碳化硅颗粒增强铝基复合材料制备研究学士学位论文

1、北方民族大学 学士学位论文 论文题目: 碳化硅颗粒增强铝基复合材料 制备研究 院(部)名 称: 材料科学与工程学院 学 生 姓 名: 郭杰 专 业: 材料科学与工程 学 号: 20072864 指导教师姓名: 陈文明(教授) 论文提交时间: 2011 年 5 月 11 日 论文答辩时间: 2011 年 5 月 21 日 学位授予时间: 北方民族大学教务处制 摘 要 颗粒增强铝基复合材料具有优异的高温强度、高耐磨性、高比刚度等力学性能 和良好的可加工性等优点，近年来获得了长足发展。碳化硅是一种性能优良的非氧 化物陶瓷材料，具有硬度高、耐磨、耐高温、成本低等优点，被广泛地用作颗粒增 强体来制备金属

2、基复合材料。 本文采用粉末冶金法利用微波真空烧结工艺制备了性能优异的铝基复合材料。 烧结工艺方面通过不同包埋方式研究对烧结体的外观影响；原料制备方面通过对复 合材料的增强体进行了表面氧化和表面镀铜改性，改善了增强体和基体之间的润湿 性，较好地解决了界面结合问题。并对复合材料的物理性能和力学性能进行了研究。 采用压制体外部包覆石棉层的包埋方式烧结可以使烧结体保温效果好，外观平 整。通过表面镀铜，可使铜颗粒包覆在碳化硅表面，改善碳化硅与金属基体的结合。 研究表明，从 700780烧结温度研究，最佳烧结温度为 740；经过表面改性 的碳化硅粉增强铝基所得复合材料中碳化硅分布均匀，与铝的界面结合情况好

3、；复 合材料的密度可以达到 2.66g/cm3，达到理论密度的 97.10%；维氏硬度可达 56.30mpa；复合材料的抗弯、抗拉、抗压等力学性能均优于原碳化硅粉增强铝基所 得复合材料，分别达到 93.81mpa、7.00 mpa、229.47 mpa。 关键字：碳化硅颗粒，铝基复合材料，微波真空烧结，表面改性，物理力学性 能 abstract since particles reinforced al matrix composites show superior properties such as high strength at high temperatures,wear resis

4、tance,high specific rigidity and easy to process,they are paid more and more attention by the industry.silieon carbide particle is a kind of high performance non-metallic oxide ceramic material,which has the advantages of high rigidity and wear-resistance,high temperature resistance and low cost,it

5、is widely used as reinforced particles to produce metallic composites. this paper adopts powder metallurgy using microwave vacuum sintering process method of preparation of the excellent performance aluminum matrix composites. sintering process through the different embedding way to the appearance o

6、f sintered body studies influence; raw materials for the preparation of composite materials by the enhanced body surface oxidation and surface modification of copper, improved the enhance body and matrix wettability between to better solve the interface combination. and the physical properties of co

7、mposite materials and mechanical properties were studied. by use of pressing body external coated layers of embedding way asbestos sintering can make sinter heat preservation effect better, exterior level off. through the surface coating, can make the copper particles copper wrapped in silicon surfa

8、ce, improve the combination of silicon carbide and metal substrate. research shows that, from 700 780 , sintering temperature sintering temperature for best 740; through the surface modification of silicon carbide powder enhance aluminum base income in composite materials with uniform distributed, s

9、ilicon carbide aluminum interface combination; composite density maximum can reach 2.66 g/cm3, which can reach the theoty density 97.10%;vickers hardness tiptop 56.30 mpa; composite bending, tensile and compressive mechanical properties such as the silicon carbide powder were superior to enhance alu

10、minum matrix composites, achieved respectively from 93.81 mpa, 7.00 mpa, 229.47 mpa. key words: sic particulate，aluminum matrix composite，microwave vacuum sintering，surface modification， physical and mechanical performance. 目 录 第 1 章 前 言.1 第 2 章 概 论.2 2.1碳化硅颗粒增强铝基复合材料.2 2.2碳化硅颗粒增强铝基复合材料的优点.2 2.2.1材料

11、各向同性.2 2.2.2良好的尺寸稳定性.2 2.2.3良好的耐高温性能.3 2.2.4良好的力学性能.3 2.2.5较低的断裂韧性.3 2.3碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法.3 2.3.1粉末冶金法.3 2.3.2压力铸造法.3 2.3.3喷射共沉淀法.4 2.3.4渗透法.4 2.3.5固态扩散法.5 2.3.6半固态搅熔复合法.5 2.4微波烧结法的优点.6 2.4.1微波烧结的技术原理.6 2.4.2微波烧结的技术特点.6 2.5本文主要研究内容.7 2.6本文研究的目的意义.7 第 3 章 实 验.8 3.1实验工艺流程图.8 3.2实验原料及设备.8 3.2.1原始粉.8 3

12、.2.2 sic 表面改性.8 3.2.3实验仪器.10 3.3配料工艺.11 3.3.1配比.11 3.3.2混料.11 3.4压制工艺.12 3.5烧结工艺.12 3.6性能研究.13 3.6.1试样后处理.13 3.6.2密度的测定.13 3.6.3三点抗弯强度的测定.14 3.6.4压缩强度的测定.14 3.6.5抗拉强度的测定.15 3.6.6维氏显微硬度的测定.15 第 4 章 结果分析与讨论.16 4.1改性碳化硅方法的研究.16 4.1.1表面氧化改性 sic 分析.16 4.1.2表面镀铜改性 sic 分析.16 4.1.3改性后粉体 xrd 对比分析 .16 4.1.4改性

