碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备研究毕业论文Word文档格式.docx

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碳化硅是一种性能优良的非氧化物瓷材料，具有硬度高、耐磨、耐高温、成本低等优点，被广泛地用作颗粒增强体来制备金属基复合材料。

本文采用粉末冶金法利用微波真空烧结工艺制备了性能优异的铝基复合材料。

烧结工艺方面通过不同包埋方式研究对烧结体的外观影响；

原料制备方面通过对复合材料的增强体进行了表面氧化和表面镀铜改性，改善了增强体和基体之间的润湿性，较好地解决了界面结合问题。

并对复合材料的物理性能和力学性能进行了研究。

采用压制体外部包覆石棉层的包埋方式烧结可以使烧结体保温效果好，外观平整。

通过表面镀铜，可使铜颗粒包覆在碳化硅表面，改善碳化硅与金属基体的结合。

研究表明，从700℃～780℃烧结温度研究，最佳烧结温度为740℃；

经过表面改性的碳化硅粉增强铝基所得复合材料中碳化硅分布均匀，与铝的界面结合情况好；

复合材料的密度可以达到2.66g/cm3，达到理论密度的97.10%；

维氏硬度可达56.30MPa；

复合材料的抗弯、抗拉、抗压等力学性能均优于原碳化硅粉增强铝基所得复合材料，分别达到93.81MPa、7.00MPa、229.47MPa。

关键字：

碳化硅颗粒，铝基复合材料，微波真空烧结，表面改性，物理力学性能

ABSTRACT

SinceparticlesreinforcedAlmatrixcompositesshowsuperiorpropertiessuchashighstrengthathightemperatures,wearresistance,highspecificrigidityandeasytoprocess,theyarepaidmoreandmoreattentionbytheindustry.Silieoncarbideparticleisakindofhighperformancenon-metallicoxideceramicmaterial,whichhastheadvantagesofhighrigidityandwear-resistance,hightemperatureresistanceandlowcost,itiswidelyusedasreinforcedparticlestoproducemetalliccomposites.

Thispaperadoptspowdermetallurgyusingmicrowavevacuumsinteringprocessmethodofpreparationoftheexcellentperformancealuminummatrixcomposites.Sinteringprocessthroughthedifferentembeddingwaytotheappearanceofsinteredbodystudiesinfluence;

Rawmaterialsforthepreparationofcompositematerialsbytheenhancedbodysurfaceoxidationandsurfacemodificationofcopper,improvedtheenhancebodyandmatrixwettabilitybetweentobettersolvetheinterfacecombination.Andthephysicalpropertiesofcompositematerialsandmechanicalpropertieswerestudied.

Byuseofpressingbodyexternalcoatedlayersofembeddingwayasbestossinteringcanmakesinterheatpreservationeffectbetter,exteriorleveloff.Throughthesurfacecoating,canmakethecopperparticlescopperwrappedinsiliconsurface,improvethecombinationofsiliconcarbideandmetalsubstrate.Researchshowsthat,from700℃~780℃,sinteringtemperaturesinteringtemperatureforbest740℃;

Throughthesurfacemodificationofsiliconcarbidepowderenhancealuminumbaseincomeincompositematerialswithuniformdistributed,siliconcarbidealuminuminterfacecombination;

Compositedensitymaximumcanreach2.66g/cm3,whichcanreachthetheotydensity97.10%;

vickershardnesstiptop56.30MPa;

Compositebending,tensileandcompressivemechanicalpropertiessuchasthesiliconcarbidepowderweresuperiortoenhancealuminummatrixcomposites,achievedrespectivelyfrom93.81MPa,7.00MPa,229.47MPa.

Keywords:

SiCparticulate，Aluminummatrixcomposite，Microwavevacuumsintering，Surfacemodification，Physicalandmechanicalperformance.

第1章前言

复合材料是由两种或两种以上的材料通过先进的材料制备技术组合而成的性能优异的新材料。

复合材料的组分是人们有意选择和设计的，是一类性能可以设计的新型材料；

复合材料必须是人工制造的，是人们根据需要设计制造的材料，不是天然形成的；

复合材料必须由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在；

复合材料既保持各组分材料性能的优点，又具有单一组元不具备的优良性能[1]。

复合材料都是通过增强相的作用来增强基体的性能。

按加强相的类型可分为连续物加强和非连续物加强，而连续物加强通常指增强相是纤维状，非连续物加强是指加强相呈晶须、短纤维颗粒。

按基体分类可分为金属基复合材料，瓷复合材料、高分子基复合材料[2]。

非连续物和连续物作为金属基的增强物的研究开始于60年代，由于它们的发展速度不平衡，而纤维作金属基的增强物研究已由理论到实际应用阶段，它的某些性能优于颗粒增强，但其生产成本较高，存在各间异性，因而未能得到广泛应用，而颗粒作为金属基的增强物存在成本低廉各方同性，同时又能提高金属基各向面性能，因而受到国外材料工作者的重视。

