高體份SiCpAl復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

高體份SiCp/Al復(fù)合材料研究現(xiàn)狀主要內(nèi)容2023/11/242NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart1引言Part2復(fù)合材料的制備方法Part3復(fù)合材料的性能特征Part4復(fù)合材料的應(yīng)用Part5問題及展望高體份SiCp/Al復(fù)合材料2023/11/243NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart1引言——1.1應(yīng)用背景SiCp/Al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)熱性等優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能，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，在電子封裝、熱控等方面得到尤為廣泛的應(yīng)用。高體份SiCp/Al復(fù)合材料可以通過調(diào)整設(shè)計(jì)增強(qiáng)體含量、鋁合金成分、兩相比例或復(fù)合材料的熱處理狀態(tài)等達(dá)到復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定、高導(dǎo)熱、高比剛度、高比強(qiáng)度等優(yōu)異性能，從而滿足航空航天領(lǐng)域?qū)﹄娮臃庋b材料的質(zhì)量要求，是一種優(yōu)異的電子封裝材料和精密設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料。2023/11/244NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYSiCp/Al復(fù)合材料是最近20年來在世界范圍內(nèi)發(fā)展最快、應(yīng)用前景最廣的一類不連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，被認(rèn)為是一種理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。國(guó)內(nèi)到目前為止還沒有出現(xiàn)高質(zhì)量高性能的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，雖然部分性能已達(dá)到國(guó)外產(chǎn)品的指標(biāo)，但在產(chǎn)品的尺寸精度上還存在不小的差距，另外制造成本太高，離工業(yè)化生產(chǎn)還有一段距離要走。從20世紀(jì)60年代開始研究金屬基復(fù)合材料到目前為止，研究最多的是鋁基復(fù)合材料，尤其是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。20世紀(jì)80年代初期，世界各國(guó)相繼開始研究碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。到20世紀(jì)70年代末，金屬基復(fù)合材料得到較快發(fā)展，在航天航空及其他軍事部門獲得應(yīng)用。Part1引言——1.2發(fā)展歷史2023/11/245NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart2復(fù)合材料的制備方法鋁基體狀態(tài)高體份SiCp/Al復(fù)合材料制備方法液態(tài)法原理和工藝粉末冶金法無壓浸滲法擠壓鑄造法真空壓力浸滲法液相擴(kuò)散交換法固態(tài)法2023/11/246NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY理論基礎(chǔ)：?jiǎn)我涣降腟iC的堆積難以獲得較高堆積密度，而將多種不同粒徑的SiC粒子按照合適比例混合則可以提高SiC堆積密度，從而獲得較高致密度材料。工藝：將顆粒與鋁粉按比例均勻混合，經(jīng)過壓制、燒結(jié)等一系列步驟后制成復(fù)合材料，或采用熱等靜壓方法制成復(fù)合材料錠塊，經(jīng)后續(xù)處理等工序制成產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)：(1)顆粒加入量可調(diào)，能準(zhǔn)確控制體積分?jǐn)?shù)；(2)制造溫度較低，所制得的復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能。缺點(diǎn)：(1)原料要求高：工藝條件有限制；(2)需進(jìn)行二次加工；(3)制造大尺寸零件和坯料有一定困難。壞2.1粉末冶金法Part2復(fù)合材料的制備方法2023/11/247NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart2復(fù)合材料的制備方法粉末冶金工藝流程燒結(jié)現(xiàn)象2023/11/248NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY影響燒結(jié)體性能的因素很多，主要是粉末體的性狀、成形條件和燒結(jié)的條件。燒結(jié)條件的因素包括加熱速度、燒結(jié)溫度和時(shí)間、冷卻速度、燒結(jié)氣氛及燒結(jié)加壓狀況等。根據(jù)研究人員實(shí)驗(yàn)結(jié)果，致密度較高的復(fù)合材料，其燒結(jié)有效溫度區(qū)間狹窄，因此有效控制合適的壓力以及升溫速率對(duì)于提高復(fù)合材料的致密性有著顯著作用。壓力溫度升溫速率燒結(jié)Part2復(fù)合材料的制備方法2023/11/249NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY不同燒結(jié)溫度SiCp/Al復(fù)合材料的XRD圖SiCp/Al復(fù)合材料的維氏硬度、電阻率、氣孔率與燒結(jié)溫度關(guān)系曲線不同保溫時(shí)間下SiCP/Al復(fù)合材料的XRD圖SiCp/Al復(fù)合材料的維氏硬度、電阻率、氣孔率與保溫時(shí)間關(guān)系曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：燒結(jié)工藝為550℃×2h時(shí)，復(fù)合材料的物相沒有明顯變化；無其他雜質(zhì)晶粒偏聚和富集，界面光滑且結(jié)合緊密；復(fù)合材料顯微硬度大、電阻率小、氣孔率小，綜合性能最佳。Part2復(fù)合材料的制備方法壓力對(duì)燒結(jié)過程的影響：在燒結(jié)的初期主要表現(xiàn)為鋁粉間、鋁粉與碳化硅顆粒間的相互擠壓，壓力越大，相互接觸的面積越大，坯體的孔隙越少；在燒結(jié)中期，壓力越大，顆粒間相互熔合部分越多，顆粒表面產(chǎn)生的變形越大，鋁粉塑性變形能力越強(qiáng)，鋁粉間、鋁粉與碳化硅顆粒間的孔隙越??；在燒結(jié)后期，壓力越大，碳化硅顆粒對(duì)處于融熔狀態(tài)的基體的擠壓越大，基體對(duì)孔隙的填充能力越強(qiáng)，樣品也更易致密化，但同時(shí)也更易流出液體。升溫速率對(duì)燒結(jié)過程的影響：一些小的孔隙會(huì)被熔融的金屬所包圍，形成局部的封閉氣孔，由于時(shí)間短而不能及時(shí)排出而置留在樣品中使樣品的致密度受到影響；太快的升溫速率將導(dǎo)致局部的溫度過高，熔融液相的量在較短時(shí)間內(nèi)急增，在壓力作用下被擠出。2023/11/2410NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart2復(fù)合材料的制備方法2023/11/2411NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY理論基礎(chǔ)：(1)液體的表面張力，即液體對(duì)固體的潤(rùn)濕性；(2)液體在自身重力作用下滲入多孔固體，即浸滲模型。工藝：將增強(qiáng)體用粘結(jié)劑粘結(jié)，制成預(yù)制坯，然后在滲透氣氛中，澆注金屬液，利用金屬液體的自重壓力和表面張力，使其滲透到預(yù)制坯中，凝固后即成。優(yōu)點(diǎn)：(1)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉；(2)尺寸精確；(3)能夠制造大尺寸及形狀復(fù)雜的零件，實(shí)現(xiàn)近終成形。缺點(diǎn)：(1)生產(chǎn)周期長(zhǎng)；(2)制造溫度較高，界面反應(yīng)嚴(yán)重；(3)只能在一定的條件下實(shí)現(xiàn)，即合金含Mg和氮?dú)獗Ｗo(hù)。2.2