13、后粉体表观对比分析.18 4.2碳化硅烧结工艺的研究.19 4.2.1不同包埋方式对烧结体外观形貌的影响.19 4.2.2微波真空烧结工艺对烧结体烧失量的分析.19 4.3碳化硅颗粒增强铝基复合材料烧结体性能研究.20 4.3.1金相组织的研究.20 4.3.2不同改性方法对复合材料物理性能与力学性能的影响.21 第 5 章 结论.25 致 谢.26 参考文献.27 附录 外语文献原文、译文.29 第 1 章 前 言 复合材料是由两种或两种以上的材料通过先进的材料制备技术组合而成的 性能优异的新材料。复合材料的组分是人们有意选择和设计的，是一类性能可 以设计的新型材料；复合材料必须是人工制造的

14、，是人们根据需要设计制造的 材料，不是天然形成的；复合材料必须由两种或两种以上化学、物理性质不同 的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界 面存在；复合材料既保持各组分材料性能的优点，又具有单一组元不具备的优 良性能1。 复合材料都是通过增强相的作用来增强基体的性能。按加强相的类型可分 为连续物加强和非连续物加强，而连续物加强通常指增强相是纤维状，非连续 物加强是指加强相呈晶须、短纤维颗粒。按基体分类可分为金属基复合材料， 陶瓷复合材料、高分子基复合材料2。非连续物和连续物作为金属基的增强物 的研究开始于 60 年代，由于它们的发展速度不平衡，而纤维作金属基的增强物

15、 研究已由理论到实际应用阶段，它的某些性能优于颗粒增强，但其生产成本较 高，存在各间异性，因而未能得到广泛应用，而颗粒作为金属基的增强物存在 成本低廉各方同性，同时又能提高金属基各向面性能，因而受到国内外材料工 作者的重视。 如何选择增强物和基体，一般根据材料使用要求、环境、增强物和基体本 身的参数来选择3。选择颗粒增强的参数包括弹性模量、拉伸强度、密 度、熔点、热稳定性、热膨胀系数、尺寸形状、与基体的相容性、 成本。目前应用最广泛的是碳化硅颗粒，相应的金属基体主要为铝基。 第 2 章 概 论 2.1 碳化硅颗粒增强铝基复合材料 近年来，铝基复合材料得到了令人瞩目的发展。铝基复合材料以其重量轻

16、， 比强度大等优点广泛应用于航天，航空，高速列车，汽车等领域，并且铝基复 合材料兼具高比强、高比模、耐高温、耐磨损等一系列性能，现在世界各国已 有很多研究单位对铝基复合材料做了深入细致的研究，也已有些单位开始进行 商品生产，因而很自然的铝基复合材料就成为受到普遍重视的焦点4。 碳化硅(sic)是碳和硅原子以化学键结合的四面体空间排布的结晶体。碳化 硅通常是用石英砂和焦炭在电炉中高温还原而成的，碳化硅共价性很强，si-c 间键的离子性仅占 14%，si-c 键的高稳定性赋予碳化硅具有高熔点、高硬度、 化学惰性等特性，而且其硬度极高。碳化硅颗粒增强材料的性能特点是熔点高、 硬度高、弹性模量高、线胀

17、系数小、高温下组织及性能稳定性好、耐磨性及耐 蚀性好等1。 碳化硅颗粒增强铝基复合材料(sicp /al)在航天与太空、航空与导弹、微电 子及其他领域均得到广泛的应用。 2.2 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的优点5 2.2.1 材料各向同性 与长纤维金属基复合材料相比，碳化硅颗粒增强铝基复合材料基本上可视 为各向同性，因而可以借用传统铝合金材料的设计理论进行结构设计。这不仅 使材料得到充分利用，而且还可以大大简化结构。 2.2.2 良好的尺寸稳定性 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数随 sic 含量的增加几乎呈线性 下降，并且该复合材料的导热系数和比热均接近基体，因而该复合材料具有良 好的尺

18、寸稳定性，可以在温度变化剧烈的环境中使用，这在航空航天工业中是 十分重要的。 2.2.3 良好的耐高温性能 碳化硅颗粒增强铝基复合材料耐高温性能良好，抗氧化，具有较高的抗热 冲击、抗热蚀能力。 2.2.4 良好的力学性能 大量试验已经证明，碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有高比强度和比刚度， 并且耐磨性能、耐疲劳性能良好，因而具有优异的力学性能。 2.2.5 较低的断裂韧性 颗粒增强铝基复合材料的断裂韧性 kic 一般只有 1527 mpam1/2，均低 于相应基体合金的断裂韧性，这在一定程度上限制了颗粒增强铝基复合材料的 推广应用。 2.3 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法 sicp /al

19、 复合材料的制备方法通常有粉末冶金法、压力铸造法、喷射共沉 淀法、渗透法、固态扩散法、半固态搅熔复合法等。各种方法的介绍如下： 2.3.1 粉末冶金法 用粉末冶金法制造铝基复合材料6的工艺过程一般如下，先将增强体(通常 是 sic、a12o3等材质的颗粒、晶须或短纤维)和激冷微晶铝合金粉采用机械手 段均匀混合，进行冷压实，然后加热去气、在液相线与固相线之间进行真空热 压烧结，就得到了复合材料坯料，再将坯料进行热挤压等热压力加工就可制成 所要的零件。或者取消对混合粉料的热压，把混合粉料密封于铝包套内，直接 进行热挤压，也可成功地制造出致密的铝基复合材料。 这种方法由于采用机械混合，较易制备颗粒均

