分比的增大，微觀組織中逐漸形成SiC顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象，拉伸強(qiáng)度逐漸降低，且熱膨脹系數(shù)也逐漸減小。

8.高能球磨+真空熱壓燒結(jié)復(fù)合技術(shù)

柳培等首先通過濕磨結(jié)合高能球磨技術(shù)預(yù)處理粒徑比較高的6061鋁粉和碳化硅粉末，然后通過真空熱壓燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行SiCp/6061鋁基復(fù)合材料的制備，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著球磨的進(jìn)行，鋁基體晶粒被明顯細(xì)化、位錯(cuò)密度變大，而SiCp/6061鋁基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度也隨著球磨時(shí)間的增加而增加。

9.高能超聲半固態(tài)復(fù)合技術(shù)

針對SiC顆粒與Al基體間潤濕性較差等問題，張燕瑰等采用高能超聲輔助半固態(tài)復(fù)合技術(shù)進(jìn)行SiCp/Al復(fù)合材料的制備，其主要技術(shù)路線為：先采用滲流方法對SiC顆粒進(jìn)行分散，然后將SiC置于半固態(tài)溫度的鋁熔體，最好通過超聲波進(jìn)行攪拌，從而提高SiC顆粒與Al基體間的潤濕性，并使增強(qiáng)體均勻分散于基體中，且沒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。

10.攪拌摩擦加工技術(shù)

Sharma等采用新型攪拌摩擦加工技術(shù)(轉(zhuǎn)速為710rpm，進(jìn)給速度為100mm/min)制備出碳化硅增強(qiáng)2014鋁基復(fù)合材料，在攪拌摩擦加工過程中，由于動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生再結(jié)晶等軸組織產(chǎn)生，且制備出增強(qiáng)相顆粒均勻分布的無缺陷鋁基復(fù)合材料。此外，Sharma還采用預(yù)制孔方法，首先在鋁基體上多孔并將SiC顆粒置于預(yù)制孔中，然后通過攪拌摩擦加工技術(shù)制備出表面SiC/Al復(fù)合材料；另外一種方法可在攪拌頭進(jìn)給路徑上布滿SiC顆粒，然后制備出表面SiC/Al復(fù)合材料(見圖1)。

11.霧化+粉末冶金復(fù)合技術(shù)

郝世明等通過霧化方法得到直徑約10μm的2024Al粉末，采用粉末冶金技術(shù)制備體積分?jǐn)?shù)為30%不同粒徑碳化硅增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，SiCp粒徑越小，越容易發(fā)生明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，且在SiCp聚集和尖端的地方易出現(xiàn)空洞等缺陷，SiCp粒徑越大，SiCp顆粒越易發(fā)生開裂和破碎等現(xiàn)象；SiCp/2024Al復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著SiCp顆粒平均粒徑的增大而遞減，微米級SiC顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料的基體強(qiáng)化效應(yīng)以微觀組織結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致的位錯(cuò)密度強(qiáng)化和Orowan彌散強(qiáng)化作用為主，隨著SiCp粒徑的減小，其位錯(cuò)強(qiáng)化作用越顯著，且SiCp粒徑越小，SiCp顆粒的間距越小，Orowan強(qiáng)化越強(qiáng)。8μm和15μm粒徑的SiCp復(fù)合材料拉伸斷口呈現(xiàn)Al基體撕裂和SiC顆粒斷裂的形貌，25μm和40μm粒徑的SiCp復(fù)合材料斷口形貌以SiCp顆粒的破裂為主，這主要是因?yàn)樾×降奶蓟桀w粒由于與基體界面作用面積較小容易與基體發(fā)生剝離，而大粒徑的碳化硅顆粒不僅所受載荷增大，而且SiC表面出現(xiàn)空洞、裂紋等缺陷的概率較大，因此，在同等受載情況下，大粒徑的SiC更容易出現(xiàn)斷裂。

12.化學(xué)鍍銅與粉末冶金復(fù)合技術(shù)

