碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁

1、LOGO 碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁 u設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路 u組織和性能組織和性能 u生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝 u應(yīng)用與前景應(yīng)用與前景 鋁基體鋁基體 n優(yōu)點(diǎn)：含量最高優(yōu)點(diǎn)：含量最高 ，不僅重量輕，質(zhì)地，不僅重量輕，質(zhì)地 堅(jiān)，而且具有良好的延展性、導(dǎo)電性、堅(jiān)，而且具有良好的延展性、導(dǎo)電性、 導(dǎo)熱性、耐熱性和耐核輻射性。導(dǎo)熱性、耐熱性和耐核輻射性。 n缺點(diǎn)：低強(qiáng)度、低剛度、不耐高溫、缺點(diǎn)：低強(qiáng)度、低剛度、不耐高溫、 抗腐蝕性抗疲勞性低?？垢g性抗疲勞性低。 設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路 設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路 碳化硅增強(qiáng)體（碳化硅增強(qiáng)體（SiC） 晶體結(jié)構(gòu)：菱面體的

2、晶體結(jié)構(gòu)：菱面體的 -SiC和立和立 方體的方體的-SiC（稱立方碳化硅（稱立方碳化硅) 。-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)中碳和由于其晶體結(jié)構(gòu)中碳和 硅原子的堆垛序列不同而構(gòu)成硅原子的堆垛序列不同而構(gòu)成 許多不同變體，已發(fā)現(xiàn)許多不同變體，已發(fā)現(xiàn)70余種余種 。-SiC于于2100以上時(shí)轉(zhuǎn)變以上時(shí)轉(zhuǎn)變 為為-SiC。 性能：耐腐蝕、耐高溫、化學(xué)性能性能：耐腐蝕、耐高溫、化學(xué)性能 穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系 數(shù)小、耐磨性能好。硬度很大數(shù)小、耐磨性能好。硬度很大 ，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一 種半導(dǎo)體，高溫時(shí)能抗氧化。種半導(dǎo)體，高溫時(shí)能抗氧化。 設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)

3、思路 u增強(qiáng)機(jī)制增強(qiáng)機(jī)制 1.Orowan強(qiáng)化機(jī)制強(qiáng)化機(jī)制 變形過(guò)程中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)繞過(guò)變形過(guò)程中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)繞過(guò)SiC 顆?？梢允箯?qiáng)度增加，假設(shè)顆?？梢允箯?qiáng)度增加，假設(shè)SiC顆顆 粒為球形，則強(qiáng)化效應(yīng)為：粒為球形，則強(qiáng)化效應(yīng)為： LGb/2 or 其中，其中，L為顆粒間距，為顆粒間距，b是位錯(cuò)的是位錯(cuò)的 柏氏矢量，柏氏矢量，G是基體的剪切模量。是基體的剪切模量。 設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路 u增強(qiáng)機(jī)制增強(qiáng)機(jī)制 2.細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化 SiC顆粒的存在誘發(fā)鋁再結(jié)晶，從而顆粒的存在誘發(fā)鋁再結(jié)晶，從而 細(xì)化晶粒。假設(shè)，每個(gè)細(xì)化晶粒。假設(shè)，每個(gè)SiC顆粒又發(fā)一個(gè)顆粒又發(fā)一個(gè) 晶粒形核，則所引起的的屈服強(qiáng)度的增量晶粒形

4、核，則所引起的的屈服強(qiáng)度的增量 與晶粒尺寸關(guān)系為：與晶粒尺寸關(guān)系為： 2/1 / DK ygrain 3/1 / )1( pp VVdD 顆粒的體積分?jǐn)?shù)SiC是V其中， p 設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路 u力學(xué)模型力學(xué)模型 1 .混合定律混合定律 在碳化硅增強(qiáng)鋁的強(qiáng)化理論中，最簡(jiǎn)單化的是混合定在碳化硅增強(qiáng)鋁的強(qiáng)化理論中，最簡(jiǎn)單化的是混合定 律。材料的彈性模量和屈服強(qiáng)度分別為：律。材料的彈性模量和屈服強(qiáng)度分別為： yrrymmyc rrmmc VV EVEVE 此模型，未考慮增強(qiáng)體形狀等微觀組織對(duì)性能的影響，此模型，未考慮增強(qiáng)體形狀等微觀組織對(duì)性能的影響， 該模型的預(yù)測(cè)力學(xué)性能的數(shù)值是實(shí)驗(yàn)值的上限。該模型的

