原位合成SiC納米顆粒及SiC-Al復(fù)合材料的研究.pdf

1、SiC顆粒增強Al基復(fù)合材料由于其具有較高的比強度、比剛度、彈性模量、耐磨性和低的密度、較低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良性能，而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車以及電子行業(yè)等領(lǐng)域。作為復(fù)合材料的主要原料，SiC顆粒的顆粒尺寸、純度等，都對復(fù)合材料的性能有至關(guān)重要的影響。而現(xiàn)有的SiC顆粒增強金屬基復(fù)合材料的制各方法，比如粉末冶金法、攪拌熔鑄法、共噴射沉積法、無壓熔滲法等，都采用外加SiC顆粒的方法。然而，外加的SiC顆粒有很多的缺點:如SiC顆粒尺寸

2、比較大，易于團聚，在金屬中很難均勻分散;SiC顆粒和Al液的潤濕性非常差，外加的SiC顆粒表面很容易受到污染等，所以，很容易造成SiC顆粒與金屬基體界面的結(jié)合力差，增強效果不佳。因此，研究人員提出一種原位合成SiC顆粒來增強Al基復(fù)合材料的方法。原位合成SiC顆粒增強Al基復(fù)合材料相比于外加法合成的復(fù)合材料，增強體在基體內(nèi)部原位生成，增強體與基體的界面結(jié)合良好、界面干凈;合成的SiC顆粒尺寸小，均勻地分布在合金基體中，使增強效果有很好的

3、改善。然而，對于在金屬Al中原位合成SiC顆粒的研究較少報道，并且對原位合成SiC顆粒的機理也鮮有研究。因此，本課題對在Al合金中原位合成SiC顆粒及其合成機理做了基礎(chǔ)性的研究，探討了不同條件下合成SiC顆粒的溫度以及SiC生成的反應(yīng)過程，主要分析了Al基合金中Al及其它金屬元素占比、合成溫度對SiC顆粒的形貌、物相及生成量的影響，并對原位熱壓制備SiC/Al復(fù)合材料進行了探索。主要研究包括以下幾部分內(nèi)容:
　　(1)以石墨粉、S

4、i粉和Al粉為原料合成SiC顆粒。實驗結(jié)果表明:合成SiC顆粒的溫度低于750℃，并且隨著溫度和Al含量的升高SiC的含量也在增加;合成的SiC顆粒與Al結(jié)合較好。將合成的SiC中殘余的Si和Al用HF除去后進行微觀形貌分析，結(jié)果表明，合成的SiC顆粒為片狀和棒狀兩種不同的微觀結(jié)構(gòu)，顆粒的尺寸大約為100-500 nm，且合成的SiC顆粒尺寸隨著Al含量的增加而減小。
　　(2)采用石墨粉、Si粉和Mg-Al合金粉為原料合成SiC

5、顆粒。實驗結(jié)果表明:在Mg-Al合金中合成SiC的溫度也低于750℃，并且合成SiC顆粒的含量隨著溫度和Mg-Al含量的增加而提高。微觀形貌分析結(jié)果表明:Mg-Al合金中合成的SiC顆粒為片狀和棒狀兩種微觀形貌，合成的SiC顆粒尺寸大約為50-200 nm，且合成SiC顆粒的尺寸也隨著合金含量的增加而減小。由于Mg的添加，合成的SiC顆粒的尺寸相比于在金屬Al中有所降低，這表明金屬Mg的引入，可以減小合成的SiC顆粒尺寸。
　　(

6、3)引入少量Cr于Al中原位合成SiC顆粒。實驗結(jié)果表明:此條件下合成的SiC顆粒比Al中合成的顆粒尺寸有所減小。但是添加過量的Cr會形成大量的(Si，Al)2Cr合金，反而不利于SiC顆粒的合成。
　　(4)對鋁合金中原位生成SiC顆粒的合成機理進行了分析研究。研究得出，SiC的合成過程為:當石墨粉和Si粉、Al粉混合加熱時，石墨粉優(yōu)先與Al粉反應(yīng)，在低于750℃時生成Al4C3，而不是直接與Si反應(yīng)生成SiC。隨著合成溫度的升

7、高，Al4C3與生成的Al-Si合金中的Si反應(yīng)生成SiC。原位合成SiC顆粒的反應(yīng)機理為原位兩步法反應(yīng)合成機理，即先生成Al4C3，后Al4C3與Si反應(yīng)生成SiC。
　　(5)采用原位熱壓法制備出了SiC/Al復(fù)合材料。微觀結(jié)構(gòu)分析表明合成的SiC顆粒均勻地分布在金屬Al基體中。在SiC含量相同的條件下，抗彎強度測試結(jié)果表明:500℃加壓2.0 MPa制備的SiC/Al復(fù)合材料比300℃加壓2.0MPa制備的SiC/Al復(fù)合材