铝基碳化硅复合材料的制备技术

  由于单一材料不能满足严酷工程环境的需要，因此对先进材料需求的日益增长，尤其是有特殊性能的复合材料。20世纪80年代以来，美国和日本等国家对各类复合材料进行相关研究，并采用粉末冶金技术、熔铸技术、压力浸渗技术和无压浸渗等技术制备出性能优良的颗粒增强型铝基复合材料。其中，碳化硅颗粒增强的铝基复合材料由于其优良的导热性、低的膨胀系数、高的比强度与比刚度、抗磨损性能以及近净成型等优点，被大量应用于航空航天、汽车、电子封装、军工装备领域，成为金属基复合材料的研究热点。本文主要对碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法和性能特点进行概述，以便全面了解碳化硅颗粒增强铝基复合材料的发展状况。钧杰陶瓷专业技术创新精神、诚信合作、持续发展的理念。为新客户提供优异的品质，完善的服务，良好的信誉，另外，本企业具有独特的陶瓷件镜抛光技术，保证了我们的产品的亮度、色泽，光洁度等性能优于同类产品，受到广大客户的一致好评。钧杰陶瓷期待与大家一起合作。咨询钧杰陶瓷联系电话：134 128 56568。

1.熔铸技术

欧阳求保等采用熔铸技术生成复合材料坯料，再经热挤压加工SiCp/7A04铝基复合材料，并分析了碳化硅含量对复合材料腐蚀性能等影响，研究结果发现相对于7A04铝合金，SiCp/7A04铝基复合材料的抗腐蚀性能下降，且碳化硅含量越高其腐蚀速率越快，碳化硅尺度越大，抗腐蚀性能越好，这是因为碳化硅破坏铝基体表面的完整性，导致形成点腐蚀，而碳化硅的抗腐蚀性能又阻挡蚀孔扩大。

2.搅拌铸造技术

张建军等通过搅拌铸造技术制备出SiC体分比为10%碳化硅颗粒增强6168 铝基复合材料，着重研究了其高温下的热变形行为，构建了关于双曲正弦模型的流变应力和真应变的热变形本构关系。

3.无压浸渗技术

张家斯等利用无压浸渗技术，经过对SiC陶瓷颗粒的表面预处理、控制造孔剂添加量和优化浸渗历史，结合基体材料的成分组成，实现了不同粒径颗粒配比的SiCp/Al复合材料的制备，其基本工艺路线：首先控制并优化造孔剂的使用量，不同粒径的SiC配比预先获得具有不同孔隙率的SiC预制型，然后利用分级热处理工艺，在高浓度O2氛围中对SiC预制型进行氧化法加工处理，以期在碳化硅颗粒表面获得低温石英氧化膜，使SiC预制型可以更好地浸入到AlSiMg基体液中，降低了SiCp/Al材料的残余孔隙率，改善了复合材料的致密程度。此外，镁元素所占比重影响SiCp/Al材料残余孔隙率，所以镁元素含量对SiCp/Al复合材料的抗压强度有影响。当硅元素含量在铝合金液中的含量高达11wt%时，无法生成Al4C3有害相。其依据是，在常压下，温度高于铝熔点时，热力学上碳化硅表现为不稳定状态，即温度约为923K时，Al与SiC发生有害化学反应，生成Al4C3，反应式为

3SiC+4Al?Al4C3+3Si            
作为铝合金的重要组成部分，Si元素可有效降低不良Al4C3产物的产生，从而抑制Al和SiC的界面反应。因参与化学反应，SiC颗粒含量降低，进而降低SiCp/Al复合材料热力学性能，而且化学反应产物Al4C3呈非稳定状态，易与大气中的水蒸气发生反应产生脆性相Al(OH)3，从而使得SiCp/Al复合材料变脆，反应式为

Al4C3+12H2O?CH4+Al(OH)3               

李飞舟通过无压浸渗技术进行SiC/Al基复合材料，并研究了碳化硅平均粒径对复合材料显微组织、耐磨损性能等影响，研究发现，SiC/Al基复合材料残余孔隙率随着碳化硅粒径的减小而减小，致密度则呈现增加趋势，而摩擦系数和磨损速率则随碳化硅粒径的减小表现为先增大后减小的趋势。