無壓浸滲法Part2復(fù)合材料的制備方法2023/11/2412NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart2復(fù)合材料的制備方法粉末注射成形法制備SiC骨架：首先將經(jīng)氧化處理后的SiC粉末與粘結(jié)劑按一定比例裝載量均勻混合制成喂料，然后通過注射成形制得SiC素坯.最后，SiC素坯經(jīng)溶劑脫脂、熱脫脂和預(yù)燒結(jié)而獲得所需SiC骨架。無壓浸滲過程：按照SiC骨架的空隙率計(jì)算所需Al合金用量，將其壓制成塊。浸滲時(shí)將Al合金塊和SiC骨架放置在氣氛爐中，按一定升溫制度將氣氛爐升至浸滲溫度，經(jīng)一定時(shí)間保溫后使樣品隨爐冷卻。無壓浸滲制備工藝2023/11/2413NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY無壓浸滲SiC/Al復(fù)合材料的微觀形貌(體積分?jǐn)?shù)65%SiC)無壓浸滲高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al復(fù)合材料成分XRD(體積分?jǐn)?shù)65%SiC)Part2復(fù)合材料的制備方法增強(qiáng)相顆粒分布均勻,材料致密度很好,沒有大的縮松和氣孔等缺陷等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)SiC顆粒與基體之間的界面清晰,結(jié)合良好。2023/11/2414NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY預(yù)燒溫度與SiC骨架孔隙率和開口孔隙率的關(guān)系浸滲溫度與復(fù)合材料相對(duì)密度的關(guān)系SiC顆粒經(jīng)高溫氧化處理，可顯著提高復(fù)合材料的密度。經(jīng)過高溫處理，SiC表面變得清潔，同時(shí)SiO2薄膜加厚。SiO2薄膜的存在可在一定程度上改善鋁合金熔液與SiC顆粒之間的潤(rùn)濕性，從而促進(jìn)鋁合金熔液對(duì)SiC骨架的浸滲.浸滲溫度對(duì)SiC骨架與鋁液間潤(rùn)濕性的影響較大.浸滲溫度低于1000℃時(shí)，SiC骨架與鋁液間的潤(rùn)濕性較差，復(fù)合材料的密度較低。當(dāng)SiC骨架與鋁液間的潤(rùn)濕性得到顯著改善后，所制備的復(fù)合材料具有較高密度。Part2復(fù)合材料的制備方法2023/11/2415NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart2復(fù)合材料的制備方法SiCp/Al系統(tǒng)的潤(rùn)濕問題：SiC顆粒屬于共價(jià)鍵結(jié)合，而鋁則以金屬鍵相結(jié)合，鋁熔體表面上存在一層薄的A12O3膜，阻止了SiCp與Al的直接接觸，故二者之間的化學(xué)相容性差，即SiCp/Al系統(tǒng)的潤(rùn)濕性較差。實(shí)際上，SiCp/Al潤(rùn)濕是SiCp/(A12O3)Al的潤(rùn)濕。SiCp的潤(rùn)濕決定了SiCp/Al界面接合程度的好壞，從而對(duì)最終形成的鋁基復(fù)合材料的性質(zhì)有著重要的影響。其它一些諸如溫度、保溫時(shí)間、界面反應(yīng)等因素對(duì)SiCp/Al的潤(rùn)濕也起著重要的影響。一般而言，界面上存在界面反應(yīng)有利于潤(rùn)濕，能降低接觸角