20、匀分布的复合材料，因而广 泛地应用在实验室的基础研究中。但其制备工艺成本高，而且复合材料的显微 组织无法改变，在实际生产中难以制造大尺寸和形状复杂的零件。 2.3.2 压力铸造法 压力铸造法制备 sicp/al 复合材料的过程，主要包括颗粒预制块的制备和 液态铝合金在一定压力下渗入预制块中两部分7。sic 颗粒在复合材料中分布的 均匀性由预制块中颗粒分布的均匀程度决定，并取决于预制块的制备工艺。复 合材料的孔隙率和 sicp/al 界面结合状态则与压铸工艺参数密切相关。sicp/al 复合材料中 sic 颗粒具有不规则外形并且在基体中均匀分布，复合材料中基本 没有孔隙并且界面结合状态良好8。经

21、透射电镜观察，发现在 sicp/al 复合材料 的基体合金中存在较高密度的位错。在 sicp/al 复合材料中 sic 颗粒的热膨胀 系数仅是铝合金的 1/6 左右，所以复合材料从高温到室温的冷却过程中， sicp/a1 界面处将产生较大的热应力。当热应力高于基体合金屈服强度时，基 体合金将发生塑性变形，使基体合金中产生较高的位错密度，基体合金中高密 度位错使基体合金得到强化，从而进一步提高复合材料的强度。 2.3.3 喷射共沉淀法 喷射共沉积法是 20 世纪 80 年代逐渐发展起来的制备颗粒增强金属基复合 材料的工艺9，它具有增强颗粒分布均匀、没有严重的界面反应、基体组织有 快速凝固特征、呈

22、细小等轴晶形态等优点，且产率高，易于制备大件。因而， 该方法与铸造法和粉末冶金法相比有更大的性能价格比，受到材料工程专家的 极大关注。研究人员观察喷射共沉积 sicp/al 复合材料锭坯显微组织发现，sic 颗粒在基体中分布均匀，在少数 sic 颗粒搭接处存在少量孔隙，总体上 sic 颗 粒与基体结合良好，避免了铸造过程中易于发生的颗粒偏聚现象；界面的能谱 分析表明，没有界面反应。sic 颗粒在室温下加入，与基体共沉积时吸收热量， 促使与之接触的基体凝固，sic 本身还提供了非均匀形核条件，促进晶粒的细 化。类似研究还表明了增加 sic 颗粒加入量能细化基体晶粒。sic 颗粒的捕获 机制现还没

23、有得到清晰的阐述，但可以肯定地说，喷射共沉积工艺中 sic 颗粒 的捕获过程不能沿用热力学判据、临界速度判据等机制加以解释。gupta 等人 的工作表明11，依照传统捕获判据不能发生捕获的 sicp/al 复合材料在喷射共 沉积过程中发生捕获，这一现象揭示高速冲击沉积过程可能是主要的原因。据 此，他们提出了机械作用机制和枝晶碎块或已凝固液滴阻塞机制，但捕获机制 还有待更深入的研究。 2.3.4 渗透法 sicp/al 复合材料制备中的突出难点是：增强相颗粒与铝液体不润湿，这主 要是因为铝液表面存在氧化层，使铝液与增强相不能直接接触10。针对氧化层 带来的困难，研究人员已经开发出非常有利于铝液和

24、增强相直接接触的助渗剂， 用渗透法制备 sicp/al 复合材料十分便利11。渗透法制造 sicp/al 复合材料的 过程主要是:选用高温惰性材料(石英砂、石墨、陶土或钢等)制作模子，制备工 艺可仿精密铸造制模工艺，模内腔可具有所需的形状和尺寸，以便从中直接获 得试件或零件毛坯。模子制备好后，将 sic 颗粒加入模内；将助渗剂与 sic 颗 粒均匀混合，或放入铝液中；铝或铝合金液经精炼后浇入模内。浇注铝液后的 模子放入普通空气加热炉中，在 850950温度范围内，根据零件厚度保温 一段时间，以便获得一定渗透厚度的试件，保温结束后，炉冷至 500，出炉 脱模就可获得一定外形的铝基复合材料。渗透法

25、制备的 sicp/al 复合材料中， sic 颗粒在基体中分布均匀，材料与金属界面结合良好，材料致密，无孔隙12。 2.3.5 固态扩散法 这是制造连续纤维增强铝基复合材料的传统方法20。这方法主要有二步， 第一步是先把纤维或经过预浸处理因而包覆有铝的复合丝与基体合金的箔片细 丝有规则地排列和堆叠起来。第二步是通过加热加压使他们紧密地扩散结合成 为整体。为了防止铝合金在加热加压过程中氧化，热压必须在真空或保护气氛 下进行。用固态扩散法制造的铝基复合材料往往具有很高的质量和性能，如美 国的 textron 特殊材料公司就用本方法制成的 sic 连续纤维铝基复合材料的工 字梁和板材做成一种先进战斗

