碳化硅鋁復(fù)合材料的制備畢業(yè)論文

1、. . . . 論文題目：碳化硅鋁復(fù)合材料的制備專 業(yè)：材料科學(xué)與工程學(xué) 生：段紅偉 簽名: 指導(dǎo)老師：王濤 簽名：摘要碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料( SiCp / Al 復(fù)合材料) 具有高比強(qiáng)度和比剛度、耐磨、耐疲勞、低熱膨脹系數(shù)、低密度、高微屈服強(qiáng)度、良好的尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性、優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能。本文采用粉末冶金法制備SiCp復(fù)合材料。使用X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，洛氏硬度實(shí)驗(yàn)以與密度，吸水率，氣孔率實(shí)驗(yàn)等方法研究碳化硅鋁復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和機(jī)理。得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果為SiCp復(fù)合材料組織均勻，致密，無(wú)雜質(zhì)，氣孔少等優(yōu)良特點(diǎn)。隨著SiC復(fù)合材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2、的增加，SiCp的密度、抗折強(qiáng)度、硬度均相應(yīng)增大，而氣孔率、吸水率隨之減小。SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，隨著燒結(jié)溫度的升高試樣的性能也越來(lái)越好。 關(guān) 鍵 字：粉末冶金法 碳化硅鋁復(fù)合材料 制備 性能研究類型：實(shí)驗(yàn)型Subject: Preparation of Silicon Carbide Reinforced Aluminum CompositeSpeciality:Materials Science and EngineeringName:Duan hongwei Signature:Instructor:Wang TaoSignature:AbstractSilicon carbide

3、 particles reinforced aluminum matrix composites (SiCp / Al matrix composite) with high specific strength and stiffness, wear and fatigue resistance, low thermal expansion coefficient, low density and high micro-yield strength, good dimensional stability and thermal conductivity , excellent mechanic

4、al properties and physical properties. In this paper, Using method of powder metallurgy to preparation SiCp composite materials.Using X-ray diffraction (XRD),Scanning electron microscopy (SEM), bending strength and Rockwell hardness test and the density, water absorption, porosity of experimental me

5、thods research aluminum silicon carbide composite material microstructure, properties and mechanism.The experimental results obtained for the SiCp homogeneous, compact, no impurities, porosity and less good features. With the increase of SiC quality score, SiCp density, flexural strength and hardnes

6、s, and all relevant porosity, bibulous rate is then decreased.SiC quality score certain situations, the sintering temperature elevatory sample properties and strengthened.Key words :Method of powdermetallurgy; SiCp / Al matrix composite;Preparation; Performance;Thesis type：Experimental33 / 38目錄目錄11文

7、獻(xiàn)綜述11.1復(fù)合材料概述11.1.1 復(fù)合材料的定義11.1.2復(fù)合材料的分類11.1.3復(fù)合材料的性能21.1.4復(fù)合材料的成型方法31.1.5復(fù)合材料的應(yīng)用31.1.6復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用31.2金屬基復(fù)合材料51.2.1 金屬基復(fù)合材料的定義51.2.2 金屬基復(fù)合材料分類51.3碳化硅鋁復(fù)合材料71.3.1碳化硅鋁復(fù)合材料引言71.3.2國(guó)外開發(fā)與應(yīng)用研究現(xiàn)狀71.3.3碳化硅鋁復(fù)合材料的制備方法81.3.4國(guó)開發(fā)與應(yīng)用中存在的問(wèn)題101.3.5碳化硅鋁復(fù)合材料今后發(fā)展趨勢(shì)111.4本文研究容111.5工藝流程122 實(shí)驗(yàn)方法與容132.1實(shí)驗(yàn)方法132.1.1實(shí)驗(yàn)方法介紹132.1

8、.2原料計(jì)算稱量與配置132.1.3冷壓成型132.1.4低溫排膠142.1.5高溫?zé)Y(jié)142.2實(shí)驗(yàn)原料142.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備152.4實(shí)驗(yàn)過(guò)程152.4.1試驗(yàn)配方152.4.2原料混合162.4.3冷壓成型162.4.4高溫?zé)Y(jié)172.5試樣測(cè)試183實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析193.1試樣的微觀形貌分析193.2試樣X(jué)RD成分分析203.3 試樣的抗折強(qiáng)度213.3.1溫度對(duì)抗折強(qiáng)度的影響213.3.2 SiC 含量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響213.4試樣密度、吸水率、氣孔率的測(cè)試223.4.1測(cè)試方法223.4.2溫度對(duì)試樣密度、吸水率、氣孔率的影響233.4.3 SiC含量對(duì)試樣密度、吸水率、氣孔率的影響

9、243.5試樣洛氏硬度的測(cè)試273.5.1 燒結(jié)溫度對(duì)洛氏硬度的影響273.5.2 SiC含量對(duì)試樣洛氏硬度的影響283.6粘結(jié)劑、Mg粉以與真空熱壓燒結(jié)的作用293.6.1粘結(jié)劑的作用293.6.2 Mg粉的作用293.6.3熱壓燒結(jié)的作用294結(jié)論30致31參考文獻(xiàn)321文獻(xiàn)綜述1.1復(fù)合材料概述1.1.1 復(fù)合材料的定義復(fù)合材料(Composite materials)，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬

10、兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦與其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。 復(fù)合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強(qiáng)粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復(fù)合而成。20世紀(jì)40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強(qiáng)塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復(fù)合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強(qiáng)度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強(qiáng)度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體

11、復(fù)合，構(gòu)成各具特色的復(fù)合材料。1.1.2復(fù)合材料的分類復(fù)合材料按其組成分為：金屬與金屬?gòu)?fù)合材料、非金屬與金屬?gòu)?fù)合材料、非金屬與非金屬?gòu)?fù)合材料。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為：纖維復(fù)合材料。將各種纖維增強(qiáng)體置于基體材料復(fù)合而成。如纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬等。夾層復(fù)合材料。由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強(qiáng)度高、??；芯材質(zhì)輕、強(qiáng)度低，但具有一定剛度和厚度。分為實(shí)心夾層和蜂窩夾層兩種。細(xì)粒復(fù)合材料。將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布于基體中，如彌散強(qiáng)化合金、金屬瓷等?；祀s復(fù)合材料。由兩種或兩種以上增強(qiáng)相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。與普通單增強(qiáng)相復(fù)合材料比，其沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱

