碳化硅颗粒增强铝

1、LOGO 碳化硅颗粒增强铝基复合材料碳化硅颗粒增强铝基复合材料 碳化硅颗粒增强铝碳化硅颗粒增强铝 u设计思路设计思路 u组织和性能组织和性能 u生产工艺生产工艺 u应用与前景应用与前景 铝基体铝基体 n优点：含量最高优点：含量最高 ，不仅重量轻，质地，不仅重量轻，质地 坚，而且具有良好的延展性、导电性、坚，而且具有良好的延展性、导电性、 导热性、耐热性和耐核辐射性。导热性、耐热性和耐核辐射性。 n缺点：低强度、低刚度、不耐高温、缺点：低强度、低刚度、不耐高温、 抗腐蚀性抗疲劳性低。抗腐蚀性抗疲劳性低。 设计思路设计思路 设计思路设计思路 碳化硅增强体（碳化硅增强体（SiC） 晶体结构：菱面体的

2、晶体结构：菱面体的 -SiC和立和立 方体的方体的-SiC（称立方碳化硅（称立方碳化硅) 。-SiC由于其晶体结构中碳和由于其晶体结构中碳和 硅原子的堆垛序列不同而构成硅原子的堆垛序列不同而构成 许多不同变体，已发现许多不同变体，已发现70余种余种 。-SiC于于2100以上时转变以上时转变 为为-SiC。 性能：耐腐蚀、耐高温、化学性能性能：耐腐蚀、耐高温、化学性能 稳定、导热系数高、热膨胀系稳定、导热系数高、热膨胀系 数小、耐磨性能好。硬度很大数小、耐磨性能好。硬度很大 ，具有优良的导热性能，是一，具有优良的导热性能，是一 种半导体，高温时能抗氧化。种半导体，高温时能抗氧化。 设计思路设计

3、思路 u增强机制增强机制 1.Orowan强化机制强化机制 变形过程中，位错运动绕过变形过程中，位错运动绕过SiC 颗粒可以使强度增加，假设颗粒可以使强度增加，假设SiC颗颗 粒为球形，则强化效应为：粒为球形，则强化效应为： LGb/2 or 其中，其中，L为颗粒间距，为颗粒间距，b是位错的是位错的 柏氏矢量，柏氏矢量，G是基体的剪切模量。是基体的剪切模量。 设计思路设计思路 u增强机制增强机制 2.细晶强化细晶强化 SiC颗粒的存在诱发铝再结晶，从而颗粒的存在诱发铝再结晶，从而 细化晶粒。假设，每个细化晶粒。假设，每个SiC颗粒又发一个颗粒又发一个 晶粒形核，则所引起的的屈服强度的增量晶粒形

4、核，则所引起的的屈服强度的增量 与晶粒尺寸关系为：与晶粒尺寸关系为： 2/1 / DK ygrain 3/1 / )1( pp VVdD 颗粒的体积分数SiC是V其中， p 设计思路设计思路 u力学模型力学模型 1 .混合定律混合定律 在碳化硅增强铝的强化理论中，最简单化的是混合定在碳化硅增强铝的强化理论中，最简单化的是混合定 律。材料的弹性模量和屈服强度分别为：律。材料的弹性模量和屈服强度分别为： yrrymmyc rrmmc VV EVEVE 此模型，未考虑增强体形状等微观组织对性能的影响，此模型，未考虑增强体形状等微观组织对性能的影响， 该模型的预测力学性能的数值是实验值的上限。该模型的

5、预测力学性能的数值是实验值的上限。 设计思路设计思路 u力学模型力学模型 2.Eshelby理论理论 若用一个具有适当错配应变，有机体材料组成的渗入若用一个具有适当错配应变，有机体材料组成的渗入 体来描述真实的渗入体，他的应力场和真实渗入体的应体来描述真实的渗入体，他的应力场和真实渗入体的应 力场是相同的假定增强体是无限大，匀质，完整，且各力场是相同的假定增强体是无限大，匀质，完整，且各 向同性的弹性介质，在进行无限等分，在增强体内所有向同性的弹性介质，在进行无限等分，在增强体内所有 点的所受应力相同，然后模拟加入夹杂之后复合材料的点的所受应力相同，然后模拟加入夹杂之后复合材料的 应力应力-应

6、变行为。应变行为。 设计思路设计思路 u力学模型力学模型 3.有限元分析有限元分析 将求解域看成是由许多小的在节点出互相连接的子域构将求解域看成是由许多小的在节点出互相连接的子域构 成，单元内部点的待求量通过选定的函数关系查插值求得。成，单元内部点的待求量通过选定的函数关系查插值求得。 单元划分越细，结果越精确。单元划分越细，结果越精确。 组织和性能组织和性能 u宏观上分布均匀，微观下观察，宏观上分布均匀，微观下观察，SiC颗粒主要分颗粒主要分 布在树枝间和最后凝固的液相区，同时也有部分布在树枝间和最后凝固的液相区，同时也有部分 存在于初生晶内部作为凝固的核心，即被初生晶存在于初生晶内部作为凝

7、固的核心，即被初生晶 所吞陷。所吞陷。 碳化硅颗粒在金属中弥碳化硅颗粒在金属中弥 散分布，细小而均匀分散分布，细小而均匀分 布的纳米颗粒高教率地布的纳米颗粒高教率地 占据空间，颗粒间距较占据空间，颗粒间距较 小有效地控制晶粒长小有效地控制晶粒长 大，使组织细小而均匀大，使组织细小而均匀 组织和性能组织和性能 u 碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有如下特点：碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有如下特点： （1）良好的力学性能：良好的力学性能：较高的强度、模量、硬度、较高的强度、模量、硬度、较低的断较低的断 裂韧性裂韧性 （2）良好的化学性能：耐高温性，抗氧化性，）良好的化学性能：耐高温性，抗氧化性，耐磨性