如何选择增强物和基体，一般根据材料使用要求、环境、增强物和基体本身的参数来选择[3]。

选择颗粒增强的参数包括①弹性模量、②拉伸强度、③密度、④熔点、⑤热稳定性、⑥热膨胀系数、⑦尺寸形状、⑧与基体的相容性、⑨成本。

目前应用最广泛的是碳化硅颗粒，相应的金属基体主要为铝基。

第2章概论

2.1碳化硅颗粒增强铝基复合材料

近年来，铝基复合材料得到了令人瞩目的发展。

铝基复合材料以其重量轻，比强度大等优点广泛应用于航天，航空，高速列车，汽车等领域，并且铝基复合材料兼具高比强、高比模、耐高温、耐磨损等一系列性能，现在世界各国已有很多研究单位对铝基复合材料做了深入细致的研究，也已有些单位开始进行商品生产，因而很自然的铝基复合材料就成为受到普遍重视的焦点[4]。

碳化硅（SiC）是碳和硅原子以化学键结合的四面体空间排布的结晶体。

碳化硅通常是用石英砂和焦炭在电炉中高温还原而成的，碳化硅共价性很强，Si-C间键的离子性仅占14%，Si-C键的高稳定性赋予碳化硅具有高熔点、高硬度、化学惰性等特性，而且其硬度极高。

碳化硅颗粒增强材料的性能特点是熔点高、硬度高、弹性模量高、线胀系数小、高温下组织与性能稳定性好、耐磨性与耐蚀性好等[1]。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）在航天与太空、航空与导弹、微电子与其他领域均得到广泛的应用。

2.2碳化硅颗粒增强铝基复合材料的优点[5]

2.2.1材料各向同性

与长纤维金属基复合材料相比，碳化硅颗粒增强铝基复合材料基本上可视为各向同性，因而可以借用传统铝合金材料的设计理论进行结构设计。

这不仅使材料得到充分利用，而且还可以大大简化结构。

2.2.2良好的尺寸稳定性

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数随SiC含量的增加几乎呈线性下降，并且该复合材料的导热系数和比热均接近基体，因而该复合材料具有良好的尺寸稳定性，可以在温度变化剧烈的环境中使用，这在航空航天工业中是十分重要的。

2.2.3良好的耐高温性能

碳化硅颗粒增强铝基复合材料耐高温性能良好，抗氧化，具有较高的抗热冲击、抗热蚀能力。

2.2.4良好的力学性能

大量试验已经证明，碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有高比强度和比刚度，并且耐磨性能、耐疲劳性能良好，因而具有优异的力学性能。

2.2.5较低的断裂韧性

颗粒增强铝基复合材料的断裂韧性KIC一般只有15~27MPa·

m1/2，均低于相应基体合金的断裂韧性，这在一定程度上限制了颗粒增强铝基复合材料的推广应用。

2.3碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法

SiCp/Al复合材料的制备方法通常有粉末冶金法、压力铸造法、喷射共沉淀法、渗透法、固态扩散法、半固态搅熔复合法等。

各种方法的介绍如下：

2.3.1粉末冶金法

用粉末冶金法制造铝基复合材料[6]的工艺过程一般如下，先将增强体（通常是SiC、A12O3等材质的颗粒、晶须或短纤维）和激冷微晶铝合金粉采用机械手段均匀混合，进行冷压实，然后加热去气、在液相线与固相线之间进行真空热压烧结，就得到了复合材料坯料，再将坯料进行热挤压等热压力加工就可制成所要的零件。

或者取消对混合粉料的热压，把混合粉料密封于铝包套，直接进行热挤压，也可成功地制造出致密的铝基复合材料。

这种方法由于采用机械混合，较易制备颗粒均匀分布的复合材料，因而广泛地应用在实验室的基础研究中。

但其制备工艺成本高，而且复合材料的显微组织无法改变，在实际生产中难以制造大尺寸和形状复杂的零件。

2.3.2压力铸造法

压力铸造法制备SiCp/Al复合材料的过程，主要包括颗粒预制块的制备和液态铝合金在一定压力下渗入预制块中两部分[7]。

SiC颗粒在复合材料中分布的均匀性由预制块中颗粒分布的均匀程度决定，并取决于预制块的制备工艺。

复合材料的孔隙率和SiCp/Al界面结合状态则与压铸工艺参数密切相关。

SiCp/Al复合材料中SiC颗粒具有不规则外形并且在基体中均匀分布，复合材料中基本没有孔隙并且界面结合状态良好[8]。

经透射电镜观察，发现在SiCp/Al复合材料的基