高增强体含量的SiC/Al复合材料无压渗透法制备及性能研究

论文摘要

高增强体含量SiC/Al复合材料不仅具有高的比强度、比弹性模量和耐磨损等力学性能，还拥有低膨胀、高导热的热学性能，而且原材料价格低廉、性能可任意剪裁，无论用作结构件、还是功能构件，都有很大的发展潜力。探求低成本的制造工艺是当前该材料研究的热点。与诸多制造工艺相比，SiC预成形坯无压渗透工艺具有近净成形能力强、设备投入少等优点，因而成为一种极具经济竞争力的制备技术。本文在首先研究了SiC粉体氧化条件下的液态铝合金自发渗透现象及其机理。以此为基础，进一步探求了SiC/A1复合材料无压渗透法的简洁工艺。将SiC粉体低温自氧化结合成SiC预成形坯，于氮气气氛中将液态铝合金自发渗入SiC预成形坯内，成功制备出不同增强体粒度及含量的SiC/Al复合材料。应用金相显微镜、扫描电显微镜、透射电子显微、x-Ray、能谱等测试手段对复合材料进行成分、结构与形貌分析，并研究SiC粒度和含量对复合材料力学和热学性能的影响。在助渗剂镁的作用下，液态铝与SiCp表面的SiO2膜生成MgO和MgAl2O4，放出反应热，使熔渗前沿温度升高，有效改善了SiC与Al液之间的润湿性，诱发Al液自发向SiC粉体间隙中渗透。采用片状助渗剂Mg，Al液自发渗透前有一孕育期，渗透过程由Al液与SiC粉体表面的SiO2反应所控制，渗透速度较慢，浸渗高度与时间呈抛物线关系。采用Mg粉与SiC粉混合来诱发的铝液自发渗透几乎没有孕育期，其渗透过程也符合抛物线关系，但能获得比片剂Mg快得多的渗透速度。SiC粉体在1100℃氧化结合成SiC预成形坯的过程中，碳化硅和石墨同时发生氧化反应。石墨氧化成CO2去除后留下孔隙：碳化硅粉体因其氧化产生的SiO2膜的粘结作用而聚合在一起，形成陶瓷骨架。SiC粉体间的本征孔隙和石墨去除后留下的孔隙一起构成三维互连通的、开放的孔隙网络。因SiC氧化导致SiC坯体产生3～5％左右的线膨胀，膨胀量随石墨含量的增加而略有增大。通过调整石墨含量，能获得不同孔隙率SiC预成形坯。对于W28的SiC粉，能获得38～61％的孔隙率；对于W7的SiC粉，能获得47～63％的孔隙率。在900℃的氮气氛中，液态铝合金能自发渗入SiC预成形坯内颗粒间的孔隙，达到接近全致密。液态铝自发渗入后，SiC预成形坯无任何形状和尺寸的变化，易于实现近净成形。SiC-Al间存在厚度为0．3～0．5μm的MgAl2O4氧化物界面层，该界面层能有效阻止铝液与SiC的接触与反应。界面层与铝基体、SiC增强体都存在一定的位相关系。4H型和8F型SiC都能和MgAl2O4形成半共格结构，半共格张应力使MgAl2O4一侧产生位错和层错；MgAl2O4和Al则形成共格界面，晶格匹配性好，界面两侧没有发现因半共格产生的缺陷。SiC/Al复合材料的断裂方式以脆性断裂为主。裂纹走向主要沿着SiC-Al分界面、SiC与SiC间较脆弱的烧结颈扩展。延性的金属在裂纹扩展过程中产生少量的塑性变形后被撕裂。铝基体中引入高体积分数的SiC增强体后强度显著提高。弯曲强度并不随着增强体体积分数的增加而单调增加，过高的增强体含量反而使复合材料的强度下降。以Z1101为基的复合材料强度普遍高于以工业纯铝为基的复合材料强度。SiC/Al复合材料的弹性模量随着SiC含量的增加而增加，以ZL101合金为基体的都略高于以工业纯铝为基体的。铝基体中引入SiC能大幅降低其热膨胀系数（CTE）。SiC/Al复合材料的CTE都随温度的升高而增大；随着SiC含量的增加，复合材料的CTE快速降低；在SiC体积含量相同的情况下，含细颗粒SiC复合材料的CTE显著低于粗颗粒SiC的；金属基体CTE小的SiC/Al复合材料CTE相应也小。当SiC的体积含量从39％增至62％之间时，SiC（W28）/ZL101的导热系数从146W·m1·K1降至118W·m-1·K-1；当SiC的体积含量从37％增至53％之间时，SiC（W7）/ZL101的导热系数从136W·m-1·K-1降至118W·m-1·K-1。粗颗粒的SiC在相同体积含量下比细颗粒增强Z1101具有更高的导热率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 金属基复合材料
• 1.2 SiC颗粒增强Al基复合材料
• 1.3 电子封装用金属基复合材料
• p/Al电子封装材料的特性'>1.3.1 SiC_p/Al电子封装材料的特性
• p/Al电子封装材料的应用'>1.3.2 SiC_p/Al电子封装材料的应用
• 1.4 电子封装用SiC/Al复合材料的制造方法
• 1.5 高增强体含量SiC/Al复合材料国内研究现状
• 1.6 本论文研究意义及内容
• 参考文献
• 第二章 SiC/Al复合材料的自发渗透过程研究
• 2.1 引言
• 2.1.1 SiC/Al界面反应与润湿性研究概述
• 2.1.2 SiC/Al自发渗透机理研究概述
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 SiC的预处理
• 2.2.2 自发熔渗实验方法
• 2.3 实验结果分析与讨论
• 2.3.1 片状助渗剂引发的自发渗透
• 2.3.2 粉状助渗剂引发的自发渗透
• 2.3.3 自发渗透过程分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 SiC预成形坯的制备
• 3.1 引言
• 3.1.1 SiC预成形坯的制备方法
• 3.1.2 SiC多孔陶瓷成形所用的粘结剂
• 3.2 氧化结合SiC陶瓷坯体的制备
• 3.2.1 实验用原料
• 3.2.2 实验过程
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 SiC粉体氧化结合行为
• 3.3.2 低温氧化烧结制备SiC坯体
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 SiC/Al复合材料的无压熔渗法制备与组织结构
• 4.1 引言
• 4.2 SiC/Al复合材料的制备
• p/Al复合材料的密度和尺寸变化'>4.3 SiC_p/Al复合材料的密度和尺寸变化
• 4.4 SiC/Al复合材料的金相组织
• 4.5 SiC/Al复合材料渗透缺陷
• 4.6 SiC/Al复合材料界面形貌与结构分析
• 4.6.1 SiC-MgAl204界面结构
• 4.6.2 Al-MgAl204界面结构
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 SiC/Al复合材料的力学和热学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 SiC/Al复合材料的强度
• 5.3 SiC/Al复合材料的弹性模量
• 5.4 SiC/Al复合材料的热膨胀性能
• 5.5 SiC/Al复合材料的导热性能
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