8、和耐腐耐磨性和耐腐 蚀性蚀性 （3）具有良好的尺寸稳定性，可以在温度变化剧烈的环境中）具有良好的尺寸稳定性，可以在温度变化剧烈的环境中 使用使用 （4）具有具有各向同性，可以用传统各向同性，可以用传统铝合金铝合金材料的设计理论进行材料的设计理论进行 结构设计；结构设计； （5）可以利用传统的金属材料加工技术和设备来制造和进行可以利用传统的金属材料加工技术和设备来制造和进行 二次加工，因而可以降低成本；二次加工，因而可以降低成本； 生产工艺生产工艺 1.真空压力浸透法真空压力浸透法 u原理：原理： 先将增强体制成预制件，再将预制件放入先将增强体制成预制件，再将预制件放入 位于承压容器的模具内，抽

9、出预制件内的气体后位于承压容器的模具内，抽出预制件内的气体后 ，在真空和惰性气体的共同作用下，采用压力将，在真空和惰性气体的共同作用下，采用压力将 金属熔体由通道压入模具内，使之浸透预制件。金属熔体由通道压入模具内，使之浸透预制件。 u优点：（优点：（1）可直接制成复合零件，特别是形状复）可直接制成复合零件，特别是形状复 杂的零件。杂的零件。 （2）浸渍在真空进行，无气孔，疏松，）浸渍在真空进行，无气孔，疏松， 缩孔等缺陷。缩孔等缺陷。 （3）工艺简单，参数易控制）工艺简单，参数易控制 u缺点：设备比较复杂，工艺周期长，投资大，成缺点：设备比较复杂，工艺周期长，投资大，成 本本 高。高。 生产

10、工艺生产工艺 2. 喷射共沉淀法喷射共沉淀法。 u原理：原理： 用雾化法制取铝合金粉末的用雾化法制取铝合金粉末的 同时加入碳化硅增强颗粒，两种熔同时加入碳化硅增强颗粒，两种熔 体受到雾化喷射共同沉积在水冷板体受到雾化喷射共同沉积在水冷板 上，凝固得到铝基复合材料。上，凝固得到铝基复合材料。 u优点：（优点：（1）增强体颗粒与基体熔液）增强体颗粒与基体熔液 接触时间短，界面反应少接触时间短，界面反应少 （2）界面结合强度高，组织）界面结合强度高，组织 具有快速凝固特征，晶粒十分细小具有快速凝固特征，晶粒十分细小 。 u 缺点：缺点： （1）制备出的材料孔隙率）制备出的材料孔隙率 高，质量差高，质

11、量差 （2）增强颗粒利用率低，）增强颗粒利用率低， 沉积速度较慢，成本高。沉积速度较慢，成本高。 生产工艺生产工艺 3.挤压铸造法挤压铸造法 u原理：把碳化硅颗粒用适当的原理：把碳化硅颗粒用适当的 粘结剂粘结，按照设计要求制粘结剂粘结，按照设计要求制 成成 预制块放入浇铸模型中预制块放入浇铸模型中 ，预热到一定温度，然后浇入，预热到一定温度，然后浇入 基体金属液，立即加压，使熔基体金属液，立即加压，使熔 融的金属液浸透到预制块中，融的金属液浸透到预制块中， 在压力下凝固。在压力下凝固。 u优点：（优点：（1）设备简单，工艺简）设备简单，工艺简 单，稳定性好，生产周期短。单，稳定性好，生产周期短

12、。 （2）基本无界面反应，）基本无界面反应， 无需表面热处理。无需表面热处理。 u缺点：易出现气体或夹杂物，缺点：易出现气体或夹杂物， 缺陷较多。缺陷较多。 生产工艺生产工艺 4.粉末冶金法粉末冶金法 u优点：（优点：（1）增强体分）增强体分 布均匀，晶粒细布均匀，晶粒细 （2）可减少）可减少 界面反应，具有优界面反应，具有优 异异 力学性能。力学性能。 u缺点：（缺点：（1）工艺繁琐）工艺繁琐 （2）组织不）组织不 均匀，孔洞率较大，均匀，孔洞率较大， 必须进行二次加工必须进行二次加工 应用应用 u在航空航天上的应用在航空航天上的应用 在航空航天工业中，碳化硅颗粒增强在航空航天工业中，碳化硅

13、颗粒增强 铝被用来制造承重缩杆，直升机的导轨和铝被用来制造承重缩杆，直升机的导轨和 滑行着陆装置，导弹镶嵌结构，通用天线滑行着陆装置，导弹镶嵌结构，通用天线 架等。架等。 应用应用 u在汽车上的应用在汽车上的应用 碳化硅颗粒增强铝适用于制作抗磨碳化硅颗粒增强铝适用于制作抗磨 材料，如活塞，轴瓦等。此外，还可以材料，如活塞，轴瓦等。此外，还可以 用碳化硅颗粒增强铝制造油缸的内衬，用碳化硅颗粒增强铝制造油缸的内衬， 驱动轴等汽车零件。驱动轴等汽车零件。 应用应用 u在精密仪器上的应用在精密仪器上的应用 碳化硅颗粒增强铝具有较高强度的为碳化硅颗粒增强铝具有较高强度的为 屈服强度和压缩微变抗力，可以替代铍合屈服强度和压缩微变抗力，可以替代铍合 金制造惯性导航器件。在红外线自导导向金制造惯性导航器件。在红外线自导导向 系统中，用以替代原来的不锈钢，可减轻系统中，用以替代原来的不锈钢，可减轻