可用于空間的SiCp/Al復合材料熱物理性能研究

修子揚，劉 波，武高輝，姜龍濤，張 強，陳國欽

（哈爾濱工業大學金屬復合材料與工程研究所，哈爾濱150080）

1 引言

SiCp/Al復合材料具有高的比強度、比模量、耐高溫、耐磨損以及熱膨脹系數小、尺寸穩定性好等特點，能夠克服樹脂基復合材料在航天領域中使用時存在的缺點，因此得到了令人矚目的發展[1-6]，特別是在對材料性能和環境適應性要求嚴格的空間環境領域具有十分廣闊的應用前景。

本文以空間應用為背景，設計并采用擠壓鑄造法制備了體積分數為45%顆粒粒徑分別為10μm、20μm的SiCp/Al復合材料，并研究了材料的彎曲強度與熱物理性能。

2 材料的設計制備與測試方法

2.1 材料的設計制備

擠壓鑄造主要是對液態金屬施加較高的機械壓力來提高鑄件質量。能夠消除液態金屬凝固過程中因體積收縮而產生的有關缺陷，以獲得晶粒細小、力學性能好、表面質量高的鑄件，對液態金屬必須施加足夠的壓力，才可以獲得優質鑄件。每種鑄件均有一個臨界壓力，低于臨界壓力，無法獲得優質鑄件。通過擠壓鑄造，可以獲得高體積分數的SiCp/Al復合材料。

采用擠壓鑄造法，在相同的壓鑄工藝條件下分別制備出顆粒粒徑分別為10μm、20μm的SiCp/Al復合材料，材料的原始組織如圖1所示。兩種不同顆粒粒徑的復合材料均分為鑄態，根據Al-Si合金的規范，以2024Al為基體的復合材料試樣固溶，在鹽浴爐溫度為495℃下加熱時間均為1h，水冷。然后再在160℃的條件下時效10h。

2.2 測試方法

復合材料的三點彎曲試驗在Instron 5569萬能電子拉伸試驗機上進行，壓頭位移速度為0.5mm/min，最大載荷500Kg，精度0.2Kg。樣品尺寸為：3mm×4mm×36mm，跨距30mm。對受拉面進行拋光，并于該面的跨距中部貼應變片。

采用用德國產JK2型激光導熱綜合測試儀測量材料的熱導率。測試樣品尺寸為Φ12.7×2.6mm，兩端面用金相砂紙磨光，測試溫度為25℃、50℃、100℃，升溫速度5℃/min。激光導熱綜合測試儀測量材料的熱擴散率和比熱的原理是應用閃光擴散法。平板形樣品在爐體中加熱到所需的測試溫度后，由激光仿生器或閃光燈產生的一束短促（＜1ms)光脈沖對樣品的前表面進行加熱，熱量在樣品中擴散，使樣品背部溫度的上升。且用紅外探測器測量溫度隨時間上升的關系。

圖1 SiCp/Al復合材料的原始組織

采用德國NETZSCH公司生產的DIL402型熱膨脹分析儀測定材料的熱膨脹系數，測試溫度范圍選取-60℃～120℃，而考察溫度范圍為 20℃～120℃，升溫速率為5℃/min，樣品尺寸為Φ6×25mm。

熱循環試驗在德國DIL402型熱效應在動分析儀上進行，溫度測試范圍-186℃～500℃。設備的分辨率是0.125nm（500μm測量范圍)，測試精度可以達到 10-8。

3 結果與分析

3.1 SiCp/Al復合材料的彎曲性能

圖2 SiCp/Al復合材料的彎曲性能

圖2顯示了增強體體積分數為45%的顆粒粒徑分別為10μm、20μm的SiCp/Al復合材料在鑄態下及固溶時效后的三點彎曲強度。

當基體合金中Si含量的相同以及熱處理狀態相同的條件下，隨著增強體顆粒粒徑的增大其彎曲強度減小。這是由于隨著基體合金中增強體顆粒粒徑增大，材料的脆性增加，當增強體SiC顆粒的粒徑很大時，復合材料斷裂的主要方式是脆斷。基體中增強體顆粒粒徑為20μm且未經過熱處理的復合材料，其復合材料的脆性也最大，所以斷裂時其強度也就最低。而顆粒粒徑10μm且經過熱處理的復合材料的塑性是最好的，對于體積分數為45%的復合材料而言，塑性越好其強度也就越高，所以增強體顆粒粒徑為10μm且經過熱處理的復合材料的強度也就是最高的。在增強體顆粒粒徑相同的條件下，經過熱處理后復合材料的強度也明顯提高，由此可見，熱處理可以提高復合材料的強度。