4.凝胶注模+无压熔渗复合技术

刘君武等先通过凝胶注模技术制备碳化硅预制件，然后利用无压熔渗熔融态铝合金，实现了高体积分数约为60%-67%的SiCp/Al复合材料的近净成形。

5.复合粉末注射成型与无压浸渗技术

姜旭峰等利用粉末注射成型结合无压浸渗的方法制备出高体积分数碳化硅增强铝基复合材料，着重研究无压浸渗方法及其工艺参数对碳化硅增强铝基复合材料的热导率的作用机理。研究发现，随保温时间、保温温度的增加，复合材料的致密度随之增加，但材料的热导率随保温时间的增加而逐渐增加，随保温温度的增加呈先增加后减小的变化规律，这主要与碳化硅与铝基体间的界面热阻有关。

6.真空自渗复合高压浸渗技术

针对高体积分数的 SiCp/Al复合材料陶瓷增强相含量高，从而导致机加工和热成形困难且加工成本较高等问题，陈龙等以6063铸铝合金为复合材料基体合金，研究并开发出一种适用于高体分比SiCp/Al复合材料制备的真空自渗复合高压浸渗技术，实现了低能耗、高利用率和环境友好的复合材料近净成形加工。

7.真空热压烧结技术

倪增磊等针对液态法在制备SiCp/Al复合材料时SiC与Al基体间易形成不良界面反应等问题，通过真空热压烧结技术制备体分比分别为30%、25%和20%的SiCp/Al-30Si复合材料，分析碳化硅体分比对SiCp/Al-30Si微观结构、致密度、拉伸性能、热膨胀系数等热力学性能的影响。分析实验结果发现，随着碳化硅体分比的增大，微观组织中逐渐形成SiC颗粒团聚的现象，拉伸强度逐渐降低，且热膨胀系数也逐渐减小。

8.高能球磨+真空热压烧结复合技术

柳培等首先通过湿磨结合高能球磨技术预处理粒径比较高的6061铝粉和碳化硅粉末，然后通过真空热压烧结技术进行SiCp/6061铝基复合材料的制备，实验结果表明，随着球磨的进行，铝基体晶粒被明显细化、位错密度变大，而SiCp/6061铝基复合材料抗拉强度也随着球磨时间的增加而增加。

9.高能超声半固态复合技术

针对SiC颗粒与Al基体间润湿性较差等问题，张燕瑰等采用高能超声辅助半固态复合技术进行SiCp/Al复合材料的制备，其主要技术路线为：先采用渗流方法对SiC颗粒进行分散，然后将SiC置于半固态温度的铝熔体，最好通过超声波进行搅拌，从而提高SiC颗粒与Al基体间的润湿性，并使增强体均匀分散于基体中，且没有明显的团聚现象。

10.搅拌摩擦加工技术

Sharma等采用新型搅拌摩擦加工技术(转速为710rpm，进给速度为100mm/min)制备出碳化硅增强2014铝基复合材料，在搅拌摩擦加工过程中，由于动态再结晶的发生再结晶等轴组织产生，且制备出增强相颗粒均匀分布的无缺陷铝基复合材料。此外，Sharma还采用预制孔方法，首先在铝基体上多孔并将SiC颗粒置于预制孔中，然后通过搅拌摩擦加工技术制备出表面SiC/Al复合材料；另外一种方法可在搅拌头进给路径上布满SiC颗粒，然后制备出表面SiC/Al复合材料(见图1)。

11.雾化+粉末冶金复合技术

郝世明等通过雾化方法得到直径约10μm的2024Al粉末，采用粉末冶金技术制备体积分数为30%不同粒径碳化硅增强的铝基复合材料。研究发现，SiCp粒径越小，越容易发生明显的团聚现象，且在SiCp聚集和尖端的地方易出现空洞等缺陷，SiCp粒径越大，SiCp颗粒越易发生开裂和破碎等现象；SiCp/2024Al复合材料的拉伸强度随着SiCp颗粒平均粒径的增大而递减，微米级SiC颗粒增强Al基复合材料的基体强化效应以微观组织结构变化而导致的位错密度强化和Orowan弥散强化作用为主，随着SiCp粒径的减小，其位错强化作用越显著，且SiCp粒径越小，SiCp颗粒的间距越小，Orowan强化越强。8μm和15μm粒径的SiCp复合材料拉伸断口呈现Al基体撕裂和SiC颗粒断裂的形貌，25μm和40μm粒径的SiCp复合材料断口形貌以SiCp颗粒的破裂为主，这主要是因为小粒径的碳化硅颗粒由于与基体界面作用面积较小容易与基体发生剥离，而大粒径的碳化硅颗粒不仅所受载荷增大，而且SiC表面出现空洞、裂纹等缺陷的概率较大，因此，在同等受载情况下，大粒径的SiC更容易出现断裂。

