摘 要

SiCp/Al陶瓷金属复合材料具高的比强度、比刚度、热导率、低密度、热膨胀系数等特点，在化工、电子封装、精密仪器、航空航天等领域有着广泛的应用。但SiC颗粒与金属Al熔体间的润湿性较差，存在有害的界面反应使两者界面结合较差，这对于复合材料的应用有着极大地限制。

本文使用粉末冶金法制备SiCp/Al金属陶瓷复合材料，讨论在不同粒径级配和不同烧结温度下，SiCp/Al的润湿以及界面结合的情况，用XRD、SEM、EDS分别对物相组成、断面形貌、元素组成与含量进行分析，测其孔隙率、抗弯强度、电导率、热扩散系数以表征其各项性能。实验所用粗颗粒为50.20μm~193.27μm，中颗粒粒径为28.68μm~117.11μm，细颗粒粒径为9.48μm~41.60μm，实验所设置的烧结温度梯度为900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃。

实验发现以颗粒级配为细：中：粗=1:1:2质量比制备的SiCp/Al金属陶瓷复合材料，孔隙率、抗弯强度、电导率、热扩散系数的性能相比其他颗粒级配的样品效果最好，从而可以确定最佳颗粒级配为细：中：粗的质量比=1:1:2；以最佳颗粒配比制备的SiCp/Al金属陶瓷复合材料在烧结温度为1050℃时，孔隙率、抗弯强度、电导率、热扩散系数均为最佳数值，此时的孔隙率为17.895%，抗弯强度为87.399Mpa，电导率为1.8224×106 s•m-1，热扩散系数为29.311 mm2/s。

关键词：SiCp/Al金属陶瓷复合材料；颗粒级配；烧结温度；润湿性；界面结合

Abstract

SiCp / Al ceramic metal composite material has the advantages of high strength, low density, low thermal expansion coefficient, high thermal conductivity and low cost. It is widely used in chemical, electronic packaging, precision instruments, aerospace and other fields. The physical properties have stringent standards and requirements. However, the wettability between SiC particles and metal Al melt is poor, and the existence of harmful interface reaction makes the interface between the two poor bonding, which is very limited for the application of composite materials.

In this paper, SiCp / Al cermet composites were prepared by powder metallurgy method. The wetting and interfacial bonding of SiCp / Al under different particle size gradients and different sintering temperatures were discussed. XRD, SEM and EDS were used to study the phase composition The results show that the porosity, flexural strength, electrical conductivity and thermal diffusion coefficient are used to characterize their properties. The coarse particles were in the range of 50.20μm ~ 193.27μm, the particle size was 28.68μm ~ 117.11μm, the fine particle size was 9.48μm ~ 41.60μm. The sintering temperature gradient set at 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃, 1050 ° C, 1100 ° C.

The results show that the properties of SiCp / Al cermets, porosity, flexural strength, electrical conductivity and thermal diffusivity of the prepared SiCp / Al cermets are better than those of the other particles The optimum particle size is as follows: the mass ratio of coarse: medium: coarse mass ratio = 1: 1: 2; the SiCp / Al cermet composite prepared with the best particle ratio is in the sintering temperature The porosity, flexural strength, electrical conductivity and thermal diffusivity are the best values at 1050 ℃. The porosity is 17.895%, the flexural strength is 87.399Mpa and the conductivity is 1.8224 × 106 s • m-1 , And the thermal diffusion coefficient is 29.311 mm2 / s.