(潤(rùn)濕角)，這主要是由于生成的物質(zhì)在性質(zhì)上更具有金屬性，可以更好與金屬基體相結(jié)合。改善潤(rùn)濕性的方法涂層技術(shù)：SiC顆粒表面涂上金屬或氟化物可以提高固體的表面能，用新形成的陶瓷/金屬界面來代替原來結(jié)合性不好的界面，從而提高了潤(rùn)濕性。添加合金元素：在鋁基體中加人Mg、Li、Ca等合金元素，可改善SiCp/Al的潤(rùn)濕，而堿土金屬M(fèi)g是其中最為有效的添加劑。2023/11/2416NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY擠壓鑄造法制備金屬基復(fù)合材料，即是在壓力下將液態(tài)金屬滲透到多孔的增強(qiáng)相預(yù)制塊中去。首先對(duì)壓鑄模具和顆粒預(yù)制塊進(jìn)行預(yù)熱，再將液態(tài)鋁澆入模具，最后通過壓頭施加壓力，液態(tài)鋁則在壓力作用下從上至下滲入多孔的預(yù)制塊中，預(yù)制塊中的空氣從透氣性石墨墊塊與機(jī)座的空隙排出。優(yōu)點(diǎn)：(1)施加壓力可以較大；(2)可實(shí)現(xiàn)近終成形（凈成形）；(3)材料致密度和均勻性較好。缺點(diǎn)：制備形狀復(fù)雜的零件較為困難。2.3

