SiC颗粒增强铝基复合材料增强体颗粒预处理及工艺研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文SiC颗粒增强铝基复合材料增强体颗粒预处理及工艺研究姓名：刘凤国申请学位级别：硕士专业：@指导教师：王承志20100301沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 改善碳化硅颗粒与基体合金的润湿和使颗粒均匀分布在基体合金中是制备颗粒增强铝基复合材料的关键工艺步骤本文从碳化硅颗粒清洗、高温氧化处理以及电磁搅拌半固态复合三个方面对颗粒增强铝基复合材料制备工艺进行了研究 扫描电镜及电子探针能谱分析表明，碳化硅颗粒表面吸附的颗粒是亚微米级的 SiC 粉体和少量Fe、Mn、V、Ni 等杂质通过酸洗和浸泡冲洗可以有效地去除颗粒表面的这些有害吸附物，同时还可将粒径细小的颗粒剔除这有利于颗粒氧化处理、减轻复合时的颗粒团聚高温氧化处理实验表明：碳化硅颗粒尖角以及残留的亚微米级 SiC 粉体会优先发生氧化颗粒尖角的氧化具有钝化作用，将有利于减轻复合材料的局部应力集中氧化温度高则氧化增重明显；氧化增重速度随氧化时间延长先增加后减小，当达到 6h 时氧化速度趋近于平稳 较为系统地研究了增强颗粒加入方式、坩埚尺寸、电磁搅拌电流、搅拌频率以及坩埚内设置挡片等措施对复合浆料制备的影响结果表明，搅拌频率 6Hz，搅拌电流 500A，顶部加入方式，适当增加坩埚尺寸以及设置适当数量的挡片的条件下，通过电磁搅拌可以改善颗粒与熔体间的浸润性，并使颗粒在基体合金熔体中均匀分布。

关键词：颗粒酸洗；氧化；电磁搅拌；颗粒分布；复合材料 沈阳理工大学硕士学位论文 Abstract Improving the wetability between the molten aluminum alloy and SiC particles and the particles uniformly distributed in the aluminum matrix are the keys to prepare particle reinforced aluminum matrix composites. Pickling and oxidation of the SiC particles and the particles dispersed in semisolid aluminum slurry by electromagnetic stirring process were studied. SEM and EPMA analysis that the mainly surface impurities on SiC particles were submicron SiC particles and a little Fe, Mn, V, Ni. Pickling can delete the impurities effectively which is in favor of oxidation of SiCP and the controlling of the partile agglomerates. The oxidation treatment result showed that the sharp angles and submicron SiC particles on surface were the beginning oxidation place. The oxidation inactivation of sharp angles could alleviate local stress concentration in the composite. The oxidation weight gain was significant under high oxidation-temperature. Along with the increasing of oxidation time, the weight gain velocity increased at beginning and then decreased. Up to 6h oxidation, the weight gain velocity became stable. Effect of the reinforced particle addition method, crucible and baffle size, and stirring current, stirring frequency on the preparation of slurry had been studied. The results show that electromagnetic string can improve the wetability between particles and melt. The particles distributed in the matrix uniformly under frequency 6Hz and current 500A with top adding particles. Key words: particle pickling; oxidation; electromagnetic stirring; particle distribution; composites 第 1 章 绪论 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 复合材料概述 材料是社会进步的物质基础，是科学进步的里程碑。

最近几十年，随着科学技术的迅猛发展，特别是尖端的航空、航天、生物医学等领域的突飞猛进，人们对材料的要求越来越高、越来越严和越来越多因此，传统的单一材料已经不能满足生产生活的实际需要，这就促进了具有良好综合性能的复合材料的研究开发 实际上古代就出现了原始型的复合材料，例如用草茎和粘土做作建筑材料；11 世纪的蒙古人用牛筋和竹片制造的复合弓；沙石和水泥基体复合的混凝土[1]复合材料是由两种或两种以上异质、异性、异形的原材料通过某种工艺组合而成的一种新的材料新材料不但保留了原组分材料的主要特性，而且通过复合效应获得了原组分所不具有的新特性[2] 在工业上，结构复合材料通常是指高强度、高模量、脆性的增强体与低模量、韧性的基体材料经过特定的成形工艺和加工方法而获得的新的、具有优良综合力学性能的材料其中，铝基复合材料是复合材料中发展最早的一类，在金属基复合材料占有重要地位 1.1.1 铝基复合材料及主要类型 复合材料按照基体材料可分为树脂基复合材料、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料和纳米复合材料等五大类[3]铝基复合材料是以铝或铝合金为基体的金属基复合材料目前铝基复合材料的增强体主要是一些陶瓷材料或纤维材料，铝基复合材料可按增强体类型分为连续纤维增强铝基复合材料和非连续增强铝基复合材料，其中非连续增强铝基复合材料又可再分为颗粒增强、晶须增强、短纤维增强复合材料[4]。