Key words: SiCp / Al cermet composites; particle gradation; sintering temperature; wettability; interface bonding.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 SiCp/Al复合材料的应用 1

1.1.1 在航空航天与军事领域 2

1.1.2 在汽车行业 2

1.1.3 在电子和精密仪器中的应用 3

1.1.4 在体育器材行业 3

1.2 SiCp/Al复合材料的制备工艺 3

1.2.1 粉末冶金法 3

1.2.2 搅拌铸造法 4

1.2.3 液态金属浸渗法 4

1.2.4 喷射沉积法 4

1.2.5 原位合成法 5

1.3 制备工艺中存在的问题及改进工艺的方法 5

1.3.1 颗粒级配 5

1.3.2 孔隙率 5

1.3.3 润湿性 5

1.3.4 界面反应 6

1.3.5 改进工艺的方法 6

1.4 本设计研究目的和内容 6

第二章 实验 8

2.1 实验原料与仪器 8

2.2 实验过程与流程 9

2.3性能测试与表征 10

第三章 结果与讨论 13

3.1 SiC的氧化 13

3.2 孔隙率 15

3.3 XRD物相分析 16

3.4 复合材料断面分析 17

3.5 SiC颗粒与Al的界面分析 19

3.6 复合材料的抗弯强度 20

3.7 复合材料的电导率 21

3.8.复合材料的热扩散系数 22

第四章 结论与展望 24

4.1 结论 24

4.2 展望 24

致 谢 25

参考文献 26

第一章 绪论

金属基复合材料是指以金属为基体与增强体通过一定方法的复合而成的一类材料的统称，基体材料通常为纯金属或合金。作为复合材料的一个重要的分支，金属基复合材料在20世纪60年代末开始被人们所关注，它的出现，替代了具有明显缺点的聚合物基复合材料，同时又增添了许多优异的性能^[1]。例如钨纤维增强合金基复合材料因其耐高温性能出色而用于飞机发动机中，石墨/Al复合材料作为性能优异的结构材料用于卫星和航天飞行器上^{[2, 3]}。增强材料有很多种形式，比如颗粒、晶须、短纤维、长纤维、纳米管等，通常是颗粒粒径为0.1μm~100μm范围内的陶瓷或金属^[4]。陶瓷增强颗粒广泛用于金属基复合材料中，它能够直接增强材料的耐磨损性能和硬度。与其他基体复合材料相比，碳化硅增强铝基复合材料具有更好的性能，如高强度，更好的耐磨性，更高的刚度和更好的抗蠕变性，因而被广泛应用于航空航天、汽车和电子封装领域。随着科技的发展和生产技术的提高，这种材料的应用范围也逐步扩大，这也激发着人们对其结构和性能之间的关系进行广泛深入的研究^[5]。

1.1 SiCp/Al复合材料的应用

铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体，以金属或非金属颗粒、晶须、晶片或纤维为增强相的非均质混合物^[6]。相比于其他金属基复合材料，铝基复合材料，尤其是SiCp增强铝基复合材料，具有比强度和比刚度高，高温性能良好，材料抗疲劳性能好，耐磨，阻尼系数高，热膨胀系数小，密度低，电导率较高，良好的抗蠕变性^[5]等特点。相比于很多传统的金属结构材料，SiCp/Al 复合材料的弹性模量比钢制材料还要高，如：SiCp/Al 复合材料的弹性模量和比模量是45号钢的数倍^[7]；此外，SiCp/Al 复合材料还具有良好的尺寸稳定性，适用于温度改变较大、尺寸要求精确的仪器中，其材料密度约是铸铁的1/3，磨损率远低于灰铸铁，是理想的汽车刹车系统的材料，因此，作为金属基复合材料中的一个重要体系，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最为重要和常用的材料之一。根据增强体的不同，铝基复合材料可划分为纤维增强和颗粒增强铝基复合材料两种。纤维增强铝基复合材料具有比强度高、比模量大、高温抗氧化、良好的尺寸稳定性等优异性能，但其价格较为昂贵，制备要求严格，目前主要应用于航天航空领域，是制造航天飞机、火箭、人造卫星、空间站等的常用的结构材料^[8]。颗粒增强铝基复合材料不仅可用于精密仪器的制造和航空航天的结构材料中，还可以用来制造电子封装器件、汽车零部件、惯性导航系统的部件、大型发动机增压推进器等。

表1-2 SiCp/Al复合材料中SiCp、Al的物性参数^[9]