擠壓鑄造法Part2復(fù)合材料的制備方法2023/11/2417NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart2復(fù)合材料的制備方法擠壓比壓保溫時(shí)間澆鑄溫度模具預(yù)熱溫度工藝參數(shù)擠壓鑄造用模具簡(jiǎn)圖2023/11/2418NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart2復(fù)合材料的制備方法SiCp/LD2復(fù)合材料與基體合金在不同時(shí)效溫度下的硬度曲線40%SiCp/LD2復(fù)合材料(a)及基體合金LD2(b)經(jīng)固溶淬火后在不同升溫速度下的DSC曲線時(shí)效處理2023/11/2419NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart2復(fù)合材料的制備方法時(shí)效特征(1)對(duì)于高體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料而言，SiC顆粒加入而帶來的彌散強(qiáng)化作用可大大提高基體合金的硬度和強(qiáng)度；但是復(fù)合材料本身經(jīng)過時(shí)效處理所獲得的強(qiáng)化效果并不明顯。(2)溫度對(duì)SiCp/LD2復(fù)合材料的時(shí)效析出有一定的影響，隨著時(shí)效溫度的升高，時(shí)效析出過程加快，時(shí)效峰提前。高體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料在130

C低溫時(shí)效時(shí)峰值硬度最高且時(shí)效過程遠(yuǎn)比基體合金提前。2023/11/2420NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY75%SiCp/2024Al復(fù)合材料顯微組織照片

(a)氧化處理;(b)未氧化處理75%SiCp/2024Al復(fù)合材料斷口形貌

(a)未氧化預(yù)制體;(b)氧化預(yù)制體對(duì)預(yù)制體氧化處理使得復(fù)合材料具有更多的孔隙，因此預(yù)制體經(jīng)氧化處理的復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性均低于未氧化處理的復(fù)合材料。Part2復(fù)合材料的制備方法2023/11/2421NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY預(yù)先制備好的柱狀顆粒預(yù)制件安裝固定在壓鑄模具，加熱抽真空，對(duì)顆粒預(yù)制件作預(yù)熱和真空除氣處理。同時(shí)，鋁錠在真空爐中熔化。保溫足夠時(shí)間使溫度場(chǎng)達(dá)到均勻化后，通入高壓惰性氣體，使熔融鋁液在真空和壓力作用下，滲入顆粒預(yù)制件。優(yōu)點(diǎn)：(1)施加壓力可以較大，生產(chǎn)時(shí)間短；(2)可實(shí)現(xiàn)近終成形；(3)材料致密度和均勻性較好。缺點(diǎn)：(1)生產(chǎn)費(fèi)用較高；(2)制備形狀復(fù)雜的零件較為困難。2.4

真空壓力浸滲法Part2復(fù)合材料的制備方法2023/11/2422NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart2復(fù)合材料的制備方法鋁液真空壓力浸滲SiC預(yù)制型對(duì)真空度、浸滲溫度、壓力和保壓時(shí)間等工藝參數(shù)很敏感。其中,真空度越高,浸滲過程中形成的反壓就越小,浸滲更容易進(jìn)行;而滲流溫度越高,金屬液粘度越小,越有利于滲流的進(jìn)行,但浸滲溫度對(duì)界面反應(yīng)影響明顯,一般要求盡可能在較低的溫度條件下浸滲;在浸滲過程中,減少保溫時(shí)間和降低浸滲溫度,在一定程度上可減輕界面反應(yīng)。SiCp尺寸越小,其堆積的多孔體孔隙尺寸也越小,其相應(yīng)的粘性阻力和金屬液前沿的附加壓力就越大,鋁液的滲流就越困難。真空壓力浸滲設(shè)備示意圖2023/11/2423NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY2.5