12.化学镀铜与粉末冶金复合技术

徐金城等在碱性环境下对SiC颗粒作化学镀铜预处理，然后采用粉末冶金技术进行SiC颗粒增强的铝基复合材料的制备，通过对镀铜前后SiCp/Al复合材料的力学特性比较发现：经过SiC表面镀铜处理的SiCp/Al复合材料能够较成功地处理SiC陶瓷颗粒与Al基体的界面结合问题，增强SiCp/Al复合材料的综合力学性能；SiCp/Al的致密度随着碳化硅颗粒体分比的增加而降低，但显微硬度与抗拉强度则表现为先增加后下降的趋势。

13.粉末冶金技术

为避免高温下液固法制备SiCp/2009Al复合材料时界面处易形成有害的脆性相Al4C3，金鹏等采用粉末冶金技术制备具有不同SiCp颗粒尺寸、体分比为15%的SiCp/2009Al复合材料，通过拉伸实验分析表明：随着SiCp陶瓷粒径增大，SiCp/2009Al复合材料屈服强度、拉伸强度均呈现较小的趋势，并显著高于铝合金基体，这可能是基体中Cu与Mg金属间化合物沉淀强化和高密度的位错强化共同作用的结果，但延伸率与之呈现相反的作用规律，因为小粒径SiCp颗粒易团聚，而大粒径SiCp颗粒分布较均匀，分散效果明显优于小粒径颗粒，因此其复合材料的塑性较好。SiCp粒径为3.5μm和7μm的Al基复合材料断口形貌中既有SiCp颗粒的破裂又有Al基体界面处的撕裂。SiCp粒径为20μm的Al基复合材料，由于Al与SiC界面面积较大，随着载荷增大，通过界面传递到SiC颗粒的应力就较大，由于热挤压中伴随颗粒的破碎，SiC解理断裂比较明显。

边心宇等利用粉末冶金工艺加工出体积分数15%的SiCp/2009Al复合材料，并通过超声波无损检测技术对复合材料内的缺陷进行测量。试验发现，当量在0.8-0.9mm缺陷的SiCp/2009Al呈现良好的塑性与较高的比强度。

虽然在各种碳纳米管复合材料的领域已经开展了大量的实验和研究，但是目前关于碳纳米管增强复合材料的研究成果仍较为零散，在增强金属基复合材料的机械特性上的研究成果还是很少，这主要是因为碳纳米管与金属基体界面之间的结合特别弱，并且目前关于碳纳米管嵌入金属基体的分散性工艺还有待提高。在碳纳米管增强金属基复合材料的界面问题中，金属和碳纳米管之间的润湿和黏附结合很重要，当碳纳米管嵌入到熔融金属中时，两者能够得到充分的反应，但熔融金属会破坏碳纳米管的原子结构，目前碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法以粉末冶金为主。为了改善界面特性，常规方法是通过增加金属基体的成分、改善制备工艺和参数等来增强材料的力学性能，同时还有关于使用功能化碳纳米管等方法来增强碳纳米管与金属基体之间的界面结合。

本文针对几种主要的碳化硅增强铝基复合材料的制备方法和性能特点进行了简要概述。通过综合对比和分析发现，制备工艺与方法、碳化硅颗粒粒径、体积分数、配比、表面处理对碳化硅增强铝基复合材料的热力学性能有非常重要的影响。化学镀铜与粉末冶金等复合制备技术可以很好地提高界面结合强度，进而提高复合材料的总体力学性能，而搅拌摩擦加工技术因其制备的复合材料缺陷较小，也是一种极具潜力的制备方法，但由于其现在仅适用于表层复合材料的制备，因此具有一定限制性。综述几种制备方法，粉末冶金工艺及其复合制备工艺、搅拌摩擦加工技术是目前适合制备高质量、高性能碳化硅增强铝基复合材料的工艺技术。