納/微米雙尺度SiC顆粒增強鋁基復合材料的性能研究

王 京， 孫安娜， 東星倩

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院， 上海 201620)

0 引 言

隨著科學技術的不斷進步，諸如航空業、交通運輸業、電子信息業和軍事等多領域獲得了高速發展。一些普通金屬材料已經難以滿足現如今人們的需求。因此，開創新型技術以及更加先進的復合材料成為國內外材料業研究的首要任務。SiC顆粒增強鋁基復合材料，在性能上一直有較高的比強度、比模量、耐磨損耐腐蝕效果好、導電導熱功能好、大小比例合適等優異的綜合性能，這不僅在新型材料的探索上，更在性能需求上非常符合現代科技的發展要求，因此受到了廣泛的關注[1-3]。SiC顆粒增強鋁基復合材料的優勢非常明顯，不僅在制備方面簡便多樣，而且在成本方面也更加低廉，尤其適合大批量生產。同時，還能通過自身的尺度、質量分數等參數在整體上調整其復合材料的性能。因此，在未來電子和航空航天技術的不斷發展以及各種制備工藝的持續創新形勢推動下，SiC顆粒增強鋁基復合材料將會越來越多地被人們應用到生活的各個領域。近年來，已有眾多學者在對金屬基復合材料進行各種研究分析，其中的研究熱點則集中在塑性和強度兩方面。然而在一些特定因素中，又會選擇從增強體的質量分數、顆粒尺度、制備工藝、顆粒分布等方面詳細研究其在力學性能上的價值和可創造性。在以往的各種研究分析中可以看到，加入微米SiC顆粒后，改變顆粒尺寸和質量分數，會對復合材料的力學性能產生顯著影響。添加適量的微米SiC顆粒雖然可以提升復合材料的強度，然而卻是以犧牲塑性為代價，而加入納米SiC顆粒能起到強度的提升，同時在塑性上則與金屬基體同等或更高[4]。由于納米SiC顆粒尺寸小，比表面能高，分散不均勻導致顆粒堆積在一起出現團聚現象，所以在增強效果上不太理想。若在組分設計上轉換思路加以研究，選用納/微米SiC顆粒作為增強體，展現其雙尺度增強體共同作用的優勢。然而在關于雙尺度增強復合材料方面的研究上還不夠完善，增強體顆粒尺寸和各種工藝參數方面都有所欠缺。所以，站在綜合性能優越的角度上更深入地對納/微米雙尺度SiC顆粒復合材料進行探索研究，這在學術研究上則有著重要的理論意義及實用價值。

本文論述的目的是研究不同工藝參數對SiC顆粒增強鋁基復合材料的影響規律，旨在優化新型復合材料來提高綜合性能。首先，利用真空吸鑄技術，制備了SiC顆粒增強鋁基復合材料。其次，改變SiC顆粒的質量分數和尺度大小，使用掃描電鏡、萬能材料試驗機等配置，通過不同工藝參數對復合材料的微觀結構、力學性能的影響進行精細測試和分析。最后，得到結論來判斷其規律對未來新型材料應用發展的適用性。

1 試驗材料和過程

1.1 試驗材料及試樣制備方法

基體合金粉末選用ZL204A，純度(質量分數)>99.8%，其標準化學成分組成見表1。試驗中添加的SiC顆粒作為增強體，SiC顆粒尺寸分別為60 nm和15 μm。本實驗選取的設備為高真空電弧熔煉和吸鑄系統，如圖1所示。真空吸鑄的具體步驟如下。

圖1 底漏式真空吸鑄設備結構示意圖

Fig. 1 Schematic of bottom leakage vacuum suction and casting equipment

表1 ZL204A鋁合金的化學成分(質量分數 /% )

Tab. 1 Chemical composition of ZL204A aluminum alloy (mass fraction /%)

