混合颗粒增强铝基复合材料组织与性能研究

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碳化硅和硅颗粒增强铝基复合材料作为一种新型材料,其质量仅为传统金属基复合材料的六分之一左右,且其膨胀系数可控,有良好的力学、热导性能及高强比等优点。采用真空热压烧结法制备复合材料,增强相分布均匀、体积可调、制备过程中不必经过全熔的高温状态,避免了铸造法带来的基体与增强相界面处发生反应的问题。Al-30Si合金颗粒与SiC颗粒的热膨胀系数相差不大,材料组织中残余应力很小,并且由于在真空热压烧结过程中多尺度硅相的析出,能够明显降低材料的热膨胀系数和热循环应力,增加材料的抗拉强度。课题利用Al-30Si合金粉末为基体,热膨胀系数较小的SiC颗粒为增强体,采用1000℃高温焙烧(不同时间)+水洗处理的方法对SiC颗粒进行预处理,采用真空热压法制备了混合颗粒增强铝基复合材料。利用JSM-5610型扫描电镜对试验材料的微观组织及断口形貌进行表征及能谱分析;利用D-8X射线衍射仪分析了复合材料的相结构;采用阿基米德排水法测定样品的密度;采用岛津AG-1250KN精密万能材料试验机测定试样的抗拉强度;在DSC差热分析仪上测试材料的熔点;在德国耐驰DIL402PC热膨胀仪上测定热膨胀系数;并运用Turner、Kerner理论模型对材料的热膨胀系数进行理论计算。分析了SiC处理工艺对其组织中颗粒分布状况的影响;研究了SiC颗粒体积分数及颗粒度对复合材料组织形态及抗拉强度、致密度、热膨胀系数及断口形貌的影响;探讨了SiCp、Sip与基体的界面结合机理。研究结果表明:真空热压烧结法制备混合颗粒增强铝基复合材料,最佳配比为:SiC颗粒体积分数为25%,粒径为13μm;Al-30Si粉末体积分数为75%,粒径为8μm。SiC颗粒经2h×1000℃焙烧+水洗处理后,颗粒尖角钝化、粗糙度增大,粉末在基体中的流动性增强,分布均匀,减少了组织中空洞的产生,组织致密;复合材料的抗拉强度为190MPa,热膨胀系数为10.8×10-6K-1,致密度为98.78%;SiCp/Al及Si/Al界面清晰、平直,界面结合良好,SiC未与基体发生反应。SiC与Al具有如下的匹配关系:[011]SiC//[011]Al(约差1~2),(111) SiC//(111)Al,(022) SiC//(022)Al,Al与SiC在{111}、(022)晶面上形成半共格相界。
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