论文总字数：20798字

摘 要

分析对比了多种制备工艺，确定粉末冶金工艺作为本文优化方案的对象。并引用粉末冶金工艺制备SiCp/Al复合材料的性能数据，分析了工艺参数SiC体积分数、烧结温度以及热处理工艺对SiCp/Al复合材料性能的影响。SiC体积分数在0-20vol%时，非挤压态复合材料强度、硬度均与其成正比；而烧结温度在470℃-610℃时，同样与力学性能成正比，不过烧结温度一般取在570℃附近最佳；时效过程中力学性能存在峰值，经数据分析，性能峰值大约存在于时效时间20h左右。研究结果表明：(1)当SiC体积分数为20vol%时，SiCp/Al复合材料性能达到最佳。(2)最佳烧结温度为570℃，此时20vol%SiC增强Al基复合材料的抗拉强度为117Mpa，布氏硬度为72HB。(3)时效时间为20h时，强度和硬度均达到峰值。

关键词：SiCp/Al复合材料； 粉末冶金； 工艺优化； SiC体积分数； 烧结温度； 时效；力学性能

Abstract

Analyze and compare various preparation processes, and determine the powder metallurgy process as the object of the optimization plan in this paper. The performance data of SiCp/Al composites prepared by powder metallurgy process were cited, and the influence of process parameters SiC volume fraction, sintering temperature and heat treatment process on the properties of SiCp/Al composites was analyzed. When the SiC volume fraction is 0-20vol%, the strength and hardness of the non-extruded composite material are directly proportional to it; while the sintering temperature is 470℃-610℃, it is also proportional to the mechanical properties, but the sintering temperature is generally taken at 570℃ The best is nearby; there is a peak in mechanical properties during the aging process. After data analysis, the peak performance exists around the aging time of about 20h. The research results show that: (1) When the volume fraction of SiC is 20 vol%, the performance of SiCp/Al composite reaches the best. (2) The optimal sintering temperature is 570℃, at this time, the tensile strength of 20vol% SiC reinforced Al-based composite material is 117Mpa, and the Brinell hardness is 72HB. (3) When the aging time is 20h, both strength and hardness reach the peak.

Key words：SiCp/Al composite; powder metallurgy; process optimization; SiC volume fraction; sintering temperature; aging; mechanical properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2研究背景 2

1.3国内外研究现状 2

1.4 SiCp/Al复合材料概述 3

1.4.1铝基复合材料 3

1.4.2界面效应 4

1.4.3铝基复合材料的应用 5

1.5制备方法 5

1.5.1粉末冶金法 5

1.5.2喷射沉积法 6

1.5.3无压浸渗法 7

1.5.4搅拌铸造法 7

1.5.5挤压铸造法 7

第2章 制备工艺分析 9

2.1实验材料 9

2.2制备工艺 9

2.2.1粉末冶金 9

2.2.2喷射沉积 9

2.2.3无压浸渗 10

2.2.4搅拌铸造 10

2.2.5挤压铸造 10

2.2.6制备工艺对比 10

2.3材料性能表征 11

2.3.1抗拉强度 11

2.3.2硬度 12

2.3.3结论 13

2.4本章小结 13

第3章 工艺参数对材料性能的影响 15

3.1前言 15

3.2 SiC体积分数对性能的影响 15

3.2.1复合材料的密度 15

3.2.2复合材料的强度 16

3.2.3复合材料的硬度 17

3.3烧结温度对性能的影响 17

3.3.1复合材料的密度 17

3.3.2复合材料的强度 18

3.3.3复合材料的硬度 18

3.4热处理工艺对性能的影响 19

3.4.1复合材料的强度 19

3.4.2复合材料的硬度 20

3.5本章小结 20

第4章 结论 22

参考文献 23

致谢 25

附录A 26

附录B 27

1. 绪论

1.1研究目的及意义

我们的生活中如今被各种各样的科技制品充斥着，但是，要想让它们能够达到我们预期的效果，那么就需要对材料的性能有各种各样的要求，因此，材料的重要性也就不言而喻。随着科学技术的发展，对材料的要求也越来越高，材料的性能被不断的研究提升，而复合材料成了目前最有潜力的研究方向之一，复合材料一般指由多种材料复合而成的新型高性能材料，综合了原材料优异的性能并使其更加符合产品的性能要求。复合材料按照基体材料的不同可大致分成三类：聚合物基复合材料，金属基复合材料和陶瓷基复合材料。金属基复合材料的其中一个重要分支就是铝基复合材料，铝基复合材料因其优异的性能以及易于生产的特点而成为了材料工作者们热情追捧的研究方向。铝基复合材料的增强物有纤维、短纤维、颗粒等，而目前常用的颗粒增强材料有SiC、Al₂O₃等。