CuMnTiCdAlFeSiMg4.6-5.30.6-0.90.15-0.350.15-0.25余量0.120.060.05

(1)將SiC 顆粒增強體與ZL204A基體按比例混合后放入熔煉室內。

(2)經過2～4個熔化和凝固循環后，材料熔煉成具有光滑表面的合金鑄錠。再用磁力攪拌器將樣品熔化2～3次，直到合金錠的組成變得均勻。

(3)將合金錠加入抽吸裝置坩堝，在吸入閥打開的情況下熔化成液態。在重力和吸力之間的負壓差的共同作用下，合金液體通過石墨端口快速吸入銅模具中以獲得復合材料試樣。將實驗獲得的試棒進行熱處理，固溶6 h，時效4 h。

1.2 復合材料的組織及性能測試方法

試樣經過熱處理后，通過線性切割加工制成標準的金屬拉伸試樣，顯微硬度測試實驗在MHVD-1000IS顯微硬度測試儀上進行，拉伸試驗在萬能試驗機上進行。拉伸試樣如圖2所示。拉伸試驗結束后，將金相試樣經過800、1 000、1 500和2 000等級的砂紙粗磨和精細研磨后，再通過用MP-2B雙盤變速研磨機來拋光切片表面，直到表面猶如光滑的鏡子為止。為了更直觀地觀察復合材料的整體微結構，蝕刻拋光表面。本實驗腐蝕試劑的成分為：50 ml蒸餾水，5 mlHNO3，3 mlHF，腐蝕的時間為3 s。為了避免金相試樣被氧化，應用清潔劑洗滌和無水乙醇快速干燥。最終得到的試樣要在金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察試樣組織和增強體的分散情況。

圖2 試樣拉伸示意圖

2 試驗結果與討論

2.1 單一納米顆粒增強鋁基復合材料的顯微組織觀察

圖3顯示了改變納米SiC顆粒的質量分數，復合材料的金相試樣進行掃描電鏡觀察所得的納米SiC顆粒的分布形貌。當納米SiC顆粒的質量分數為0.5%和1%時，少量單獨的納米SiC顆粒均勻地分散在小區域中，如圖3(a)、(b)所示。當納米SiC顆粒的質量分數為2%時，SiC顆粒分布得更離散、更均勻，分布的形式均以單個納米SiC顆粒，沒有出現顆粒堆積在一起而產生團聚的現象，如圖3(c)所示。這也說明了采用真空吸鑄工藝制備試樣的方法解決了SiC顆粒在基體材料中的分散性問題。然而當納米SiC顆粒質量分數持續增加到5%時，納米SiC顆粒在基體內并沒有隨著質量分數的增加而分散得更加均勻，反而在局部區域內顆粒堆積在一起而產生了嚴重的團聚現象，如圖3(d)所示。究其原因就在于，在真空吸鑄熔化以及凝固循環的過程中，質量分數過高會使納米SiC顆粒依附在表面帶動熔體在坩堝中翻滾，導致熔體把加進去的顆粒大面積包裹住，在熔煉過程中顆粒無法均勻分散開，以單個顆粒的形式存在困難， 顆粒堆積在一起產生團聚的概率大幅度增加。通過此實驗結果顯示，質量分數對納米SiC顆粒在基體內的均勻分散性問題來說是一個重要參數。納米SiC顆粒均勻分散能使復合材料的綜合性能提高，而顆粒堆積在一起發生團聚現象會降低復合材料的綜合性能，因此，選擇最佳的質量分數保證顆粒在基體內的均勻分散性對研究納米SiC顆粒增強鋁基復合材料起關鍵性作用[5-6]。

(a) 0.5% (b) 1%

(c) 2% (d) 5%

Fig. 3 Distribution and morphology of SiC nanoparticles with different mass fraction in matrix