26、机的尾翼，性能良好。但本方法工艺复杂，纤维 的排列堆叠要很精细而繁重的手工操作，热压过程又要求很严格的工艺参数控 制和环境条件。所以用这方法进行生产难度较大且成本很高，有很大的局限性。 2.3.6 半固态搅熔复合法 半固态搅熔复合法是在金属合金处于半固态的情况下，通过搅拌使增强相 颗粒和金属合金液相互碰撞，并进入到金属熔体中，起到颗粒增强的作用5。 实验发现，只要选择合适的工艺参数就可以使增强相颗粒均匀分散在铝合金中。 研究人员用半固态搅熔复合法成功制备出了颗粒分布均匀、孔隙率低的 sicp/al 复合材料13，研究了搅拌速度、颗粒尺寸、搅拌叶轮旋向、颗粒预处理工艺等 因素对复合材料中颗粒分布

27、均匀性的影响。研究发现，颗粒预处理对分布均匀 性有显著影响，经过高温预氧化处理的 sic 颗粒与合金基体润湿性很好，在半 固态搅熔复合制备中能有效改善颗粒与基体的界面结合和颗粒分布均匀性。在 其他工艺因素一定时，增强相颗粒粒径越大，分布则越均匀；搅拌速度越低， 颗粒分布越不均匀。当增强相的颗粒较小时，搅拌叶轮的旋向对分布均匀性有 重要影响。与全液态铸造法和半固态铸造法相比，采用半固态搅熔铸造制备的 sicp/al 复合材料，其增强相 sic 颗粒分布均匀，气孔率较少，表明半固态搅熔 复合法是一种较理想的金属基复合材料制备工艺。 2.4 微波烧结法的优点 微波烧结是一种材料烧结工艺的新方法，它具

28、有升温速度快、能源利用率 高、加热效率高和安全卫生无污染等特点，并能提高产品的均匀性和成品率， 改善被烧结材料的微观结构和性能，近年来已经成为材料烧结领域里新的研究 热点。 2.4.1 微波烧结的技术原理 微波烧结是利用微波加热来对材料进行烧结。它同传统的加热方式不同。 传统的加热是依靠发热体将热能通过对流、传导或辐射方式传递至被加热物而 使其达到某一温度，热量从外向内传递，烧结时间长，也很能得到细晶。而微 波烧结则是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量， 材料的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。 2.4.2 微波烧结的技术特点 1、微波与材料直接耦合，

29、导致整体加热 由于微波的体积加热，得以实现材料中大区域的零梯度均匀加热，使材料 内部热应力减少，从而减少开裂、变形倾向。同时由于微波能被材料直接吸收 而 转化为热能，所以，能量利用率极高，比常规烧结节能 80%左右。 2、微波烧结升温速度快，烧结时间短 某些材料在温度高于临界温度后，其损耗因子迅速增大，导致升温极快。 另外，微波的存在降低了活化能，加快了材料的烧结进程，缩短了烧结时间。 短时间烧结晶粒不易长大，易得到均匀的细晶粒显微结构，内部孔隙少，空隙 形状比传统烧结的圆，因而具有更好的延展性和韧性。同时，烧结温度亦有不 同程度的降低。 3、微波可对物相进行选择性加热 由于不同的材料、不同的

30、物相对微波的吸收存在差异，因此，可以通过选 择性和加热或选择性化学反应获得新材料和新结构。还可以通过添加吸波物相 来控制加热区域，也可利用强吸收材料来预热微波透明材料，利用混合加热烧 结低损耗材料。此外，微波烧结易于控制、安全、无污染。 2.5 本文主要研究内容 本实验采用纯铝粉分别与 sic 粉、氧化改性 sic 粉（1000烧结 sic）以 及镀铜改性 sic 粉均匀混合，并在传统制备工艺的基础上，采用粉末冶金法成 型，与传统真空热压烧结工艺不同的是，本实验是通过氩气保护微波真空无压 烧结工艺制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料。 实验主要是在增强体改性前后，在不同烧结温度，不同烧结工艺气氛下无

31、 压制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料，并对烧结体烧失量、密度、金相组织、 静态力学性能（维氏显微硬度、三点抗弯强度、压缩强度、拉伸性能）进行初 步分析比较。 2.6 本文研究的目的意义 随着航天航空、原子能等现代高技术的迅速发展，对材料的要求也越来越 高，不仅要求重量轻，还要求比强度、比模量高。而普通金属材料难以满足这 些要求，于是复合材料应运而生，并获得迅速发展。复合材料可发挥其组元协 同作用，同时又有很大的材料可设计性。复合材料技术是当今世界新技术革命 正在探索，开发且令人振奋的技术之一14。 目前 sicp/al 受到世界各国的关注，成为当今世界金属基复合材料研究的 热点14。主要因为 s

32、ic 具有高强度、高韧性和高温稳定性，同时也具有很高的 热导率、低的热膨胀系数、较好的抗热震性，与铝合金界面结合的较好，无界 面反应等优良性能。用 sic 做增强剂制造的铝基复合材料是一种较为理想的结 构材料。sic 作为增强剂主要有三种形式：纤维，晶须，颗粒。最早开始研究 的是 sic 单丝，但制造成本太高，后来转向价格相对便宜的 sic 纤维，但制备 过程中易出现诸如纤维损伤、微观组织不均匀等影响材料性能的许多缺点，最 终人们开始对 sic 颗粒开始研究。sic 颗粒既解决了成本问题，又解决了易损 等问题， sicp/al 广泛应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育用品等方面。 第 3 章