12、膨脹性能。分為層混雜、層間混雜、夾芯混雜、層層間混雜和超混雜復(fù)合材料。 60年代，為滿足航空航天等尖端技術(shù)所用材料的需要，先后研制和生產(chǎn)了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度大于4106厘米（cm），比模量大于4108cm。為了與第一代玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料相區(qū)別，將這種復(fù)合材料稱為先進(jìn)復(fù)合材料。按基體材料不同，先進(jìn)復(fù)合材料分為樹脂基、金屬基和瓷基復(fù)合材料。其使用溫度分別達(dá)250350、3501200和1200以上。先進(jìn)復(fù)合材料除作為結(jié)構(gòu)材料外，還可用作功能材料。如梯度復(fù)第五代戰(zhàn)機(jī)復(fù)合材料合材料(材料的化學(xué)和結(jié)晶學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、空隙等在空間連續(xù)

13、梯變的功能復(fù)合材料)、機(jī)敏復(fù)合材料（具有感覺(jué)、處理和執(zhí)行功能，能適應(yīng)環(huán)境變化的功能復(fù)合材料）、仿生復(fù)合材料、隱身復(fù)合材料等。1.1.3復(fù)合材料的性能復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用最廣、用量最大。其特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合的材料，其比強(qiáng)度和比模量均比鋼和鋁合金大數(shù)倍，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤(rùn)滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂復(fù)合可得到膨脹系數(shù)幾乎等于零的材料。纖維增強(qiáng)材料的另一個(gè)特點(diǎn)是各向異性，因此可按制件不同部位的強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，在500時(shí)仍能保持足夠的強(qiáng)度和模量。碳化硅纖維與

14、鈦復(fù)合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片。碳化硅纖維與瓷復(fù)合，再生樹脂復(fù)合材料使用溫度可達(dá)1500，比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100）高得多。碳纖維增強(qiáng)碳、石墨纖維增強(qiáng)碳或石墨纖維增強(qiáng)石墨，構(gòu)成耐燒蝕材料，已用于航天器、火箭導(dǎo)彈和原子能反應(yīng)堆中。非金屬基復(fù)合材料由于密度小，用于汽車和飛機(jī)可減輕重量、提高速度、節(jié)約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復(fù)合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當(dāng)。1.1.4復(fù)合材料的成型方法復(fù)合材料的成型方法按基體材料不同各異。樹脂基復(fù)合材料的成型方法較多，有手糊成型、噴射成型、纖維纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、RTM成型、熱壓

15、罐成型、隔膜成型、遷移成復(fù)合材料電纜支架型、反應(yīng)注射成型、軟膜膨脹成型、沖壓成型等。金屬基復(fù)合材料成型方法分為固相成型法和液相成型法。前者是在低于基體熔點(diǎn)溫度下，通過(guò)施加壓力實(shí)現(xiàn)成型，包括擴(kuò)散焊接、粉末冶金、熱軋、熱拔、熱等靜壓和爆炸焊接等。后者是將基體熔化后，充填到增強(qiáng)體材料中，包括傳統(tǒng)鑄造、真空吸鑄、真空反壓鑄造、擠壓鑄造與噴鑄等、瓷基復(fù)合材料的成型方法主要有固相燒結(jié)、化學(xué)氣相浸滲成型、化學(xué)氣相沉積成型等。1.1.5復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域有1：航空航天領(lǐng)域。由于復(fù)合材料熱穩(wěn)定性好，比強(qiáng)度、比剛度高，可用于制造飛機(jī)機(jī)翼和前機(jī)身、衛(wèi)星天線與其支撐結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能電池翼和外殼、大型運(yùn)載

16、火箭的殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等。汽車工業(yè)。由于復(fù)合材料具有特殊的振動(dòng)阻尼特性，可減振和降低噪聲、抗疲勞性能好，損傷后易修理，便于整體成形，故可用于制造汽車車身、受力構(gòu)件、傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)架與其部構(gòu)件?；ぁ⒓徔椇蜋C(jī)械制造領(lǐng)域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體復(fù)合而成的材料，可用于制造化工設(shè)備、紡織機(jī)、造紙機(jī)、復(fù)印機(jī)、高速機(jī)床、精密儀器等。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和不吸收X射線特性，可用于制造醫(yī)用X光機(jī)和矯形支架等。碳纖維復(fù)合材料還具有生物組織相容性和血液相容性，生物環(huán)境下穩(wěn)定性好，也用作生物醫(yī)學(xué)材料。此外，復(fù)合材料還用于制造體育運(yùn)動(dòng)器件和用作建筑材料等。1.1.6復(fù)合材

17、料的發(fā)展和應(yīng)用2-3復(fù)合材料電纜支架復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大材料的應(yīng)用圍。由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)，已逐步取代木材與金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進(jìn)步，生產(chǎn)廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的價(jià)格成本已被許多行業(yè)接受，但玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料相繼問(wèn)世，使高分子復(fù)合材料家族更加完備，

18、已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)的必備材料。目前全世界復(fù)合材料的年產(chǎn)量已達(dá)550多萬(wàn)噸，年產(chǎn)值達(dá)1300億美元以上，若將歐、美的軍事航空航天的高價(jià)值產(chǎn)品計(jì)入，其產(chǎn)值將更為驚人。從全球圍看，世界復(fù)合材料的生產(chǎn)主要集中在歐美和東亞地區(qū)。近幾年歐美復(fù)合材料產(chǎn)需均持續(xù)增長(zhǎng)，而亞洲的日本則因經(jīng)濟(jì)不景氣，發(fā)展較為緩慢，但中國(guó)尤其是中國(guó)地的市場(chǎng)發(fā)展迅速。據(jù)世界主要復(fù)合材料生產(chǎn)商PPG公司統(tǒng)計(jì)，2000年歐洲的復(fù)合材料全球占有率約為32%，年產(chǎn)量約200萬(wàn)噸。與此同時(shí)，美國(guó)復(fù)合材料在20世紀(jì)90年代年均增長(zhǎng)率約為美國(guó)GDP增長(zhǎng)率的2倍，達(dá)到4%6%。2000年，美國(guó)復(fù)合材料的年產(chǎn)量達(dá)170萬(wàn)噸左右。特別是汽車用復(fù)合材料的迅速