5、預(yù)測(cè)力學(xué)性能的數(shù)值是實(shí)驗(yàn)值的上限。 設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路 u力學(xué)模型力學(xué)模型 2.Eshelby理論理論 若用一個(gè)具有適當(dāng)錯(cuò)配應(yīng)變，有機(jī)體材料組成的滲入若用一個(gè)具有適當(dāng)錯(cuò)配應(yīng)變，有機(jī)體材料組成的滲入 體來(lái)描述真實(shí)的滲入體，他的應(yīng)力場(chǎng)和真實(shí)滲入體的應(yīng)體來(lái)描述真實(shí)的滲入體，他的應(yīng)力場(chǎng)和真實(shí)滲入體的應(yīng) 力場(chǎng)是相同的假定增強(qiáng)體是無(wú)限大，勻質(zhì)，完整，且各力場(chǎng)是相同的假定增強(qiáng)體是無(wú)限大，勻質(zhì)，完整，且各 向同性的彈性介質(zhì)，在進(jìn)行無(wú)限等分，在增強(qiáng)體內(nèi)所有向同性的彈性介質(zhì)，在進(jìn)行無(wú)限等分，在增強(qiáng)體內(nèi)所有 點(diǎn)的所受應(yīng)力相同，然后模擬加入夾雜之后復(fù)合材料的點(diǎn)的所受應(yīng)力相同，然后模擬加入夾雜之后復(fù)合材料的 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)

6、變行為。應(yīng)變行為。 設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路 u力學(xué)模型力學(xué)模型 3.有限元分析有限元分析 將求解域看成是由許多小的在節(jié)點(diǎn)出互相連接的子域構(gòu)將求解域看成是由許多小的在節(jié)點(diǎn)出互相連接的子域構(gòu) 成，單元內(nèi)部點(diǎn)的待求量通過(guò)選定的函數(shù)關(guān)系查插值求得。成，單元內(nèi)部點(diǎn)的待求量通過(guò)選定的函數(shù)關(guān)系查插值求得。 單元?jiǎng)澐衷郊?xì)，結(jié)果越精確。單元?jiǎng)澐衷郊?xì)，結(jié)果越精確。 組織和性能組織和性能 u宏觀上分布均勻，微觀下觀察，宏觀上分布均勻，微觀下觀察，SiC顆粒主要分顆粒主要分 布在樹(shù)枝間和最后凝固的液相區(qū)，同時(shí)也有部分布在樹(shù)枝間和最后凝固的液相區(qū)，同時(shí)也有部分 存在于初生晶內(nèi)部作為凝固的核心，即被初生晶存在于初生晶內(nèi)部作為凝

7、固的核心，即被初生晶 所吞陷。所吞陷。 碳化硅顆粒在金屬中彌碳化硅顆粒在金屬中彌 散分布，細(xì)小而均勻分散分布，細(xì)小而均勻分 布的納米顆粒高教率地布的納米顆粒高教率地 占據(jù)空間，顆粒間距較占據(jù)空間，顆粒間距較 小有效地控制晶粒長(zhǎng)小有效地控制晶粒長(zhǎng) 大，使組織細(xì)小而均勻大，使組織細(xì)小而均勻 組織和性能組織和性能 u 碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有如下特點(diǎn)：碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有如下特點(diǎn)： （1）良好的力學(xué)性能：良好的力學(xué)性能：較高的強(qiáng)度、模量、硬度、較高的強(qiáng)度、模量、硬度、較低的斷較低的斷 裂韌性裂韌性 （2）良好的化學(xué)性能：耐高溫性，抗氧化性，）良好的化學(xué)性能：耐高溫性，抗氧化性，耐磨性

