造孔劑含量對多孔預制體孔隙率的影響

摘 要 本文采用無壓浸滲法制備了SiC/Al復合材料，研究了造孔劑含量對多孔預制體孔隙率的影響。結果表明：隨著造孔劑加入量的增加，孔隙率增加；但當造孔劑含量大于20%時，多孔預制體的孔隙率趨于48%左右。

關鍵詞 多孔預制體，孔隙率，造孔劑

1前言

SiC/Al復合材料由于具有比強度高、比模量高、耐磨性好、熱導率高、熱膨脹系數低等優異的性能而被廣泛應用于航空、軍事武器、汽車、電子等領域。在用作電子封裝方面，與低體積分數的SiC/Al復合材料相比，高體積分數SiC/Al復合材料具有更小的熱膨脹系數、更高的熱導率、尺寸穩定性更好等優點^[1]。

目前，關于成形工藝過程^[2]、骨料粒徑^[3～4]、顆粒形貌^[5]、燒成制度^[6～7]以及燒結添加劑^[8]對復合材料性能影響的研究都能見諸于文獻，但有關造孔劑對SiC/Al復合材料性能的影響，文獻中并未進行系統地報道。丁祥金等^[9]人將造孔劑和粘結劑對預制體性能的影響分開考慮，但在預制體的制備過程中，通常造孔劑量的變化會引起相應的粘結劑等有機添加劑量的變化，這些物質燒結前在預制體中均占有一定的空間，對燒成后多孔預制體孔結構的變化都有影響，因此將它們結合起來考慮更為合理。

本文以淀粉和有機添加劑為造孔劑，結合粒子堆積理論，研究了SiC/Al復合材料制備過程中造孔劑的含量對多孔預制體孔隙率的影響，為高體積分數SiC/Al復合材料的設計提供了依據。

2實驗

采用平均粒徑為20μm的SiC骨料，以淀粉等有機添加劑為造孔劑， 將SiC粉、淀粉按比例放于混料坩堝中混勻，按要求添加一定量的樹脂，再次混勻，通過冷壓成形制備預制體。預制體經120℃烘干處理，隨后進行真空燒結，在150～400℃除掉造孔劑獲得多孔預制體，然后在1150℃（保溫2h）用鋁液浸滲多孔預制體，獲得高體積分數的SiC/Al復合材料。

材料的孔隙率利用阿基米德法（用水作為介質）按照GB1966-80的方法測定。

3結果與分析

本文在配料中加入造孔劑（如淀粉等有機物），這些物質在高溫下燃燒揮發后在預制體中留下孔隙，從而可制備出孔隙率接近50%的多孔預制體。多孔預制體中的孔隙最終被鋁所填充，其數量（體積分數）、形狀與分布決定了復合材料中鋁的體積分數與分布。因此，多孔預制體的孔隙率直接決定了復合材料的組織和性能。

預制體中造孔劑的質量分數與多孔預制體孔隙率、密度的關系如圖所示。從圖可以看出，當預制體中造孔劑的質量分數小于15%時，隨著造孔劑量的增加，多孔預制體的孔隙率變化不明顯；當預制體中造孔劑的質量分數從15%增加到20%時，多孔預制體的孔隙率顯著增大；當預制體中造孔劑的質量分數由20%增至25%時，多孔預制體的孔隙率變化不明顯，此時多孔預制體的孔隙率趨于48%；這是因為預制體中造孔劑的質量分數小于15%時，造孔劑占有的空隙小于骨料SiC顆粒本身隨機堆積形成的孔隙，故造孔劑的增加對多孔預制體孔隙率的影響不明顯；當預制體中造孔劑的質量分數大于15%時，骨料SiC顆粒間堆積而成的孔隙不足以容納造孔劑所需的空隙，造孔劑的分布向連續化過渡，因而多孔預制體孔隙率顯著增加；而當造孔劑的質量分數達到20%以上時，多孔預制體孔隙率的變化不明顯，趨于穩定狀態。

根據等徑球體的隨機堆積理論，粒子堆積的孔隙率與粒子配位數之間的關系有很多表達式，其中以Ridgway和Tarbuck^[10]提出的關系式為代表，如下式所示：

ε= 1.072 - 0.1193n + 0.0043ln2

式中，ε為粒子堆積的孔隙率，n(在6～12之間取值)為粒子堆積時的配位數。根據上式，當粒子的配位數n=8時，其堆積孔隙率ε=39.344%；當粒子的配位數為6時，其堆積孔隙率ε=51.136%。因此，造孔劑含量對多孔預制體孔隙率的影響可以通過骨料SiC顆粒由配位數為8的堆積狀態向配位數為6的堆積狀態過渡來解釋：當預制體中造孔劑的質量分數<15%時，骨料SiC顆粒的堆積配位數為8，造孔劑的量在此范圍內改變時，多孔預制體的孔隙率無明顯變化；當預制體中造孔劑的質量分數>20%時，骨料SiC顆粒的堆積配位數為6，此時多孔預制體孔隙率為堆積成孔方式的最大孔隙率。如果繼續增加造孔劑的量，會使多孔體在燒成過程中出現針孔、開裂等缺陷；當造孔劑的質量分數介于15%～20%時，SiC粒子的堆積狀態從8配位數向6配位數過渡，孔隙率顯著增大。多孔預制體的實際孔隙率小于理論的堆積孔隙率，這是因為實驗中采用的SiC粉料并不是等徑球體，而是具有一定的粒徑分布。這種情況會造成SiC粉料中存在的細小顆粒填充到較大顆粒堆積而成的空隙中，而且在燒成過程中，SiC顆粒之間存在部分燒結頸部，導致多孔預制體的實際孔隙率小于理論計算值。

4結論

以粒徑為20μm的碳化硅顆粒為骨料，以淀粉等有機添加劑為造孔劑，通過冷壓成形制備出預制體。研究表明，造孔劑含量的變化對復合材料性能有顯著的影響。

當預制體中造孔劑的質量分數<15%時，造孔劑的量的改變不足以改變粒子的堆積狀態，多孔預制體的孔隙率沒有明顯的變化；當造孔劑的質量分數在15%～20%時，多孔預制體的孔隙率隨造孔劑量的增加而顯著增大；當造孔劑的質量分數>20%時，多孔預制體的孔隙率穩定在48%左右。因此，可以通過調節造孔劑的添加量來控制多孔預制體的孔隙率，進而控制復合材料的組織與性能。

參考文獻

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9丁祥金，張繼周，寶志琴等.氧化鋁多孔支撐體的研究[J].膜科學與技術，2000，20(1)17～21

10謝洪勇.粉體力學與工程[M].北京化學工業出版社，2003

Effect of Pore-making Agents Content on Porosity of Porous Preform Li feizhouLi hongchuan (Chang’an University Xi’an710064)

Abstract: The effects of the pore-making agents content on the porosity of SiC/Al porous preform produced by pressureless infiltration technique were investigated．The results showed that the porosity rised with the increasing of the content of pore-making agents，and the porosity tended to 48% when the pore-making agents content was above 20%.

Keywords: porous preform，porosity，pore-making agent