徐金城等在堿性環(huán)境下對SiC顆粒作化學(xué)鍍銅預(yù)處理，然后采用粉末冶金技術(shù)進(jìn)行SiC顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料的制備，通過對鍍銅前后SiCp/Al復(fù)合材料的力學(xué)特性比較發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過SiC表面鍍銅處理的SiCp/Al復(fù)合材料能夠較成功地處理SiC陶瓷顆粒與Al基體的界面結(jié)合問題，增強(qiáng)SiCp/Al復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能；SiCp/Al的致密度隨著碳化硅顆粒體分比的增加而降低，但顯微硬度與抗拉強(qiáng)度則表現(xiàn)為先增加后下降的趨勢。

13.粉末冶金技術(shù)

為避免高溫下液固法制備SiCp/2009Al復(fù)合材料時(shí)界面處易形成有害的脆性相Al4C3，金鵬等采用粉末冶金技術(shù)制備具有不同SiCp顆粒尺寸、體分比為15%的SiCp/2009Al復(fù)合材料，通過拉伸實(shí)驗(yàn)分析表明：隨著SiCp陶瓷粒徑增大，SiCp/2009Al復(fù)合材料屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度均呈現(xiàn)較小的趨勢，并顯著高于鋁合金基體，這可能是基體中Cu與Mg金屬間化合物沉淀強(qiáng)化和高密度的位錯(cuò)強(qiáng)化共同作用的結(jié)果，但延伸率與之呈現(xiàn)相反的作用規(guī)律，因?yàn)樾×絊iCp顆粒易團(tuán)聚，而大粒徑SiCp顆粒分布較均勻，分散效果明顯優(yōu)于小粒徑顆粒，因此其復(fù)合材料的塑性較好。SiCp粒徑為3.5μm和7μm的Al基復(fù)合材料斷口形貌中既有SiCp顆粒的破裂又有Al基體界面處的撕裂。SiCp粒徑為20μm的Al基復(fù)合材料，由于Al與SiC界面面積較大，隨著載荷增大，通過界面?zhèn)鬟f到SiC顆粒的應(yīng)力就較大，由于熱擠壓中伴隨顆粒的破碎，SiC解理斷裂比較明顯。

邊心宇等利用粉末冶金工藝加工出體積分?jǐn)?shù)15%的SiCp/2009Al復(fù)合材料，并通過超聲波無損檢測技術(shù)對復(fù)合材料內(nèi)的缺陷進(jìn)行測量。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)量在0.8-0.9mm缺陷的SiCp/2009Al呈現(xiàn)良好的塑性與較高的比強(qiáng)度。

雖然在各種碳納米管復(fù)合材料的領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量的實(shí)驗(yàn)和研究，但是目前關(guān)于碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的研究成果仍較為零散，在增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的機(jī)械特性上的研究成果還是很少，這主要是因?yàn)樘技{米管與金屬基體界面之間的結(jié)合特別弱，并且目前關(guān)于碳納米管嵌入金屬基體的分散性工藝還有待提高。在碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的界面問題中，金屬和碳納米管之間的潤濕和黏附結(jié)合很重要，當(dāng)碳納米管嵌入到熔融金屬中時(shí)，兩者能夠得到充分的反應(yīng)，但熔融金屬會破壞碳納米管的原子結(jié)構(gòu)，目前碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法以粉末冶金為主。為了改善界面特性，常規(guī)方法是通過增加金屬基體的成分、改善制備工藝和參數(shù)等來增強(qiáng)材料的力學(xué)性能，同時(shí)還有關(guān)于使用功能化碳納米管等方法來增強(qiáng)碳納米管與金屬基體之間的界面結(jié)合。

本文針對幾種主要的碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法和性能特點(diǎn)進(jìn)行了簡要概述。通過綜合對比和分析發(fā)現(xiàn)，制備工藝與方法、碳化硅顆粒粒徑、體積分?jǐn)?shù)、配比、表面處理對碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的熱力學(xué)性能有非常重要的影響。化學(xué)鍍銅與粉末冶金等復(fù)合制備技術(shù)可以很好地提高界面結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而提高復(fù)合材料的總體力學(xué)性能，而攪拌摩擦加工技術(shù)因其制備的復(fù)合材料缺陷較小，也是一種極具潛力的制備方法，但由于其現(xiàn)在僅適用于表層復(fù)合材料的制備，因此具有一定限制性。綜述幾種制備方法，粉末冶金工藝及其復(fù)合制備工藝、攪拌摩擦加工技術(shù)是目前適合制備高質(zhì)量、高性能碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的工藝技術(shù)。