8、和耐腐耐磨性和耐腐 蝕性蝕性 （3）具有良好的尺寸穩(wěn)定性，可以在溫度變化劇烈的環(huán)境中）具有良好的尺寸穩(wěn)定性，可以在溫度變化劇烈的環(huán)境中 使用使用 （4）具有具有各向同性，可以用傳統(tǒng)各向同性，可以用傳統(tǒng)鋁合金鋁合金材料的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； （5）可以利用傳統(tǒng)的金屬材料加工技術(shù)和設(shè)備來(lái)制造和進(jìn)行可以利用傳統(tǒng)的金屬材料加工技術(shù)和設(shè)備來(lái)制造和進(jìn)行 二次加工，因而可以降低成本；二次加工，因而可以降低成本； 生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝 1.真空壓力浸透法真空壓力浸透法 u原理：原理： 先將增強(qiáng)體制成預(yù)制件，再將預(yù)制件放入先將增強(qiáng)體制成預(yù)制件，再將預(yù)制件放入 位于承壓容器的模具內(nèi)，抽

9、出預(yù)制件內(nèi)的氣體后位于承壓容器的模具內(nèi)，抽出預(yù)制件內(nèi)的氣體后 ，在真空和惰性氣體的共同作用下，采用壓力將，在真空和惰性氣體的共同作用下，采用壓力將 金屬熔體由通道壓入模具內(nèi)，使之浸透預(yù)制件。金屬熔體由通道壓入模具內(nèi)，使之浸透預(yù)制件。 u優(yōu)點(diǎn)：（優(yōu)點(diǎn)：（1）可直接制成復(fù)合零件，特別是形狀復(fù)）可直接制成復(fù)合零件，特別是形狀復(fù) 雜的零件。雜的零件。 （2）浸漬在真空進(jìn)行，無(wú)氣孔，疏松，）浸漬在真空進(jìn)行，無(wú)氣孔，疏松， 縮孔等缺陷。縮孔等缺陷。 （3）工藝簡(jiǎn)單，參數(shù)易控制）工藝簡(jiǎn)單，參數(shù)易控制 u缺點(diǎn)：設(shè)備比較復(fù)雜，工藝周期長(zhǎng)，投資大，成缺點(diǎn)：設(shè)備比較復(fù)雜，工藝周期長(zhǎng)，投資大，成 本本 高。高。 生產(chǎn)

10、工藝生產(chǎn)工藝 2. 噴射共沉淀法噴射共沉淀法。 u原理：原理： 用霧化法制取鋁合金粉末的用霧化法制取鋁合金粉末的 同時(shí)加入碳化硅增強(qiáng)顆粒，兩種熔同時(shí)加入碳化硅增強(qiáng)顆粒，兩種熔 體受到霧化噴射共同沉積在水冷板體受到霧化噴射共同沉積在水冷板 上，凝固得到鋁基復(fù)合材料。上，凝固得到鋁基復(fù)合材料。 u優(yōu)點(diǎn)：（優(yōu)點(diǎn)：（1）增強(qiáng)體顆粒與基體熔液）增強(qiáng)體顆粒與基體熔液 接觸時(shí)間短，界面反應(yīng)少接觸時(shí)間短，界面反應(yīng)少 （2）界面結(jié)合強(qiáng)度高，組織）界面結(jié)合強(qiáng)度高，組織 具有快速凝固特征，晶粒十分細(xì)小具有快速凝固特征，晶粒十分細(xì)小 。 u 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： （1）制備出的材料孔隙率）制備出的材料孔隙率 高，質(zhì)量差高，質(zhì)

