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酷工程環(huán)境的需要，因此對先進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80年代以來，美國和日本等國家對各類復(fù)合材料進行相關(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)良的顆粒增強型鋁基復(fù)合材料。其中，碳化硅顆粒增強的鋁基復(fù)合材料由于其優(yōu)良的導(dǎo)熱性、低的膨脹系數(shù)、高的比強度與比剛度、抗磨損性能以及近凈成型等優(yōu)點，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。本文主要對碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法和性能特點進行概述，以便全面了解碳化硅顆粒增強鋁基復(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，另外，本企業(yè)具有獨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，這是因為碳化硅破壞鋁基體表面的完整性，導(dǎo)致形成點腐蝕，而碳化硅的抗腐蝕性能又阻擋蝕孔擴大。

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)合材料的抗壓強度有影響。當(dāng)硅元素含量在鋁合金液中的含量高達11wt%時，無法生成Al4C3有害相。其依據(jù)是，在常壓下，溫度高于鋁熔點時，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，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，實現(xiàn)了高體積分數(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數(shù)碳化硅增強鋁基復(fù)合材料，著重研究無壓浸滲方法及其工藝參數(shù)對碳化硅增強鋁基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率的作用機理。研究發(fā)現(xiàn)，隨保溫時間、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)

針對高體積分數(shù)的 SiCp/Al復(fù)合材料陶瓷增強相含量高，從而導(dǎo)致機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。分析實驗結(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顆粒團聚的現(xiàn)象，拉伸強度逐漸降低，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)進行SiCp/6061鋁基復(fù)合材料的制備，實驗結(jié)果表明，隨著球磨的進行，鋁基體晶粒被明顯細化、位錯密度變大，而SiCp/6061鋁基復(fù)合材料抗拉強度也隨著球磨時間的增加而增加。

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，最好通過超聲波進行攪拌，從而提高SiC顆粒與Al基體間的潤濕性，并使增強體均勻分散于基體中，且沒有明顯的團聚現(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，進給速度為100mm/min)制備出碳化硅增強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)制備體積分數(shù)為30%不同粒徑碳化硅增強的鋁基復(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)合材料的拉伸強度隨著SiCp顆粒平均粒徑的增大而遞減，微米級SiC顆粒增強Al基復(fù)合材料的基體強化效應(yīng)以微觀組織結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致的位錯密度強化和Orowan彌散強化作用為主，隨著SiCp粒徑的減小，其位錯強化作用越顯著，且SiCp粒徑越小，SiCp顆粒的間距越小，Orowan強化越強。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，這主要是因為小粒徑的碳化硅顆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)進行SiC顆粒增強的鋁基復(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，通過拉伸實驗分析表明：隨著SiCp陶瓷粒徑增大，SiCp/2009Al復(fù)合材料屈服強度、拉伸強度均呈現(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化和高密度的位錯強化共同作用的結(jié)果，但延伸率與之呈現(xiàn)相反的作用規(guī)律，因為小粒徑SiCp顆粒易團聚，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數(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)的缺陷進行測量。試驗發(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)開展了大量的實驗和研究，但是目前關(guān)于碳納米管增強復(fù)合材料的研究成果仍較為零散，在增強金屬基復(fù)合材料的機械特性上的研究成果還是很少，這主要是因為碳納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，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)等來增強材料的力學(xué)性能，同時還有關(guān)于使用功能化碳納米管等方法來增強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鋁基復(fù)合材料的制備方法和性能特點進行了簡要概述。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、體積分數(shù)、配比、表面處理對碳化硅增強鋁基復(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)合強度，進而提高復(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、高性能碳化硅增強鋁基復(fù)合材料的工藝技術(shù)。