2.2 納/微米顆粒增強鋁基復合材料的顯微組織觀察

圖4顯示了SiC顆粒質量分數為2%時，改變SiC顆粒的尺度，復合材料的金相試樣進行掃描電鏡觀察所得的SiC顆粒的分散情況。納米SiC顆粒作為增強體時，晶粒分布均勻，晶粒細化，無明顯團聚現象， 如圖4(a)所示。這是由于在真空吸鑄過程中，納米SiC顆粒阻礙基體合金的晶粒長大， 同時有利于促進吸鑄過程中的再結晶形核。 微米SiC顆粒和納/微米SiC顆粒作為增強體時，在復合材料的分布形貌上兩者有相似之處。微米SiC顆粒均為菱形條狀，均勻分散在基體內，但納/ 微米SiC顆粒增強鋁基復合材料具有更細的晶粒， 如圖4(b)、(c)所示。這種現象的主要原因與2種SiC顆粒的尺度有關，在納米SiC顆粒的晶粒細化的同時，2種尺度的SiC顆粒混合在一起，可以嵌插在基體合金中的SiC顆粒大于單一尺度，這樣不同尺度的顆粒混合穿插方式，不僅有利于減少空隙缺陷的產生，而且在基體內分散得更加均勻。 圖4(d)為SiC顆粒尺度為60nm+15μm時復合材料中的小型顆粒團聚。由于基體中無C元素，C元素全部來源于增強體中，因此通過顆粒團聚處EDS能譜分析圖以及圖4(a)～(c)中SiC顆粒的形狀，即可得到圖4(d)中的小型團聚為SiC顆粒。

(a) 60 nm (b) 15 μm (c) 60 nm+15 μm

(a) 60 nm (b) 15 μm (c) 60 nm+15 μm

(d)SiC/ZL204A中的顆粒團聚 (e) 顆粒團聚處EDS能譜分析

(d) Agglomeration of particles in SiC/ZL204A (e) EDS energy spectrum analysis of particle agglomeration

圖4 不同尺寸 SiC顆粒在基體內的分布形貌及能譜分析

Fig. 4 Distribution morphology and energy spectrum analysis of SiC particles of different sizes in matrix

2.3 單一納米SiC顆粒增強鋁基復合材料的硬度及力學性能

圖5顯示了改變納米SiC顆粒的質量分數時復合材料的硬度值測量結果。結果顯示不同的質量分數體現在復合材料的硬度值方面也擁有不同的作用效果。當納米SiC顆粒質量分數從0.5%增加到2%時，復合材料的硬度值得到大幅度提升，并在質量分數為2%時測得硬度最大值(81.2 HV),與基體材料(62.5 HV)相比增加了29.9%。當納米SiC顆粒質量分數繼續增加到5%時，硬度值下降，歸因于納米SiC顆粒質量分數過大而堆積在一起出現了團聚現象，減弱了增強效果[7-8]。圖6顯示了改變納米SiC顆粒的質量分數，復合材料對抗拉強度和斷裂伸長率的影響規律。復合材料的機械性能隨質量分數的增加較基體均有提高，呈先增大、后減小的變化趨勢。當納米SiC顆粒質量分數為2%時，復合材料的抗拉強度和斷裂伸長率最高，達到285.9 MPa和56%，與基體材料(215.2 MPa 和45%)相比增加了32.8%和24.4%。其原因是質量分數為2%的納米SiC顆粒在基體內均勻分散，沒有出現顆粒堆積在一起而產生大型團聚的現象 ，能夠有效地阻止復合材料晶粒的長大，表現為硬度及力學性能的提高。當納米SiC顆粒質量分數繼續增加到5.0%時，復合材料的抗拉強度降低，并且斷裂伸長率只有37%，這是因為納米SiC顆粒超過一定量時，在晶界處出現飽和狀態，阻礙納米SiC顆粒對晶粒細化的作用[9]。此外，納米SiC顆粒尺寸小，比表面能高，質量分數太高時易于聚集在一起，分散不均勻，嚴重影響和損傷復合材料的性能。而拉伸載荷作用使復合材料團聚處容易出現裂紋源,不斷擴展長大,導致復合材料在較小的應力作用下即可發生斷裂，表現為復合材料強度下降和伸長率的下降[10-11]。

圖5 單一納米SiC顆粒不同質量分數增強復合材料的硬度

Fig. 5 Hardness of composites reinforced by different mass fraction of single nano-SiC particles