19、增加使得美國(guó)汽車在全球市場(chǎng)上重新崛起。亞洲近幾年復(fù)合材料的發(fā)展情況與政治經(jīng)濟(jì)的整體變化密切相關(guān)，各國(guó)的占有率變化很大?？傮w而言，亞洲的復(fù)合材料仍將繼續(xù)增長(zhǎng)，2000年的總產(chǎn)量約為145萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2005年總產(chǎn)量將達(dá)180萬(wàn)噸。 從應(yīng)用上看，復(fù)合材料在美國(guó)和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。2000年美國(guó)汽車零件的復(fù)合材料用量達(dá)14.8萬(wàn)噸，歐洲汽車復(fù)合材料用量到2003年估計(jì)可達(dá)10.5萬(wàn)噸。而在日本，復(fù)合材料主要用于住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達(dá)7.5萬(wàn)噸，汽車等領(lǐng)域的用量?jī)H為2.4萬(wàn)噸。不過(guò)從全球圍看，汽車工業(yè)是復(fù)合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮?，目前還有許多

20、新技術(shù)正在開發(fā)中。例如，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)向高速、增壓、高負(fù)荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿、軸瓦已開始應(yīng)用金屬基復(fù)合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會(huì)有越來(lái)越多的新型復(fù)合材料將被應(yīng)用到汽車制造業(yè)中。與此同時(shí)，隨著近年來(lái)人們對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日益重視，高分子復(fù)合材料取代木材方面的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復(fù)合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產(chǎn)品；而可降解復(fù)合材料也成為國(guó)外開發(fā)研究的重點(diǎn)。另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米復(fù)合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點(diǎn)。以納米改性塑料

21、，可使塑料的聚集態(tài)與結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時(shí)，大大提高了材料的綜合性能。1.2金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料綜述隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)材料的要求越來(lái)越高。在結(jié)構(gòu)方面不但要求強(qiáng)度高，還要求重量輕，尤其在航空航天方面。金屬基復(fù)合材料就是為了滿足上述要求而誕生的。金屬基復(fù)合材料相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬材料來(lái)說(shuō)，具有較強(qiáng)的比強(qiáng)度和比剛度。雨樹脂基復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和耐熱性。與瓷基復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，具有高韌性和高沖擊性能。1.2.1 金屬基復(fù)合材料的定義金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體，以高強(qiáng)度的第二相作為增強(qiáng)體而值得的復(fù)合材料。因此，對(duì)

22、這種材料的分類既可以基體來(lái)進(jìn)行，也可以增強(qiáng)體來(lái)進(jìn)行。1.22 金屬基復(fù)合材料分類1按基體來(lái)分(1) 鋁基復(fù)合材料 (2) 鈦基復(fù)合材料 (3) 鎳基復(fù)合材料(1) 鋁基復(fù)合材料這是在金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用最廣的一種。由于鋁的基體為面心立方結(jié)構(gòu)。因此具有良好的韌性和塑性，再加上它具有的易加工性，工程可靠性與價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，為其在工程方面的應(yīng)用創(chuàng)造了有力條件。在制造鋁基復(fù)合材料的時(shí)候，通常并不是使用純鋁而是使用鋁合金。這是由于與純鋁相比，鋁合金具有更好的綜合性能。至于選擇何種鋁合金作為基體，則根據(jù)實(shí)際中隊(duì)復(fù)合材料的性能要求來(lái)決定。(2) 鈦基復(fù)合材料鈦比其他的任何結(jié)構(gòu)材料據(jù)有更高的比強(qiáng)度。此外，鈦在

23、中溫時(shí)比鋁合金更好的保持其強(qiáng)度。因此，隊(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，當(dāng)速度從亞超音速提高到超音速時(shí)，鈦合金顯示出了更好的優(yōu)越性。(3) 鎳基復(fù)合材料這種復(fù)合材料是以鎳和鎳合金為基體材料制作的。由于捏的高溫性能優(yōu)良，因此，這種復(fù)合材料應(yīng)用于制造高溫下工作的零部件。人們研制鎳基復(fù)合材料的目的，即使希望用它制造燃?xì)廨啓C(jī)的葉片。從而進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)的工作溫度。但目前由于制造工藝與可靠性等問(wèn)題尚未解決，所以還未取得滿意的結(jié)果。2.按增強(qiáng)體分來(lái)（1）顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料（2）層狀復(fù)合材料（3）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（1）顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料這里的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是指彌散的硬質(zhì)增強(qiáng)相的體積超過(guò)20%的復(fù)合材料，而不包括那些彌散質(zhì)點(diǎn)體

24、積比很低的彌散強(qiáng)化金屬。此外，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的顆粒直徑和顆粒間距很大，一般大于1m。這種復(fù)合材料中，增強(qiáng)相主要是承載相，而集體的作用是傳遞載荷和便于加工。雖然顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料得強(qiáng)度取決于顆粒的直徑，間距和體積比，單機(jī)體性能也很重要。( 2 ) 層狀復(fù)合材料這種復(fù)合材料是指在韌性和成形性較好的金屬集體材料中，含有重復(fù)排列的高強(qiáng)度，高模量片層狀增強(qiáng)物的復(fù)合材料。（3）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料中的纖維根據(jù)其長(zhǎng)度的不同可分為長(zhǎng)纖維、短纖維和晶須，他們屬于一維增強(qiáng)體。因此，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯的各向異性特征。當(dāng)韌性金屬基體用高強(qiáng)度脆性性纖維增強(qiáng)時(shí)，基體的屈服和塑性流動(dòng)時(shí)復(fù)合材料的主要特征。

25、單纖維對(duì)復(fù)合材料的彈性模量的增強(qiáng)有相當(dāng)大的作用。1.3碳化硅鋁復(fù)合材料1.3.1碳化硅鋁復(fù)合材料引言碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和比剛度、耐磨、耐疲勞、低熱膨脹系數(shù)、低密度、高微屈服強(qiáng)度、良好的尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性等優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能，可廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、汽車、電子、體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域。因此，從上世紀(jì)80年代初開始，世界各國(guó)競(jìng)相研究開發(fā)這類材料，從材料的制備工藝、微觀組織、力學(xué)性能與斷裂特性等角度進(jìn)行了許多基礎(chǔ)性研究，取得了顯著成績(jī)。目前，各國(guó)相繼進(jìn)入了碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用階段，在美國(guó)和歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家，該類復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用已開始，并且被列為2l世紀(jì)新材料應(yīng)用