33、 实 验 3.1 实验工艺流程图 原粉改性混料制粉压制成型 无压烧结试样处理力学性能分析 图 3-1 碳化硅颗粒增强铝基复合材料制备工艺流程 3.2 实验原料及设备 3.2.1 原始粉 实验所用粉料的增强材料是 sic，基体材料是 al。规格如下：sic 由北方 民族大学生产，纯度97%，含氧量为 1%2%，平均粒径 d50=9m；铝粉由河 南远洋铝业有限公司生产，粒径 200 目，纯度为 99.8%。基体及增强体的物理 性质如下表 3-1 所示。 表 3-1 基体及增强体的物理性质 名称粒度 密度 （g/cm3） 热膨胀系数 （10-6/） 熔点 （） 弹性模量 （gpa） 强度 （gpa）

34、 泊松比 al200 目2.72366060800.3 sic9 um3.13.24.55.52700420450210.17 3.2.2 sic 表面改性15 1、高温改性16，17：将碳化硅粉末置于坩埚中，放入马弗炉中，在无气氛 保护下加热 1000，保温 3 小时。除去粉末中的有机物质，如运输中沾染的油 污等；使其粉末表面部分氧化形成网状 sio2层，有利于直接加入复合材料中提 高材料的强度，也有利于碳化硅表面化学镀铜。 2、镀铜改性16，17：工艺流程图如下图 3-2 所示。 除垢粗化敏化活化化学镀 图 3-2 碳化硅颗粒表面镀铜工艺流程 （1）除垢：称取上述氧化 sic 粉末 48

35、克放入 5%氢氧化钠溶液，超声波清 洗 5 分钟，然后用磁力搅拌器搅拌 10 分钟进行除垢，过滤、干燥。 （2）粗化：将 25 毫升 hci(37%)边搅拌边加入到盛有 500 毫升蒸馏水的塑 料烧杯中，再将 25 毫升的 hf 缓慢加入到上述溶液中，最后将 sic 加入到该溶 液；同样用超声波分散 5 分钟，磁力搅拌 10 分钟进行粗化，过滤、干燥。 （3）敏化：将粗化后的 sic 加入到敏化液中同样用超声波分散、磁力搅拌 敏化 10 分钟，使其表面依附一些还原剂 sn2+，过滤清洗，在室温下干燥。敏化 剂配方如下表 3-2 所示。 表 3-2 敏化剂配方 氯化亚锡hci(37%)蒸馏水 1

36、5g25ml500ml 敏化剂的配置方法：边搅拌边将盐酸缓慢倒入蒸馏水中，再把氯化亚锡溶 于盐酸水溶液中。其反应为： sic+sn2+=(sic)sn2+ （3-1） 敏化的目的是使 sn2+吸附在碳化硅表面，为下一步活化打下基础。 （4）活化：活化剂配方如下表，配制方法与敏化剂相同。敏化干燥后的碳 化硅称重为 29.4g，将其全部加入到活化剂中磁力搅拌 20 分钟。反应如下： pd2+sn2+=pd+sn4+ （3-2） 活化剂配方如下表 3-3 所示。 表 3-3 活化剂配方 氯化钯hci(37%)蒸馏水 0.0625g25ml500ml 活化处理的目的是：使溶液中的 pd2+与碳化硅表面

37、所吸附的 sn2+发生反应 后 pd 沉积在其表面，可作为铜的形核点，使镀液中被还原的铜颗粒沉积在这些 形核点上，以利于其表面修饰。将活化后的碳化硅过滤，反复清洗防止溶液中 残留钯离子，以免在后继化学镀工艺中优先被还原。 （5）化学镀18：将活化后的碳化硅粉末放入少量镀液中进行搅拌并超声 处理两分钟，然后放到一定量的镀液中施镀。化学镀经过一段时间的孕育期 （四分钟）后开始反应。反应开始时，镀液中有微量气泡产生，镀液由蓝绿色 变成黄绿色，这是实验中判断反应开始的标志。反应一段时间后，气泡的数量 逐渐增加，反应变得剧烈，再进一步进行，越来越多的碳化硅粉末表面得到包 覆，且随着反应时间的推移，包覆层

38、厚度增加，镀液呈现暗红色。随着镀液中 气泡的消失，反应趋于缓慢，最终停止。静置后，液体分层，上层暗红色渐渐 变淡，下层暗红色复合粉体沉积到烧杯底部。用蒸馏水反复清洗粉体 35 次至 滤出的蒸馏水为透明状，过滤取出复合粉，于 60温度下经 8h 烘干后备用。 化学镀镀液配方如下表 3-4 所示。 表 3-4 化学镀镀液配方 镀液成分含量作用 硫酸铜（cuso45h2o）6.25g主盐 甲醛（hcho）11ml还原剂 乙二胺四乙酸二钠 （edta-2na）6g络合剂 亚铁氰化钾（k4fe(cn)63h2o）3.4mg稳定剂 氢氧化钠（naoh）20%ph 调节剂 蒸馏水（h2o）250ml溶剂 3