连续增强铝基复合材料主要是指长纤维增强铝基复合材料，纤维比较长而且沈阳理工大学硕士学位论文 - 2 - 还是承力主元长纤维在沿轴方向上具有很高的强度和弹性模量，因而纤维增强铝基复合材料具有很高的强度和韧性但是由于连续纤维增强铝基复合材料有明显的各向异性，且增强体材料价格相对较贵，制备工艺复杂，因而目前只能应用于一些高性能材料的制备B 纤维、SiC 纤维、A12O3纤维、碳纤维是目前主要应用的几种连续纤维增强体[5] 非连续增强铝基复合材料，增强体主要是短纤维、晶须和颗粒根据复合材料的相关理论，对于非连续增强复合材料，其金属基体在承受外力载荷时起主导作用非连续增强铝基复合材料加入增强体的目的，主要是利用增强体材料的高硬度、热稳定性、尺寸稳定性弥补金属基体的不足，使复合材料拥有高弹性模量、高耐磨性、高硬度等短纤维增强体主要有硅酸铝、A12O3、C、氮化硼，长度一般为几毫米；颗粒增强体主要有 A12O3、SiC、VC、WC、ZrC、TiC、Si3N4、 ZrB2、MgO、Cr7C3、ZrO2等[6]由于增强体制备技术的发展，尤其是短纤维和颗粒增强体材料制备工艺的快速提高，使得短纤维和颗粒增强铝基复合材料的应用研究得到了较快的发展。

1.1.2 铝基复合材料的性能 铝基复合材料与传统的铝或铝合金相比，具有高比强度和高比模量；铝基复合材料的增强体一般为具有较高的硬度的陶瓷材料，因而复合材料的耐磨性也会有明显的提高；此外由于增强体与基体金属的复合效应使得新的复合材料尺寸稳定、热膨胀系数小、能够承受高温、抗疲劳、抗断裂、抗老化、耐腐蚀[7] 基体合金的成分和性能，增强体的种类、含量、分布以及增强体与基体的界面结合情况等决定了铝基复合材料的性能通过对成分配比、界面反应控制、复合工艺参数的系统整合和优化， 可以制备出具有优良综合性能的复合材料[8] 此外，铝基复合材料除了以上的性能特点外，又因为铝合金的制造和加工技术比较成熟，铝合金的价格相对于其它有色金属合金价格便宜，使得铝基复合材料制备成为当前研究的热点之一[9] 1.1.3 铝基复合材料的发展和应用 伴随着航空、航天和军事技术的发展和进步，人们对轻质的金属基复合材料第 1 章 绪论 - 3 - 的需求日益紧迫， 以 Al、 Mg 为代表的金属基复合材料的研究和发展已经走过了近半个世纪的历程上世纪 60 年代，以碳纤维和硼纤维为增强体的铝基复合材料研究在国外得到了初步研究和应用。

经过 20 多年的发展，铝基复合材料逐步得到发达国家的重视，以美国、日本、欧洲为首的一些国家和地区相继投入大量的人力、物力、财力到铝基复合材料的研究工作中，经过多年的科技攻关技术的积累，一些关键技术的突破使得铝基复合材料的制备工艺和技术有了很大的提高，一系列操作简单和成本较低的制备方法被研究开发铝基复合材料的应用也逐渐从航空、航天和军事领域扩展到汽车、体育器材等日常民生领域，这进一步拓展了铝基复合材料的应用范围， 从而降低了铝基复合材料研发的成本 美国 DWA 公司采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料制造了摩托车活塞，解决了该活塞的耐磨性问题[10] 日本日产公司采用碳化硅晶须增强铝基复合材料制造了汽车发动机连杆，日本本田公司则研制出 18-8 不锈钢长纤维增强铝基复合材料制造汽车连杆[11]美国的亚利桑那大学研制了一种超轻望远镜，其支架和副镜等也是铝基复合材料制造的此外，电子和光学仪器中的惯性导航系统的精密部件、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等也是由 SiC 颗粒增强铝基复合材料制造的[12] 我国对铝基复合材料的研究起步相对较晚，但经过科技工作者的几十年不断的艰辛探索，铝基复合材料的研究也取得了很大的成功。

如上海交通大学开发研制的碳化硅颗粒增强铝基复合材料制造的铝合金活塞，已通过长时间试车；兵器科学研究院 52 所宁波分所用普通制造方法制造的短纤维增强铝基复合材料环槽的活塞也已经用于汽车工业[13] 铝基复合材料由于其具有优良的综合性能，在航空航天和军事领域潜在市场很大，在汽车、体育器材、电子封装材料等民生领域应用前景十分广阔 1.2 SiC 颗粒增强铝基复合材料 连续增强铝基复合材料的主要是长纤维，由于其制造价格相对昂贵，因此应用受到很大限制颗粒增强铝基复合材料解决了纤维增强铝基复合材料增强纤维制备成本昂贵的问题，而且材料各向同性，克服了制备过程中出现的诸如纤维损伤、微观组织不均匀、纤维与纤维相互接触、反应带过大等影响材料性能的许多沈阳理工大学硕士学位论文 - 4 - 缺点[14] 所以颗粒增强铝基复合材料已成为当今世界金属基复合材料研究领域中的一个最为重要的热点，并日益向工业规模化生产和应用的方向发展 1.2.1 SiC 颗粒增强铝基复合材料的应用 碳化硅陶瓷材料有着非常优异的力学性能，如硬度高、耐磨性好、耐腐蚀、耐高温高压、抗老化等，能够在恶劣严酷的环境下正常工作，但它的脆性是其最大的弱点，在外力的作用下即使是不。