26、開發(fā)的重要方向。1.3.2國(guó)外開發(fā)與應(yīng)用研究現(xiàn)狀1-4作為結(jié)構(gòu)材料，碳化硅鋁復(fù)合材料已被大規(guī)模應(yīng)用于直升機(jī)旋翼系統(tǒng)上。英國(guó)航天金屬基復(fù)合材公司(AMC)采用機(jī)械合金化粉末冶金法研制出了高剛度、耐疲勞的碳化硅鋁復(fù)合材料，已成功地應(yīng)用于法國(guó)Eurocopter公司生產(chǎn)的EC120新型民用直升機(jī)。美國(guó)DWA公司的25SiCp6061Al復(fù)合材料儀表支架已用于Lockheed飛機(jī)上的電子設(shè)備，BP公司研制的SiCp2124A1自行車框架也已經(jīng)在Raleighs賽車上使用。作為儀表級(jí)材料，由于其具有高剛度、低密度、高微屈服強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、好的導(dǎo)熱性和尺寸穩(wěn)定性，早在1985年，美國(guó)就采用碳化硅鋁復(fù)合

27、材料制成導(dǎo)彈慣性器件儀表殼體，用來(lái)替代鈹合金和鋁合金，并發(fā)展為繼鋁合金、鈹合金之后的第三代航天慣性器件。1985年以后，這種材料迅速應(yīng)用到航天飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等航天器的零部件上。作為光學(xué)材料，國(guó)外用碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制作輕量化光學(xué)反射鏡。19871988年美國(guó)ACMC公司與亞利桑那大學(xué)光學(xué)研究中心合作，采用碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料研制成超輕量化(ULW)空間望遠(yuǎn)鏡(包括結(jié)構(gòu)桁架部件與反射鏡)和坦克激光反射鏡。該ULW空間望遠(yuǎn)鏡的主鏡直徑03m，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡僅重454。作為電子材料，LEC公司生產(chǎn)的碳化硅鋁復(fù)合材料1996年應(yīng)用于GM電動(dòng)汽車和EV1客車上，替代了CuW合金。1997年用

28、該材料制作IRIDIUMO的系統(tǒng)部件，應(yīng)用于Momrola公司發(fā)射的衛(wèi)星上，并決定以后70多顆衛(wèi)星均使用該材料。這一應(yīng)用是電子級(jí)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料發(fā)展的新的里程碑。作為耐磨材料，Alcan公司生產(chǎn)的碳化硅鋁復(fù)合材料汽車剎車片已于1995年由福特汽車和豐田汽車正式投入使用。Lanxide公司生產(chǎn)的碳化硅鋁復(fù)合材料汽車剎車片，于1996年投入批量生產(chǎn)，日產(chǎn)量1 000片。1.3.3碳化硅鋁復(fù)合材料的制備方法金屬基復(fù)合材料的固態(tài)制備工藝主要為固態(tài)擴(kuò)散法和粉末冶金法兩種方法。(1) 粉末冶金法2(powder metallurgy)是將金屬粉末充滿在排列規(guī)整或取向的短纖維或晶須中，然后進(jìn)行燒結(jié)或擠壓

29、成型。在制造短纖維復(fù)合材料粉末冶金方法用的最多，大致上分為兩種，熱壓法和冷壓成型、燒結(jié)法。(2) 采用此種方法制備SiCpA1復(fù)合材料具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。1) 粉末冶金法所使用的溫度較低，可有效減輕增強(qiáng)體與基體間的有害界面反制得的復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能；2) 顆?；蚓ы毰c基體混合較均勻，偏聚或團(tuán)聚現(xiàn)象不太嚴(yán)重；3) 增強(qiáng)體的加可以任意調(diào)節(jié)，體積分?jǐn)?shù)控制方便，成分比例準(zhǔn)確；4) 此法能夠制備其它方法所不能制備的鋁基復(fù)合材料；缺點(diǎn)是：1)原材料和設(shè)備成本高；2)工藝較為繁瑣，材料易受污染；3)制造出的復(fù)合材料一般都存在部組織不均勻、孔洞率較大的現(xiàn)象，因此必須進(jìn)行二次塑性加工，以提高其綜合性能；

30、4)制品的結(jié)構(gòu)和尺寸受到限制。(3) 固態(tài)擴(kuò)散法14-16(diffusion bonding)是將固態(tài)的纖維與金屬基體適當(dāng)組合在加壓加熱條件下使他們互相擴(kuò)散結(jié)合成復(fù)合材料的方法。這種工藝優(yōu)點(diǎn)是可適用于廣泛的金屬基體，而且可控制纖維取向和體積分?jǐn)?shù)；缺點(diǎn)是制造時(shí)間較長(zhǎng)需要高的溫度和壓力，只能制造有限尺寸的試樣。(4) 攪拌熔鑄法18-21制備復(fù)合材料的過(guò)程中，由于碳化硅增強(qiáng)體顆粒與鋁溶液潤(rùn)濕性差，因此，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體顆粒均勻分布較為困難，同時(shí)，增強(qiáng)體顆粒極易與鋁溶液發(fā)生嚴(yán)重化學(xué)反應(yīng)，因此，界面結(jié)合也較差。此外，添加的增強(qiáng)體顆粒的尺寸通常需大于10微米，體積含量一般為20左右，與其他方法相比，該方法制

31、備的復(fù)合材料力學(xué)性能較差，但制備成本最低。(5) 壓力鑄造法2根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中壓力施加的大小、方式的不同，壓力滲透法可分為擠壓鑄造法、氣體壓力滲透鑄造法、離心鑄造法等。(1)擠壓鑄造法該法就是將碳化硅預(yù)制件放人經(jīng)過(guò)精密加工的石墨澆鑄模中，預(yù)熱到一定溫度，加入熔化的Al合金液在壓力作用下先滲入模壁間隙中，繼而滲入預(yù)制件中，最后去壓，冷卻。該工藝中預(yù)制件的預(yù)熱溫度、Al合金液的滲入溫度、壓力大小、冷卻速度是關(guān)鍵工藝參數(shù)。該法施加壓力可以較大，生產(chǎn)時(shí)間短，滲透可以在幾分鐘完成，工藝的穩(wěn)定性好；缺點(diǎn)就是需要高壓設(shè)備與密封良好的耐高壓模具，所以生產(chǎn)費(fèi)用較高，在生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件方面限制很大。(2)氣體壓力