39、.2.3 实验仪器 本次试验所用仪器介绍如下表 3-5 所示。 表 3-5 实验仪器的规格 仪器名称型号产地用途 电子天平千分之一常熟双杰测试仪器厂称料 球磨机qm-1南京大学仪器厂混合粉料 干燥箱101a-1中国实验仪器总厂烘干粉料 干压机50前川测量仪器制造有限公司干压成型坯体 冷等静压机ldj100/320-300中国航空工业川西机械厂压实成型胚体 马弗炉10-13沈阳节能电炉厂改性碳化硅 微波真空烧结炉njz4-3南京杰全微波设备有限公司烧结试样 电子分析天平ar2140 ohaus gorp. pine brook， nj， usa 测量密度 精密数控线切割机床nh7720北京凝华科

40、技有限公司切割样品 自动转塔数显显微维 氏硬度计 432svd 沃伯特测量仪器（上海）有限 公司 维氏硬度测试 万能材料试验机cmt5305 深圳市新三思计量技术有限公 司 测定三点抗弯 和屈服强度 多功能磨抛机pw-1b上海金相机械设备有限公司样品抛光 正置金相显微镜dp71olympus观察金相 数控超声波清洗器kq2200db昆山市超声仪器有限公司分散清洗粉料 3.3 配料工艺 3.3.1 配比 将表面镀铜 sic 粉、表面氧化 sic 粉和 sic 原粉各 15g 均按照质量分数为 10的比例与纯铝粉进行混合，复合粉重为 150g。无水乙醇为 80ml，聚氨酯 球 300g。 3.3.

41、2 混料 本实验采用湿混的混料方法，以无水乙醇作为介质，磨介为聚氨酯球，磨 介于粉料之比为 2：1。混料时间为 12 小时，混料容器材质为尼龙，混料仪器 为 qm-1 球磨机，转速为 125 r/min。 将配好的粉料放入混料容器中，加入 80ml 无水乙醇和 300g 聚氨酯球（磨 介） ，将混料容器封好，启动球磨机，转速为 125 rmin，混料 12h 后，将样品 取出，并用无水乙醇将磨介清洗，将清洗用过的乙醇一同放入盛放混合料的烧 杯中，放至烘箱中 80烘干 12h。 将干燥后的混合粉末取出，放在研钵中研磨，过 80 目筛得所需混合粉料， 依次得到表面镀铜 sic 粉、表面氧化 sic

42、 粉和原粉 sic 混合铝粉制得的混合粉 料。 3.4 压制工艺 本实验采用干压加冷等静压法制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的坯体。 具体步骤为： 1、称取粉料 20g 倒入 4040mm 金属压模中，铺粉过程要做到慢、轻、稳， 尽量减少粉末在倾倒时的喷出。震动压平后，把金属压模放在干压机压头下， 然后以 16tf 的压力通过压机压头进行单向加压（因为样品的 h/d 值很小，采用 单向加压对坯体质量影响不大） ，保压大约 30 秒后进行脱模。再进行冷等静压， 压强 250mpa，保压时间 1min。取出试样进行编号，用游标卡尺测量其尺寸， 用电子称测量其重量并记录以上数据。 2、称取粉料 15g

43、 倒入 6010mm 金属压模中，铺粉过程要做到慢、轻、稳， 尽最碱少粉末在倾倒时的喷出。震动压平后，把金属压模放在干压机压头下， 然后以 6tf 的压力通过压机压头进行单向加压（因为样品的 h/d 值很小，采用 单向加压对坯体质量影响不大） ，保压大约 30 秒后进行脱模。再进行冷等静压， 压强 250mpa，保压时间 1min。取出试样进行编号，用游标卡尺测量其尺寸， 用电子称测量其重量并记录以上数据。 最终压制表面镀铜 sic 粉、表面氧化 sic 粉和原粉 sic 三种系列的复合坯 体。 3.5 烧结工艺 本实验采用微波真空烧结炉制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料。烧结温度 选择 700、

44、720、740、760、780五个温度段；试样的包埋方式分为 直接放入碳化硅沙中埋覆和将试样表面用薄石棉包裹后放入碳化硅沙中埋覆烧 结两种方式。烧结步骤为首先抽真空抽到真空度为 0.08mpa，然后再往炉腔内 充氩气充到真空度到 0.04mpa 时停止。0-500手动操作，其功率为 2.5kw 左 右，500到烧结温度采用自动升温，时间设定为每分钟升温 20，到达预设 温度后保温 5min，保温结束后炉冷。微波真空烧结工艺曲线如下图 3-4 所示。 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0122429500 时间/min 温度/ 图 3-4 微波真空烧结工艺曲线图

45、 3.6 性能研究 3.6.1 试样后处理 1、用卧轴矩台平面磨床将烧结试样磨至上下表面平行及相应尺寸，为线切 割加工作准备。 2、用精密数控线切割机床将 6tf 压力下的 6010mm 的样品用线切割切成 101010mm 的正方体，之后用于压缩力学性能和洛式硬度测试；将 16tf 压力 下的 4040mm 的样品用线切割切成 5535mm 的小条，之后四条棱倒角用于 三点抗弯强度测试。 3、将线切割加工的样品在抛光机上抛光，直至出现镜面，为金相观察、和 硬度的测定做好准备。 3.6.2 密度的测定 密度的定义为：单位体积物质的质量。密度的测定有多种方法，本实验选 用排水法测量烧结体的密度。