基体和增强物对于铝基复合材料的性能起着决定性的作用，另外，成型工艺也有可能对其造成影响；相比于基体合金，铝基复合材料具有更多的优异性能：1.低密度，一般仅为同等尺寸下钢制的1/3左右；2.比强度高，远超过基体铝合金，达到了一般钢的3倍；3.比刚度高，是普通钢的1.5～2倍；4.优良的耐高温性能；5.耐磨损性能好；6.结构稳定性优异，热膨胀系数小；7.疲劳性能大大提升以及拥有更优秀的断裂韧性。因此，铝基复合材料在各个领域都得到广泛重视，被大量使用其下属行业。

碳化硅（SiC）又被称作金刚砂，由艾奇逊于1891年在实验室偶然发现，并且在1893年的时候工业冶炼碳化硅的方法也正式面世。SiC由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，因此成为了铝基复合材料的主要颗粒增强物，所以关于SiC的研究有很多，比如Wang等人^[1]就曾利用不同导热系数的材料制作冻结模具来研究不同冻结法所制备的高孔隙度SiC陶瓷的结构与性能。SiCp/Al复合材料作为金属基复合材料中最为主要的一种研究产物，被大量应用于汽车、航空航天、电子和光学仪器、体育等领域。虽然SiC颗粒增强铝基复合材料获得了比SiC和Al基体更优异的性能，但是因多重因素导致的各类缺陷仍然无法完全消除，除此之外，还有部分对材料性能有害的界面反应，而如何尽可能地在保证性能的前提下降低缺陷对材料的不良影响以及减少有害界面反应是复合材料研究的主要方向。本次研究主要分析测试几种制备方法之间的优劣，然后探究较优的制备方法，并且针对该制备方法，调整制备过程中的工艺参数，优化设计出一种较优的制备工艺方案。

1.2研究背景

最原始的复合材料在古代便已经出现了，考古学者发现当时的半坡人，已经开始使用草梗合泥筑墙，且该方法一直沿用至今，到现在仍有一部分农村的房子是采用的这种方法。另外还有一些比较出名的有漆器、敦煌壁画等，漆器由麻纤维和土漆复合而成，距今已经有四千多年的历史了。

上世纪四十年代到六十年代，首次出现了玻璃纤维增强塑料，紧接着英国科学家又研制出了碳纤维。七十年代，美国杜邦公司开发出凯芙拉纤维，该材料制作出的防弹衣成为了当时性能最好的防弹衣，同样在七十年代，人们开始将碳纤维增强及凯芙拉纤维增强环氧树脂复合材料运用于飞机、火箭的主承力件上。八十年代到九十年代，铝基复合材料开始成为碳纤维增强金属基复合材料中应用最为广泛的材料。

目前来说，采用颗粒增强制备铝合金复合材料成本相对较低，而且原材料很丰富，制备工艺也较简单，同时产品性能优异，由此可见，其具有很大的发展潜力。可以预见，随着科学技术的不断发展，以及研究的不断深入，颗粒增强铝基复合材料将会在未来制造领域中占据极其重要的位置。

1.3国内外研究现状

目前铝基复合材料的制备工艺主要有以下几种：1.粉末冶金法，这是最早用来制备铝基复合材料的方法，发展到现在，已经是一门比较成熟的工艺了；2.无压浸渗法，这是20世纪80年代末由美国Lanxide公司提出来的，由于该工艺具有方法简单、便于操作、可近终成型地制造复杂零件等特点，而成为国内外当前研究的现状^[2]；3.搅拌铸造法，此方法工艺简单，易于操作且成本较低；4.喷射沉积法，这是复合材料的新型制备工艺，仅面世不过几十年，其产品性能优异；5.挤压铸造法，铸造是一种比较传统的工艺，更是从衍生出了众多各有特点的铸造方法，就比如挤压铸造法、压力铸造法等等。

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