32、滲透法該法與擠壓鑄造法相似，所不同的就是用氣體壓力代替了擠壓鑄造中的壓頭，它是在真空狀態(tài)熔化Al合金，滲透時(shí)撤去真空，通人惰性氣體使鋁合金液受壓通過(guò)升液管滲入上部模具中的預(yù)制件中。該法生產(chǎn)效果很好，但也存在生產(chǎn)過(guò)程緩慢，設(shè)備復(fù)雜，施加壓力較小的缺點(diǎn)。(3)離心鑄造法該法以離心力作為外界壓力，預(yù)制件放人高速旋轉(zhuǎn)的鑄模中，然后將Al合金液在澆鑄口倒人，在離心力的作用下完成滲透。此法避免了上述兩種方法中高壓力對(duì)設(shè)備的要求，降低了設(shè)備投資和生產(chǎn)成本，但是其特殊的裝置決定了所制產(chǎn)品形狀尺寸的特殊性，通常只能為筒環(huán)狀，因而難以在工業(yè)上得到推廣應(yīng)用。（6）無(wú)壓滲透法12-13無(wú)壓滲透法是由美國(guó)Lanxide

33、公司開發(fā)的一種獨(dú)特的工藝。它是將鋁合金錠放在碳化硅預(yù)制件上，在合金熔點(diǎn)以上保溫，Al合金液依靠毛細(xì)管力的作用自發(fā)進(jìn)入預(yù)制件中。其中，滲透過(guò)程的實(shí)現(xiàn)主要需要兩個(gè)條件：(1)Al合金中至少含有l(wèi)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Mg，最好是3(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；(2)滲透過(guò)程需要在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行。除此之外還與舍金中的其它添加元素如“Li、Si、Ti等，以與碳化硅顆粒大小，滲透溫度和時(shí)間等密切相關(guān)。與有壓滲透相比，無(wú)壓滲透具有所需設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低，容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)品的力學(xué)性能和熱性能略低，原因在于存在一定的氣孔和界面反應(yīng)產(chǎn)物。另外滲透速度較慢，需要?dú)怏w保護(hù)也是影響其應(yīng)用的主要原因。（7）噴射沉積法8-9噴

34、射沉積成形技術(shù)是一種新型的快速凝固技術(shù)，其突出的優(yōu)點(diǎn)是可以直接由液態(tài)金屬霧化與沉積形成具有快速凝固組織和性能特征的具有一定形狀的坯件，以減少或去除各種高成本的制造和加工中間環(huán)節(jié)。利用噴射沉積成形技術(shù)制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是該技術(shù)近年來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。但現(xiàn)行的國(guó)外噴射成形顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)大多是在噴射沉積成形過(guò)程中將一定量的增強(qiáng)相顆粒噴入霧化錐中，與金屬熔滴強(qiáng)制混合后在沉積器上共沉積以獲得復(fù)合材料坯件。這類方法的最大缺點(diǎn)是增強(qiáng)顆粒利用率低，材料制備成本高。1.3.4國(guó)開發(fā)與應(yīng)用中存在的問(wèn)題1721（1）各種制備工藝方法期待完善現(xiàn)有的工藝方法雖然都成功地制備了碳化硅鋁復(fù)合材料，

35、但各種方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)，很難判斷某種方法已成為主流方法，具有優(yōu)異綜合性能的碳化硅鋁復(fù)合材料的獲得還存在某些障礙。例如由于碳化硅與鋁液之間潤(rùn)濕性差，雖然可以通過(guò)細(xì)化碳化硅顆粒來(lái)提高材料的比力學(xué)性能，但顆粒越細(xì)，顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象越嚴(yán)重，從而影響了復(fù)合材料的性能。另外，顆粒越細(xì)，即表面積越大，表面能也隨之升高，此時(shí)氣體易于被吸附而引入金屬液中。（2）界面理論的研究有待進(jìn)一步深人復(fù)合材料的界面理論研究即是研究復(fù)合材料的界面潤(rùn)濕、界面結(jié)構(gòu)、界面結(jié)合機(jī)制和界面穩(wěn)定性等問(wèn)題。界面結(jié)合狀況影響著復(fù)合材料的各種性能。研究界面與材料性能的相互關(guān)系已成為復(fù)合材料研究的前沿領(lǐng)域。界面理論的形成有助于發(fā)現(xiàn)改善復(fù)合材料界面結(jié)

36、合狀況的途徑。例如，弄清了潤(rùn)濕機(jī)理與影響因素可以找到改善潤(rùn)濕的途徑。界面潤(rùn)濕性是界面相容性的一個(gè)方面，有時(shí)甚至能成為顆粒分布的決定性因素。(3）碳化硅鋁復(fù)合材料的成本需要努力降低復(fù)合材料應(yīng)用受到限制的主要原因之一就是生產(chǎn)復(fù)合材料的成本居高不下。目前碳化硅鋁復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空、航天、軍工領(lǐng)域，而在民用結(jié)構(gòu)上較少應(yīng)用，這跟這種材料的高成本有密切關(guān)系。通過(guò)優(yōu)化制備工藝，縮短工藝流程，減少輔助設(shè)施，提高工藝效率以與回收利用復(fù)合材料等技術(shù)方法均可降低材料生產(chǎn)的成本。這些技術(shù)方法尚需進(jìn)一步深入探討。(4)碳化硅鋁復(fù)合材料后續(xù)加工性能值得考慮碳化硅鋁復(fù)合材料由于含硬而脆的碳化硅顆粒，切削難度大。而現(xiàn)代精