46、其计算公式为： （3-3） 水的密度湿重干重 干重 / )( 在测量中应该注意的事项有：（1）不要让试样表面产生气泡；（2）测量 湿重从水中取出要使天平归零；（3）测量中应尽量保持环境安静、没有噪音震 动等。 将烧结之后的样品取出，利用密度测定仪器分别测定它们的干重和湿重， 即先在干燥状态下称量样品的质量，数据显示稳定的情况下记录为样品的干重 m1；然后将样品放入水中的托盘上，待数据稳定后记录为湿重 m2，则根据阿基 米德原理样品的密度可用下式计算： （3-4） 21 1 mm m 注：近似认为水密度为 1g/cm3，本次试验密度测定于后处理前。 3.6.3 三点抗弯强度的测定 本实验将 40

47、40mm 的素坯烧结之后按照国家标准切割成 5535mm 的标 准条用以三点抗弯实验。测定参数：支座间距为 30mm，加压速率为 0.5mm/min。将标准块放在万能实验机的载物台上，打开电脑，点击新实验开 始，输入准确的样品的长和高，依据公式： （3-5） 2 2 3 bh fl 式中为抗弯强度，单位 mpa；为最大力，单位 n；为跨距，等于fl 30mm；分别为标准块的宽和高，单位 mm。三点抗弯实验示意图如下图hb、 3-5 所示。 图 3-5 三点抗弯实验示意图 3.6.4 压缩强度的测定 本实验将 6010mm 的素坯烧结之后按照国家标准切割成 101010mm 的 标准块用以压缩实

48、验。测定参数：实验加压速率为 2 mm/min。将标准块放在万 能实验机的载物台上，打开电脑，点击新实验开始，输入准确的样品的长和高， 依据公式： （3-6） bh f p 式中为压缩强度，单位 mpa；为最大力，单位 n；分别为标准块pfhb、 的宽和高，单位 mm。 3.6.5 抗拉强度的测定 抗拉强度是指矩形截面在拉应力作用下受拉面断裂时的最大压强。本实验 用平面磨床加工烧结体为 60105mm 用以拉伸实验。测定参数：实验拉伸速 率为 5mm/min。将试样放在万能实验机的载物台上，打开电脑，点击新实验开 始，输入准确的样品的长、宽和高，依据公式： （3-7） bh f p 式中为抗拉

49、强度，单位 mpa；为最大拉力，单位 n；分别为试pfhb、 样的宽和高，单位 mm。 3.6.6 维氏显微硬度的测定 硬度表示材料抵抗硬的物体压陷表面的能力。本实验采用显微维氏硬度计 测定硬度。实验力为 1kg，放大倍率为 400 倍，选择硬度标尺为，测试结果hv 和数据自动处理读出硬度值，单位 mpa。 第 4 章 结果分析与讨论 4.1 改性碳化硅方法的研究 4.1.1 表面氧化改性 sic 分析 盛放原粉 sic 的坩埚称重为 293.58g，放入原粉 sic 后称重为 593.58g，将 其放入马弗炉在无气氛保护下加热 1000，保温 3 小时后随炉冷却。冷却 5 小 时后称其重量为

50、 601.36g。说明原粉 sic 增重 7.78g，粉末表面部分氧化形成网 状 sio2层。反应式为 sic+2o2= sio2 + co2 （4-1） 4.1.2 表面镀铜改性 sic 分析 除垢过程中超声分散时可以看到悬浊液表面浮有大量黑色球状体漂浮物， 是因为超声清洗将 sic 粉中的杂质与 sic 颗粒分散开致其浮到液体表面；粗化 过程中在磁力搅拌时出现大量黑色球状体漂浮物，是因为酸洗过程将 sic 粉中 的金属杂质清除，产物浮到液体表面；镀铜过程将活化后的 sic 粉放入少量镀 液中进行搅拌并超声处理两分钟目的是为了分散颗粒；孕育期过后反应开始时， 镀液中有微量气泡产生，原因是反应

51、过程中有氢气产生。反应式为 cu2+2hcho+4oh 一=cu+2hcoo一+h2o+h2 （4-2） 化学镀铜选择碱性环境18，因为在此环境下 ph 值高有利于化学镀反应完 全进行，并且可以缩短反应时间，但不利于均匀镀覆，ph 值低有利于提高镀层 质量，但过低的 ph 值不利于反应完全进行，从而不利于获得包裹良好的 sic 粉，将 ph 值控制在 12 时较好。 4.1.3 改性后粉体 xrd 对比分析 镀铜 sic 粉、氧化 sic 粉和原粉 sic 的 xrd 图如下图 4-1 到 4-3 所示。 1020304050607080 2/() si sic cu cu 图 4-1 镀铜

52、sic 粉 xrd 图 1020304050607080 2/() sic 图 4-2 氧化 sic 粉 xrd 图 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 020406080100 2/() i/cps 图 4-3 原粉 sic 粉 xrd 图 从 xrd 图上可以看出镀铜 sic 粉中 cu 的峰值明显存在，但其含量远低于 sic。由于 sio2较难以晶体形式存在，在 xrd 图中峰值不明显。 4.1.4 改性后粉体表观对比分析 镀铜 sic 粉、氧化 sic 粉和原粉 sic 的表观形态如下图 4-4 到 4-6 所示。 图 4-4 镀铜 sic 粉 图 4-5