3.2 SiCp/Al復合材料的熱物理性能

3.2.1 SiCp/Al復合材料的熱導率

本文的試驗用的是非穩態導熱系數測試法，即激光擴散法。該方法能直接測量材料的熱擴散性能，然后在已知樣品的比熱和密度的情況下，通過計算求得導熱系數的數值。即根據公式

表2 復合材料導熱性能值

式中α為熱擴散率；ρ為材料密度；C為比熱容。

3.2.2 SiCp/Al復合材料的熱膨脹性能

圖3為不同粒徑的SiCp/Al復合材料熱膨脹系數。從圖中可以看出，在相同的熱處理狀態下均表現出顆粒粒徑為10μm的復合材料熱膨脹系數高于顆粒粒徑為20μm的復合材料。

圖3 SiCp/Al復合材料熱膨脹系數

顆粒增強體金屬基復合材料的基體中殘余應力的存在是復合材料的本質特征之一，且對復合材料的熱膨脹性能產生較大的影響。這種殘余應力是在復合材料制備過程中，由高溫冷卻到低溫時由于基體和增強體的熱膨脹系數不同而造成的。由于材料的連續性，并在界面的約束下，基體鋁合金不能自由收縮，導致與SiC顆粒相鄰的基體受殘余拉應力的作用。同樣地，當溫度升高時，由于熱膨脹的不同，為了確保材料協調變形，又會在材料的內部形成熱錯配應力。熱錯配應力隨著增強體顆粒的尺寸的增大而增大，所以顆粒粒徑為20μm復合材料在升高相同的溫度時，其熱錯配應力要高于顆粒粒徑為10μm的復合材料。由于材料的熱錯配應力為壓應力，故其對復合材料的熱膨脹系數的貢獻為負值，顆粒粒粒徑大的熱其錯配應力大，所以其熱膨脹系數相對較小。

3.2.3 SiCp/Al復合材料的熱循環尺寸穩定性

圖4 SiCp/Al復合材料的熱循環尺寸穩定性

為了評價材料的尺寸穩定性，將每次熱循環后試樣在20℃時的尺寸與熱循環的起始測試點（20℃）的尺寸相減，可以得到圓柱試樣軸向單位尺寸的變化與熱循環次數的關系，如圖4所示。從圖中可以清楚的看出，經每次熱循環處理后的尺寸變化規律和熱循環15次的尺寸變化總量。由圖可見，在每次熱循環過程中，試樣軸向尺寸的變化量都有一定程度的減小，最后基本接近平緩，但軸向尺寸變化總量隨熱循環次數的增加而增加。同時，也可以看出，兩種增強體顆粒粒徑的復合材料的尺寸穩定變化是有顯著差異的。相比之下，顆粒粒徑為20μm的復合材料其尺寸穩定性較好一些。顆粒粒徑為10μm的復合材料其尺寸變化總量為8.7771×10-5，顆粒粒徑為20μm的復合材料其尺寸變化總量為6.302×10-5。

4 結論與討論

本文采用擠壓鑄造法制備了體積分數為45%顆粒粒徑分別為10μm、20μm的SiCp/Al復合材料，并研究了材料的彎曲強度與熱物理性能。

研究結果顯示，SiCp/Al復合材料具有優異的彎曲性能與導熱率、熱膨脹系數及尺寸穩定性，是一種具有極大發展潛力的新型空間材料，在航天器結構、空間慣性器件、空間光學反光鏡和航天器電子封裝器件上有著廣泛的應用。

顆粒粒徑不同，復合材料的力學性能與熱物理性能不同。可以通過材料的設計，獲得不同性能的SiCp/Al復合材料。 ◇

［1］Zhang F，Sun PF.A comparative study on microplastic deformation behavior in a SiCpP2024Al Composite and its unreinforced matrix alloy［J］.Materials Letters，2009，（49）：69-74.

［2］黃強，顧明元.電子封裝用金屬基復合材料的研究現狀［J］.電子與封裝，2008，3（2）:22-25.

［3］酈定強，洪淳亨.增強體顆粒尺寸對SiCp/2124Al復合材料變形行為的影響［J］.上海交通大學學報，2010，3（2）：56-57.

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［5］王秀芳，武高輝，姜龍濤，耿洪濱.冷熱循環處理對SiCpP2024Al尺寸穩定性的影響［J］.材料熱處理學報，2006，10（3）：78-79.

［6］張迎九，王志法，呂維潔，謝佑卿，姜國圣，周洪，徐楨.金屬基低膨脹高導熱復合材料［J］.材料導報，2007，11（3）：52-56.