37、密的機(jī)械零件絕大多數(shù)仍需依靠機(jī)加工獲得最終形狀和精度，也就是說(shuō)難以避免切削問(wèn)題。焊接加工也是金屬基復(fù)合材料使用中不可避免的問(wèn)題，材料難以焊接將會(huì)影響其使用圍。在獲得優(yōu)異性能的碳化硅鋁復(fù)合材料的同時(shí)必須兼顧其后續(xù)加工性能。1.3.5碳化硅鋁復(fù)合材料今后發(fā)展趨勢(shì)2l世紀(jì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和軍事將得到進(jìn)一步的發(fā)展，許多領(lǐng)域尤其是航空航天、軍工、電子與汽車工業(yè)，它們的發(fā)展無(wú)疑要對(duì)其所應(yīng)用的材料提出更高要求，這種要求提供了顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的發(fā)展機(jī)遇。結(jié)合我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)國(guó)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的市場(chǎng)需求與國(guó)外的應(yīng)用情況進(jìn)行類比分析，得出如下的趨勢(shì)預(yù)測(cè)：（1） 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)件用復(fù)合材料和儀表級(jí)與

38、光學(xué)級(jí)復(fù)合材料在航空、航天、軍工領(lǐng)域首先得到應(yīng)用并逐漸推廣，從而可提升這些領(lǐng)域的技術(shù)水平，沉著應(yīng)對(duì)日趨復(fù)雜的國(guó)際環(huán)境。（2） 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料也會(huì)在電子工業(yè)和汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如電子封裝用復(fù)合材料、計(jì)算機(jī)光盤、汽車剎車盤等，促進(jìn)這些工業(yè)成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。1.4本文研究容本文實(shí)驗(yàn)采用粉末冶金法制備碳化硅鋁復(fù)合材料。制定不同的試驗(yàn)配方和燒結(jié)溫度來(lái)制備不同標(biāo)準(zhǔn)的試樣。然后通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行XRD,SEM測(cè)試，來(lái)確定試樣的成分，分析試樣在燒結(jié)過(guò)程中所發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，觀察其微觀形貌了解其部結(jié)構(gòu)從而更加直觀的了解試樣所發(fā)生的反應(yīng)。對(duì)試樣進(jìn)行密度、抗折強(qiáng)度，吸水率，氣孔率、洛氏硬度等物理性能的測(cè)試

39、。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析找出試樣性能最好的燒結(jié)溫度與SiC的含量。由物理性能的變化和區(qū)別來(lái)進(jìn)行理論分析，從而更加深刻的了解碳化硅鋁復(fù)合材料微觀現(xiàn)象，鞏固理論分析。 1.5工藝流程2 實(shí)驗(yàn)方法與容2.1實(shí)驗(yàn)方法2.1.1實(shí)驗(yàn)方法介紹 本實(shí)驗(yàn)采用了粉末冶金法來(lái)制備碳化硅鋁復(fù)合材料。采用此種方法制備碳化硅鋁復(fù)合材料具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：1) 粉末冶金法所使用的溫度較低，可有效減輕增強(qiáng)體與基體間的有害界面反制得的復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能；2) 顆?；蚓ы毰c基體混合較均勻，偏聚或團(tuán)聚現(xiàn)象不太嚴(yán)重；3) 增強(qiáng)體的加可以任意調(diào)節(jié)，體積分?jǐn)?shù)控制方便，成分比例準(zhǔn)確；4) 此法能夠制備其它方法所不能制備的鋁基復(fù)合材料

40、；2.1.2原料計(jì)算稱量與配置根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，共有四個(gè)試驗(yàn)配方、五個(gè)燒結(jié)溫度點(diǎn)；還有考慮到模具承載10g料。因此，每個(gè)配方的總重量為40g不變，再按照SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的要求，稱量不同原料。其中加入固定的鎂粉占總重量的10%。最后加入粘結(jié)劑，攪拌均勻。2.1.3冷壓成型將配置好的原料，每次稱量10g裝入模具用壓機(jī)進(jìn)行壓制。壓制所需的最大壓力為30 MPa。在30 MPa壓力下保壓2min，然后再卸壓脫模。壓制好的試樣可以在烘干箱50100圍進(jìn)行烘干。圖2.1模具示意圖Fig2.1 Mould drawing2.1.4低溫排膠 烘干后的試樣不可以直接拿去進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。必須先要經(jīng)過(guò)低溫排膠的過(guò)程。這是因

41、為試樣直接進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)的話會(huì)出現(xiàn)試樣開裂、斷裂現(xiàn)象；粘結(jié)劑必須排掉，不然在高下的釋放同樣會(huì)使試樣損壞。2.1.5高溫?zé)Y(jié) 高溫?zé)Y(jié)設(shè)備采用真空熱壓燒結(jié)爐。因?yàn)樘蓟桎X復(fù)合材料在高溫下極易被氧化，很難燒出產(chǎn)品來(lái)。采用真空熱壓燒結(jié)爐可以避免上述麻煩，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以控制升溫速率。2.2實(shí)驗(yàn)原料表2.1實(shí)驗(yàn)原料原料純度顆粒度產(chǎn)地鋁粉99.0%100200目鎂粉99.0%100200目SiC99.9%2微米實(shí)驗(yàn)室粘結(jié)劑普通膠水2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）稱量天平2）真空熱壓燒結(jié)爐3）測(cè)試抗折強(qiáng)度設(shè)備 （DKZ-5000型抗折實(shí)驗(yàn)機(jī)，中國(guó)建材技術(shù)裝備總公 司，市建筑材料儀器廠）4）水力天平5）洛氏硬度計(jì) （H

42、R-150A型洛氏硬度計(jì)，萊州市德川試驗(yàn)儀器）6）掃描電鏡 (JSM-6460L,日本侏式會(huì)社)7）XRD衍射儀2.4實(shí)驗(yàn)過(guò)程2.4.1試驗(yàn)配方實(shí)驗(yàn)采用四組樣品，分別在800、900、950、1000、1050五個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行燒結(jié)。表2.2試樣配方SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)燒結(jié)溫度SiC質(zhì)量（g）鋁粉質(zhì)量（g）鎂粉質(zhì)量（g）30%80036140%80045150%80054160%80063130%90036140%90045150%90054160%90063130%95036140%95045150%95054160%95063130%100036140%100045150%100054160%100

43、063130%105036140%105045150%105054160%10506312.4.2原料混合根據(jù)實(shí)驗(yàn)配方分別稱量不同質(zhì)量的鋁粉、鎂粉、碳化硅粉。依次放入坩堝中，注意加料的順序是先加料含量最多的，再加料含量最少的，最后加料含量其次多的。這做的目的是為了更好使原料混合均勻。原料加入坩堝后開始碾磨攪拌半個(gè)小時(shí)確保其混合均勻?；旌暇鶆蚝蠹尤脒m量的粘結(jié)劑即膠水，在進(jìn)行攪拌直至均勻。由于膠水揮發(fā)比較快，混合好的料可以直接去壓片。2.4.3冷壓成型配好的料不用腐，立刻進(jìn)行壓片。把上述配好的料每個(gè)配方準(zhǔn)備壓制4個(gè)樣，因此每次稱量10g，放入模具中壓制。壓制過(guò)程中加壓30MPa，保壓2min。然后