53、氧化 sic 粉 图 4-6 原粉 sic 从图中可以看出镀铜改性 sic 粉呈现暗红色，是因为 sic 颗粒表面包覆一 层 cu，颜色变化较大。氧化改性 sic 粉颜色发白，是因为 sic 颗粒表面包覆一 层 sio2，改变原粉的颜色。 4.2 碳化硅烧结工艺的研究 4.2.1 不同包埋方式对烧结体外观形貌的影响 包埋方式的不同因为保温效果不同而对烧结体外观形貌有很大影响，外部 包覆石棉的保温效果好可以使烧结体表面较平整。 图 4-7 烧结体直接接触碳化硅沙 图 4-8 烧结体表面包覆石棉接触碳化硅沙 4.2.2 微波真空烧结工艺对烧结体烧失量的分析 在微波真空烧结过程，700-780的温度

54、区间内随着温度的增加，烧失量 变化不大，如下图 4-9 所示。 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 700720740760780 温度/ 烧失量/g 图 4-9 不同温度烧结体烧失量变化曲线 用此微波真空烧结工艺，由于升温速率特别快，在 500到烧结温度区间 内升温速率大约为 12/min，而且保温时间特别短为 5min，整过烧结过程约为 30min 左右，以至于烧结体析出少，烧失量较小。 4.3 碳化硅颗粒增强铝基复合材料烧结体性能研究 4.3.1 金相组织的研究 表面镀铜 sic、表面氧化 sic 和原粉 sic 分别与铝粉制得的复合粉经烧结

55、 处理后所观察到的的金相组织如下图 4-10 到 4-15 所示。 图 4-10 400 倍镀铜 sicp/al 图 4-11 1000 倍镀铜 sicp/al 图 4-12 400 倍氧化 sicp/al 图 4-13 1000 倍氧化 sicp/al 图 4-14 400 倍原粉 sicp/al 图 4-15 1000 倍原粉 sicp/al 通过烧结体金相组织的观察可以看出，增强体为经过镀铜的 sic 粉制得的 复合材料 sic 与 al 的界面结合情况较好，sic 在基体材料中分散均匀。 4.3.2 不同改性方法对复合材料物理性能与力学性能的影响 1、对复合材料密度的影响 密度变化如下

56、图 4-16 所示。 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 700720740760780 温度/ 密度/gcm-3 镀铜sic 氧化sic 原粉sic 图 4-16 不同增强体材料不同温度下密度变化情况 从图表中可以看出，随着温度的升高，以三种粉料作为基体制得的复合材 料密度均先升高后下降，在 740 时得到最高密度 2.66 g/cm3，达到理论密度的 97.10%，说明在此温度下增强体与基体界面结合效果最好。通过粉体之间的对 比可以看出，镀铜 sic 粉制得的复合材料密度大于原粉 sic 制得的复合材料， 因为镀铜后 sic 颗粒表面包覆一层 cu，而 cu 的

57、密度远大于 al 的密度，所以复 合材料的密度增大，也正好佐证 sic 粉镀铜成功；氧化 sic 粉制得的复合材料 密度大于原粉 sic 制得的复合材料，因为氧化后 sic 颗粒表面生成的 sio2重量 大于 sic，同比测得的密度也较大。镀铜 sic 粉制得的复合材料密度大于氧化 sic 制得的复合材料，原理同镀铜 sic 粉和原粉 sic 的对比。 2、对复合材料硬度的影响 硬度数据如下表 4-1 所示。 表 4-1 不同增强体材料不同温度下所测得硬度 硬度/hv 烧结温度/oc 镀铜 sic 氧化 sic原粉 sic 700 55.5333.20842.4000.90044.6671.5

58、28 740 54.5002.28146.9330.45150.0671.039 780 56.3333.71746.9001.22351.8003.176 通过相同温度下不同增强体的标准偏差值比较可以看出：氧化 sic 作为增 强体制得的复合材料中 sic 颗粒的分散性最好，说明在混料过程中氧化 sic 颗 粒与 al 基体的混合分散情况最好。通过不同温度下相同增强体的标准偏差值比 较可以看出：在 740 时的标准偏差值最小，说明在此温度下复合材料中 sic 颗粒的分散性最好。 硬度变化如下图 4-17 所示。 0.000 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000

59、 60.000 700740780 温度/ 硬度/hv 镀铜sic 氧化sic 原粉sic 图 4-17 不同增强体材料不同温度下硬度变化情况 从图表中可以看出，镀铜 sic 粉制得的复合材料硬度高于 sic 原粉制得的 复合材料，因为 cu 的硬度远大于 al 的硬度，所以镀铜 sic 粉对基体的增强效 果较好，改善了复合材料的物理性能。氧化 sic 粉制得的复合材料硬度低于 sic 原粉制得的复合材料，因为 sio2的硬度低于 sic 的硬度，sio2成薄膜状包 覆在 sic 表面，降低了复合材料的表观硬度。 3、对复合材料抗弯、抗拉、抗压强度的影响 本实验综合密度和硬度结果的分析，针对

60、740温度下的烧结体进行三点 抗弯强度、抗拉强度和抗压强度的测定。 所得数据如下表 4-2 所示. 表 4-2 不同增强体材料所测得抗弯、抗拉、抗压强度 增强材料抗弯强度/ mpa b 抗拉强度/ mpa 3b 抗压强度/mpa c 镀铜 sic 93.8107.000229.466 氧化 sic 86.8803.000159.981 原粉 sic 57.4504.000145.056 通过所得数据可以看出，经过镀铜改性和氧化的 sic 作为增强体增强铝基 制得的复合材料力学性能优于原粉 sic 作为增强体增强铝基制得的复合材料。 这是因为经过改性的 sic 与 al 的界面结合性较好19，晶