ＳｉＣ／Ａｌ復合材料的組織與力學性能研究

摘要采用無壓浸滲法制備了SiC/Al復合材料，研究不同顆粒大小的復合材料的抗彎強度、金相組織和斷裂機理。結果表明：顆粒尺寸為20μm的 SiC/Al復合材料抗彎強度最高；小顆粒復合材料的斷裂以沿晶斷裂為主，局部有韌性撕裂的特征，而大顆粒還伴有穿晶解理特征。

關鍵詞SiC/Al復合材料，無壓浸滲，抗彎強度，斷裂機理

1 引 言

SiC/Al復合材料由于具有比強度高、比剛度高、耐磨性好、耐疲勞、高彈性模量等優(yōu)異性能，廣泛應用于航空航天、軍事武器、汽車、電子、體育器材等領域[1]。但是對于高體積比SiC/Al復合材料的制備工藝，技術尚不成熟，對制備工藝與組織性能之間關系的研究也不充分。因此，本文采用無壓浸滲法制備SiC/Al復合材料，并對其進行組織、強度和斷口分析，以便為SiC/Al復合材料的力學性能設計提供科學依據(jù)。

2實驗方法

2.1 試驗材料

本試驗選用SiC粉料，粒度大小分別為7、20、40和63μm；選用淀粉作為造孔劑，酚醛樹脂作為粘結劑；浸滲用的鋁為工業(yè)純鋁。

2.2 試驗方案

（1） 試樣的制備：取一定量的SiC粉末和淀粉（5%），放入混料坩堝中攪拌均勻，然后再加入適量的酚醛樹脂（2～5%），再次攪拌均勻，將混勻的原料稱量后倒入鋼模模具中，利用萬能材料試驗機，低速加壓壓制成毛坯。將毛坯在空氣電阻爐中加熱至120℃，并保溫1.5h進行烘干處理，得到預制體。然后將預制體與適量純Al放入坩堝里，在真空爐（真空度為15Pa左右）中以1150℃、保溫2h的工藝條件下進行純鋁的無壓浸滲，工藝曲線如圖1所示。制備過程中，造孔劑在400℃左右燃盡，留下間隙，形成氣孔。

（2） 組織與性能檢測：用阿基米德排水法測量復合材料的密度與氣孔率；采用三點彎曲法在電液伺服壓力試驗機上測定SiC/Al復合材料的彎曲強度，試樣跨距20mm，加載速度0.5mm/min；采用光學顯微鏡觀察無壓浸滲法制備SiC/Al復合材料的組織結構；采用掃描電子顯微鏡分析復合材料的力學試驗后的微觀斷口形貌。

3實驗結果與討論

3.1 強度與組織分析

不同顆粒大小的SiC預制體在形成復合材料時，其性能如表所示，可以看出強度由顆粒尺寸和氣孔率共同決定，除20μm的SiC/Al復合材料以外，其余復合材料的抗彎強度隨SiC顆粒尺寸的增大而減小。當鋁液接觸SiC多孔預制體時，顆粒越細小，形成的通道的尺寸越小，鋁液受到的毛細壓力越大，因此，細小顆粒越容易浸滲，得到的復合材料越致密[2]。在圖2中，SiC 顆粒比較均勻地分布于鋁基體中，SiC顆粒呈暗灰色，鋁基體呈白色。由圖可以看出，7μm的小顆粒雖然氣孔率最低，但是在制備預制體過程中，顆粒容易積聚，導致最終形成的復合材料組織不均勻，而20μm的SiC 顆粒分布更為均勻，均勻分布的微觀組織有利于復合材料在承載時緩和應力集中， 利于載荷傳遞， 提高材料的力學性能，因此強度較高[3]。

3.2 斷口形貌的SEM觀察

當復合材料的SiC 顆粒粒度分別為20、40μm時，進行斷口形貌SEM 觀察，觀察結果如圖3、4所示。相比之下，二種材料中，SiC顆粒粒度為20μm時復合材料斷口較為平齊，斷口表面上的SiC顆?；径际茄鼐嗔?，即一些裂紋的走向大致可勾畫出SiC顆粒的形狀，但當裂紋穿過鋁合金相時，鋁合金的韌性撕裂特征還是比較明顯。

而對于SiC 顆粒粒度為40μm的復合材料，斷口形貌起伏較大，是組織在斷裂過程中呈現(xiàn)韌性斷裂的結果。這說明這種沿晶斷裂可能發(fā)生在SiC顆粒與基體的界面處，也可能是在基體中的近界面區(qū)；同時， 發(fā)現(xiàn)了穿晶解理特征。

在碳化硅顆粒較細的情況下(20μm)，肉眼觀測即可發(fā)現(xiàn)，復合材料斷口在色澤上有獨特之處：即相當一部分斷口區(qū)域呈現(xiàn)黑亮光澤(而其它區(qū)域為無光澤的灰色)；而當復合材料中加入的碳化硅顆粒尺寸較大時(40μm)，斷口則呈現(xiàn)出無光澤的灰色。在復合材料彎曲變形過程中，大尺寸顆粒較難協(xié)同基體產(chǎn)生變形，由此容易產(chǎn)生應力集中，也會導致顆粒開裂，小尺寸的SiC容易和基體合金一起變形，而且由于其尺寸小，內(nèi)部缺陷較少，因而解理傾向較小[4]。

4 結 論

（1） 由20μm的SiC 顆粒制備的SiC/Al復合材料組織均勻、強度高，若從力學性能角度設計復合材料，該尺寸較為理想。

（2） 小顆粒SiC/Al復合材料的斷裂特征以沿晶斷裂為主、局部有韌性撕裂，而大顆粒還伴有穿晶解理的特征。

參考文獻

1 王文明，潘復生，LU Yun.攪拌鑄造制備SiCp/Al復合材料的研究現(xiàn)狀[J].輕合金加工技術，2004，32（4）：1～6

2 胡 銳，朱冠勇，白海琪，李金山，傅恒志.高含量SiCp/Al復合材料的無壓浸滲機制[J].中國有色金屬學報，2004， 14(11)∶1822～1827

3 張全萍，許伯藩，吳新杰，王 蕾.Mg對無壓自浸滲制備SiCp/Al復合材料組織與性能的影響[J]．中國有色金屬學報，2002，2 (S1)：147

4 肖伯律，筆 敬，趙明久，馬宗義．SiC 顆粒尺寸對鋁基復合材料拉伸性能和斷裂機制的影響[J].金屬學報，2002，38(9)