44、將壓制好的樣放進(jìn)烘干箱烘干后。 2.4.4高溫?zé)Y(jié)高溫?zé)Y(jié)的過(guò)程可以包含有低溫排膠的過(guò)程。具體方法是在真空熱壓燒結(jié)爐中先將爐子升溫至550600，注意升溫速率可設(shè)為1小時(shí)，不可過(guò)快。然后保溫2個(gè)小時(shí)。2小時(shí)之后繼續(xù)升溫至所需溫度點(diǎn)，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。具體燒結(jié)步驟：把壓制好的不同碳化硅質(zhì)量的樣品分成五組。放入真空熱壓爐在不同的溫度點(diǎn)燒結(jié)。燒結(jié)溫度點(diǎn)：800、900、950、1000、1050五個(gè)溫度。 （1）800試樣燒結(jié)設(shè)定：1個(gè)小時(shí)升溫至600，保溫一個(gè)小時(shí)。保溫過(guò)后再用1個(gè)小時(shí)升溫至800，保溫2個(gè)小時(shí)。最后冷卻到室溫，取出試樣。 （2）900試樣燒結(jié)設(shè)定：1個(gè)小時(shí)升溫至600，保溫一個(gè)小時(shí)。

45、保溫過(guò)后再用1個(gè)小時(shí)升溫至900，保溫2個(gè)小時(shí)。最后冷卻到室溫，取出試樣。 （3）950試樣燒結(jié)設(shè)定：1個(gè)小時(shí)升溫至550，保溫一個(gè)小時(shí)。保溫過(guò)后再用1.5個(gè)小時(shí)升溫至950，保溫2個(gè)小時(shí)。最后冷卻到室溫，取出試樣。 （4）1000試樣燒結(jié)設(shè)定：1個(gè)小時(shí)升溫至550，保溫一個(gè)小時(shí)。保溫過(guò)后再用1.5個(gè)小時(shí)升溫至1000，保溫2個(gè)小時(shí)。最后冷卻到室溫，取出試樣。 （5）1050試樣燒結(jié)設(shè)定：1個(gè)小時(shí)升溫至550，保溫一個(gè)小時(shí)。保溫過(guò)后再用2個(gè)小時(shí)升溫至1050，保溫2個(gè)小時(shí)。最后冷卻到室溫，取出試樣。 升溫曲線：圖2.3 1050升溫曲線圖Fig2.3 1050Temperature curve

46、2.5試樣測(cè)試試樣燒結(jié)完成以后，需要對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行氣孔率、密度、吸水率、洛氏硬度、抗折強(qiáng)度各種性能進(jìn)行測(cè)試。對(duì)試樣斷口進(jìn)行SEM掃描觀察，進(jìn)行XRD測(cè)試分析試樣成分。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.1試樣的微觀形貌分析A放大2000倍 B放大3000倍圖3.1試樣1 SEM照片F(xiàn)ig 3.1 Sample 1 photos of SEMC放大1500倍 D放大3000倍 圖3.2試樣2 SEM照片F(xiàn)ig 3.2 Sample 2 photos of SEM圖C和圖D是SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，燒結(jié)溫度為950時(shí)試樣分別放大1500倍和3000倍的SEM照片?？梢钥闯鲈嚇拥闹旅芏群芎?，碳化硅顆粒均勻分布在Al

47、基體中，SiC顆粒分布均勻。試樣的組織均勻、致密，其雜質(zhì)、氣孔等缺陷很少。其原因是高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中Al在高溫下呈現(xiàn)液相，SiC含量多更易均勻分布到Al中,更加致密。圖A和圖B是SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，燒結(jié)溫度為950時(shí)試樣分別放大2000倍和3000倍的SEM照片?？梢钥闯鲈嚇拥闹旅芏炔皇呛芎?，部不夠平整不均勻，原因有可能是SiC顆粒發(fā)生了團(tuán)聚或者是顆粒出現(xiàn)了偏析現(xiàn)象。但是好的現(xiàn)象是碳化硅顆粒分布在了Al基體中22。3.2試樣X(jué)RD成分分析圖3.3 XRD成分分析Fig 3.3 XRD composition analysis從圖3.2.1可看出本實(shí)驗(yàn)SiCp復(fù)合材料主要是A-Alumlnum

48、, B-Magnesum Silicon , C-Silicon Carbide , D-Alumlnum Carbide相?；w鋁合金的氧化物A1203未檢測(cè)到，說(shuō)明其含量極低；而其他研究者在SiCp/Al復(fù)合材料中觀測(cè)到的Si、MgO、MgAl204和MgSi03等在本實(shí)驗(yàn)樣品中未曾檢測(cè)到，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)中的復(fù)合材料中要么沒(méi)有這些相，要么量極少而檢測(cè)不出。原因是本實(shí)驗(yàn)工藝制備復(fù)合材料時(shí)的高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中采用真空熱壓燒結(jié)，氧化現(xiàn)象基本沒(méi)有發(fā)生。由于Mg的加入改善了Al和SiC之間的浸潤(rùn)性使之難以產(chǎn)生界面化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)有效抑制了鋁基體氧化23。3.3 試樣的抗折強(qiáng)度3.3.1溫度對(duì)抗折強(qiáng)度的影響由圖

49、3.3.1可以看出，當(dāng)SiC含量一定時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的升高，其抗折強(qiáng)度也隨增大。由此可以看出，隨著溫度的升高，SiC/Al復(fù)合材料的界面結(jié)合更好，強(qiáng)度增大。但是當(dāng)燒結(jié)溫度大于950時(shí)抗折強(qiáng)度就開始大大降低。其原因是當(dāng)溫度在1000或高于1000時(shí)，SiC與Al界面溶解以與生成Al4C3的界面反應(yīng):3SiC+4AlAl4C3+3Si這是碳化硅鋁復(fù)合材料制備過(guò)程中不愿意看到的，當(dāng)溫度高于950以后，鎂以與鋁都易被氧化，所以試樣的強(qiáng)度減小了。由此看出，950時(shí)的燒結(jié)效果是最好的20。圖3.4溫度對(duì)抗折強(qiáng)度的影響 Fig3.4The impact strength of concrete temper