11、量差 （2）增強(qiáng)顆粒利用率低，）增強(qiáng)顆粒利用率低， 沉積速度較慢，成本高。沉積速度較慢，成本高。 生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝 3.擠壓鑄造法擠壓鑄造法 u原理：把碳化硅顆粒用適當(dāng)?shù)脑恚喊烟蓟桀w粒用適當(dāng)?shù)?粘結(jié)劑粘結(jié)，按照設(shè)計(jì)要求制粘結(jié)劑粘結(jié)，按照設(shè)計(jì)要求制 成成 預(yù)制塊放入澆鑄模型中預(yù)制塊放入澆鑄模型中 ，預(yù)熱到一定溫度，然后澆入，預(yù)熱到一定溫度，然后澆入 基體金屬液，立即加壓，使熔基體金屬液，立即加壓，使熔 融的金屬液浸透到預(yù)制塊中，融的金屬液浸透到預(yù)制塊中， 在壓力下凝固。在壓力下凝固。 u優(yōu)點(diǎn)：（優(yōu)點(diǎn)：（1）設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝簡(jiǎn)）設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝簡(jiǎn) 單，穩(wěn)定性好，生產(chǎn)周期短。單，穩(wěn)定性好，生產(chǎn)周期短

12、。 （2）基本無(wú)界面反應(yīng)，）基本無(wú)界面反應(yīng)， 無(wú)需表面熱處理。無(wú)需表面熱處理。 u缺點(diǎn)：易出現(xiàn)氣體或夾雜物，缺點(diǎn)：易出現(xiàn)氣體或夾雜物， 缺陷較多。缺陷較多。 生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝 4.粉末冶金法粉末冶金法 u優(yōu)點(diǎn)：（優(yōu)點(diǎn)：（1）增強(qiáng)體分）增強(qiáng)體分 布均勻，晶粒細(xì)布均勻，晶粒細(xì) （2）可減少）可減少 界面反應(yīng)，具有優(yōu)界面反應(yīng)，具有優(yōu) 異異 力學(xué)性能。力學(xué)性能。 u缺點(diǎn)：（缺點(diǎn)：（1）工藝繁瑣）工藝繁瑣 （2）組織不）組織不 均勻，孔洞率較大，均勻，孔洞率較大， 必須進(jìn)行二次加工必須進(jìn)行二次加工 應(yīng)用應(yīng)用 u在航空航天上的應(yīng)用在航空航天上的應(yīng)用 在航空航天工業(yè)中，碳化硅顆粒增強(qiáng)在航空航天工業(yè)中，碳化硅

13、顆粒增強(qiáng) 鋁被用來(lái)制造承重縮桿，直升機(jī)的導(dǎo)軌和鋁被用來(lái)制造承重縮桿，直升機(jī)的導(dǎo)軌和 滑行著陸裝置，導(dǎo)彈鑲嵌結(jié)構(gòu)，通用天線滑行著陸裝置，導(dǎo)彈鑲嵌結(jié)構(gòu)，通用天線 架等。架等。 應(yīng)用應(yīng)用 u在汽車上的應(yīng)用在汽車上的應(yīng)用 碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁適用于制作抗磨碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁適用于制作抗磨 材料，如活塞，軸瓦等。此外，還可以材料，如活塞，軸瓦等。此外，還可以 用碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁制造油缸的內(nèi)襯，用碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁制造油缸的內(nèi)襯， 驅(qū)動(dòng)軸等汽車零件。驅(qū)動(dòng)軸等汽車零件。 應(yīng)用應(yīng)用 u在精密儀器上的應(yīng)用在精密儀器上的應(yīng)用 碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁具有較高強(qiáng)度的為碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁具有較高強(qiáng)度的為 屈服強(qiáng)度和壓縮微變抗力，可以替代鈹合屈服強(qiáng)度和壓縮微變抗力，可以替代鈹合 金制造慣性導(dǎo)航器件。在紅外線自導(dǎo)導(dǎo)向金制造慣性導(dǎo)航器件。在紅外線自導(dǎo)導(dǎo)向 系統(tǒng)中，用以替代原來(lái)的不銹鋼，可減輕系統(tǒng)中，用以替代原來(lái)的不銹鋼，可減輕