液相擴(kuò)散交換法在高溫下將反應(yīng)粘結(jié)的SiC-Si材料浸入鋁合金液體中，Si相被Al或Al-Si相所替換，從而得到所需復(fù)合材料。工藝優(yōu)點(diǎn)：可以在空氣或氬氣等保護(hù)氣中進(jìn)行，所得材料組織均勻，性能可調(diào)。缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，控制較難。優(yōu)、缺點(diǎn)Part2復(fù)合材料的制備方法Liquid-exchangeprocessingandpropertiesofSiC–AlcompositesAbstractInthispaperwedemonstrateanovelliquid-exchangeprocesstoreplaceasecondarysiliconphaseinreaction-bondedsiliconizedsiliconcarbides(RBSC's)withaductilemetalreinforcementphase.WhenRBSCisexchangedwithpureAlorAl–Siliquid,secondaryphasesiliconisdissolvedandissubstitutedbyAlorAl–Sialloy.Theresultingcompositesshowimprovementsinfracturetoughness(single-edgeprecrackedbeamtechnique),withKICvalueupto8.6MPa·m1/2,comparedto3–4MPa·m1/2inotherwisesimilarsiliconizedsiliconcarbide.Increasedfracturestrength(fourpointflexure)wasalsoobservedaftertheliquidexchangeprocess.Theprocessingfurthermoreallowsthecoefficientofthermalexpansiontobeadjusted,andthethermalconductivityincreased,forelectronicpackagingapplications./action/displayAbstract?aid=7981577&fulltextType=RA&fileId=S08842914000404132023/11/2424NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart2復(fù)合材料的制備方法2023/11/2425NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY制備方法工藝特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)粉末冶金工藝復(fù)雜性能好工藝難度大無壓浸滲工藝相對(duì)成熟凈成形Mg、氮?dú)獗Ｗo(hù)擠壓鑄造工藝成熟致密性好工藝難度大壓力浸滲工藝成熟致密性好費(fèi)用高液相擴(kuò)散組織均勻過程難控制工藝復(fù)雜Part2復(fù)合材料的制備方法2023/11/2426NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart2復(fù)合材料的制備方法攪拌鑄造噴射共沉積高能超聲半固態(tài)復(fù)合激光粒子注入離心熔滲采用離心熔滲法可制備SiC顆粒含量高且分布均勻的SiCp/Al復(fù)合材料。在1070kPa離心力下,通過合理的SiC粒度配比,700℃時(shí)3次熔滲制備的SiCp/Al復(fù)合材料SiC含量(體積分?jǐn)?shù))可達(dá)63%。利用高能超聲處理的聲空化效應(yīng)與聲流效應(yīng)的協(xié)同作用，既改善了增強(qiáng)顆粒與基體合金的潤(rùn)濕性，又對(duì)基體合金具有細(xì)化晶粒、均勻化組織、除氣和除渣的效果。采用激光粒子注入方法在鋁基材料表面制備SiCp/Al顆粒增強(qiáng)層。SiCp/Al顆粒增強(qiáng)層相組成為：SiCp、Al、Al4SiC4和Si。SiC和Al是主要相，Al4SiC4和Si含量很少。2023/11/2427NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYPart3復(fù)合材料的性能特征良好的尺寸穩(wěn)定性良好的導(dǎo)熱性高比剛度高比強(qiáng)度耐磨、耐疲勞密度小，等良好的各向同性性能特征2023/11/2428NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY隨著SiC顆粒加入量的增加，復(fù)合材料的彈性模量基本呈線性關(guān)系提高，延伸率顯著降低，但強(qiáng)度性能并非單調(diào)的變化，當(dāng)SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)處于臨界點(diǎn)之前時(shí)，強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，達(dá)到峰值后隨之下降，繼續(xù)增大到一定程度后，材料出現(xiàn)脆性斷裂，說明在未發(fā)生屈服的情況下就已斷裂。力學(xué)性能：1、細(xì)顆粒能分擔(dān)大顆粒上的應(yīng)力，減弱應(yīng)力集中；2、界面對(duì)載荷傳遞作用可以嚴(yán)重影響彈性模量，界面的輕微反應(yīng)會(huì)使其結(jié)合增強(qiáng)；3、斷裂表面存在很高的位錯(cuò)密度，SiC顆粒會(huì)局限基體的塑性流變；4、固溶時(shí)效處理可顯著提高高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料的強(qiáng)度；等。Part3復(fù)合材料的性能特征2023/11/2429NORTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYSiC/Al復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(體積分?jǐn)?shù)65%SiC)兩種顆粒尺寸的SiC/Al復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的壓縮曲線(體積分?jǐn)?shù)65%S