50、ature3.3.2 SiC含量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響由圖3.5可以看出在燒結(jié)溫度不變的情況下，試樣的抗折強(qiáng)度隨著碳化硅含量的增加而增大。但是當(dāng)碳化硅含量大于50%時(shí)就開始減小了。隨著SiC顆粒含量的增加試樣的強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。在含量較少時(shí)，SiC顆粒充當(dāng)基體金屬不均勻形核的位置，形核位置增多可得到細(xì)小的基體晶粒，同時(shí)SiC顆粒減小了晶界的可動(dòng)性，也能起到強(qiáng)化作用，使合金強(qiáng)度增加。強(qiáng)度在SiC含量為50左右達(dá)到最大值。而后，繼續(xù)增大 SiC顆粒含量，強(qiáng)度反而下降。這是因?yàn)楫?dāng)SiC含量過(guò)少時(shí)，增強(qiáng)效果甚微，但是當(dāng)SiC顆粒加入過(guò)多時(shí)，其顆?？赡艹霈F(xiàn)偏析從而引起試樣致密度下降，孔洞增多，試樣變

51、得疏松，強(qiáng)度自然下降。在高含量SiC制備碳化硅鋁復(fù)合材料過(guò)程中，容易生成Al2O3顆粒，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度下降。圖3.5 SiC含量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響Fig 3.5The effect of SiC content on the strength3.4試樣密度、吸水率、氣孔率的測(cè)試3.4.1測(cè)試方法 （1） 用電子天平稱量試樣在空氣中的質(zhì)量m1。 （2） 用水力天平測(cè)量試樣吸水后的表觀質(zhì)量m2以與吸水后的試樣在空氣中的質(zhì)量m3。 （3） 用排水法測(cè)量式樣的體積V。 （4） 根據(jù)公式密度=m1/V; 吸水率：Wa= (m3-m1)/m1*100% 氣孔率：Pa=(m3-m1)/ (m3m2)*100%3

52、.4.2溫度對(duì)試樣密度、吸水率、氣孔率的影響 碳化硅含量一定的情況下，研究溫度對(duì)試樣密度、吸水率、氣孔率的響。由圖3.6， 圖3.7， 圖3.8可以看出隨著燒結(jié)溫度升高，試樣的密度也隨之增大，而試樣的吸水率、氣孔率卻減小了。由此可以說(shuō)明隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣致密，空隙越小越少，試樣的性能提高了。但是當(dāng)溫度高于950后密度減小，吸水率、氣孔率增大了。其原因還是由于Si和Al的界面溶解以與發(fā)生了界面反應(yīng)。溫度過(guò)高導(dǎo)致鎂和鋁被氧化，鋁和碳化硅的界面潤(rùn)濕性減小。應(yīng)產(chǎn)物往往是比較脆的尖晶石化合物，過(guò)度的界面反應(yīng)會(huì)形成界面脆性層，造成增強(qiáng)體的損傷和界面結(jié)合的惡化因此導(dǎo)致試樣孔洞增多，試樣變得疏松，密度、

53、吸水率、氣孔率自然下降。圖3.6燒結(jié)溫度對(duì)密度的影響Fig3.6The influence of sintering temperature to density圖3.7燒結(jié)溫度對(duì)吸水率的影響Fig3.7Sintering temperature on the bibulous rate圖3.8燒結(jié)溫度對(duì)氣孔率的影響Fig3.8 Sintering temperature on the influence of porosity3.4.3 SiC含量對(duì)試樣密度、吸水率、氣孔率的影響在試樣燒結(jié)溫度一定的情況下，改變SiC的含量。由圖3.9，圖3.10，圖3.11可以看出試樣的密度隨著SiC的含量

54、的增加而增大，相反其吸水率以與氣孔率卻減小了。這是因?yàn)镾iC含量較少時(shí)，SiC顆粒充當(dāng)基體金屬不均勻形核的位置，形核位置增多可得到細(xì)小的基體晶粒。顆粒表面活性更大，顆粒更容易團(tuán)聚，使得復(fù)合材料中的孔隙率增加和SiC顆粒間距離變大，同時(shí)復(fù)合材料顆粒間距的均勻程度也較差。但是當(dāng)SiC含量過(guò)多時(shí)，其界面發(fā)生界面反應(yīng)的可能性會(huì)大大提高其生成物Al4C3。Al4C3是以不連續(xù)的桿狀、棱狀或盤狀的形式存在并嵌入SiC和基體；同時(shí)Al4C3是一種脆性化合物，并有很強(qiáng)的吸水性，會(huì)顯著降低SiCp/Al復(fù)合材料的各種性能. 圖3.9 SiC的含量對(duì)密度的影響Fig3.9 The effect of SiC co

55、ntent on the density圖3.10 SiC的含量對(duì)吸水率的影響Fig3.10The effect of SiC content on the bibulous rate3.11 SiC的含量對(duì)氣孔率的影響Fig3.11 The effect of SiC content on porosity3.5試樣洛氏硬度的測(cè)試3.5.1 燒結(jié)溫度對(duì)洛氏硬度的影響圖3.12溫度對(duì)洛氏硬度的影響Fig3.12 The influence ofrockwell hardness sintering temperature在SiC含量不變的情況下，對(duì)燒結(jié)溫度不同的試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如圖3.12所示：隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣的硬度也隨之增大。在950達(dá)到最大值，溫度再升高硬度會(huì)顯著下降。其原因是在制備過(guò)程中如果溫度太高，則SiC顆粒易與Al熔體發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)，適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)有助于改善二者的浸潤(rùn)性而有益于基體和增強(qiáng)體之間的界面結(jié)合。但反應(yīng)產(chǎn)物往往是比較脆的尖晶石化合物，過(guò)度的界面反應(yīng)會(huì)形成界面脆性層，造成增強(qiáng)體的損傷和界面結(jié)合的惡化。因此當(dāng)溫度超過(guò)950時(shí)由于增強(qiáng)體的損傷和界面結(jié)合的惡化，試樣