圖6 單一納米SiC顆粒不同質量分數增強復合材料的抗拉強度及伸長率

Fig. 6 Tensile strength and elongation of composites reinforced by different mass fraction of single nano-SiC particles

2.4 納/微米SiC顆粒增強鋁基復合材料的硬度及力學性能

圖7是質量分數為2%，加入不同尺度的SiC顆粒作為增強體時，復合材料的硬度測量結果。該結果顯示加入納/微米SiC顆粒作為增強體時，復合材料的硬度值最高(98.6 HV)，其次是微米SiC顆粒(87.2 HV)，最后是納米SiC顆粒(81.2 HV)。復合材料的硬度值較基體材料分別增大了57.2%、39.0%和29.5%。這是因為微米SiC顆粒尺寸較大，直接承受載荷，起到了一個骨架支撐的作用，從而其硬度值有明顯的提高[12]。納米SiC顆粒主要由于強化作用對硬度值產生影響，而納/微米SiC顆粒在增強鋁基復合材料時，在2種不同尺度的SiC顆粒作為增強體對復合材料的協同作用下，硬度的增強效果要高于單一尺度SiC顆粒的。圖8是加入不同尺度的SiC顆粒作為增強體時，復合材料的抗拉強度以及伸長率的測量結果。從圖8中可以得知，加入納/微米SiC顆粒增強時，復合材料抗拉強度最高(298.2 MPa)，其次是納米SiC顆粒(285.9 MPa)，最后是微米SiC顆粒(275.7 MPa)。分別較基體(215.2 MPa)提高了38.5%、32.8%和28.1%。在基體中加入SiC顆粒后，顆粒增強型復合材料的強化機制主要是位錯強化和Hall-Petch強化以及Orowan強化等等，根據Hall-Petch的公式：

ΔσHall-Petch=Ky(d-1/2composites-d-1/2matrix).

(1)

其中，Ky為材料常數，取決于材料的晶體結構；d-1/2composites為顆粒增強復合材料的晶粒尺寸；d-1/2matrix為基體合金的晶粒尺寸；ΔσHall-Petch為材料的屈服極限增量)。研究可知，晶粒的尺寸越小，材料的強化效果越好[13]。

圖7 不同尺寸SiC顆粒增強復合材料的硬度

Fig. 7 Hardness of SiC particle reinforced composites with different sizes

從圖4(a)、(b)可以看出，納米SiC顆粒作為增強體的平均晶粒尺寸比微米SiC顆粒作為增強體的平均晶粒尺寸小，因此起到了明顯的細化和抗拉強度提升的作用。納/微米 SiC顆粒作為增強體時，對復合材料的強度方面和塑性均方面有很大的提高，綜合性能方面最強。比單一納米、微米SiC顆粒作為增強體的強化效果要明顯得多，彌補了單一納米、微米SiC顆粒在強度或者塑性方面增強效果的不足。在先前的研究中，當添加微米SiC顆粒作為增強體時，復合材料強度通常增加，但是以犧牲塑性為代價。而加入納米SiC顆粒在基體中會均勻分散以及晶粒細化，使得復合材料的晶界處會產生相對較小的應力集中，很難再有裂紋的產生，使得復合材料伸長率有所提高，這說明了在本次研究中采用真空吸鑄技術制備，添加納/微米SiC顆粒作為增強體，與此同時復合材料的強度和塑性也都得到相應的改善。

圖8 不同尺寸SiC顆粒增強復合材料的抗拉強度及伸長率

Fig. 8 Tensile strength and elongation of SiC particle reinforced composites with different sizes

3 結束語

(1)納米SiC顆粒在基體內的分散性隨質量分數改變而發生變化。當其質量分數為2%時，納米SiC顆粒在基體中是呈有序分散的狀態，無明顯團聚現象。當納米SiC顆粒的質量分數繼續增大時，缺陷增多并且均勻分散程度明顯下降。

(2)當納米SiC顆粒質量分數發生改變時，復合材料的硬度、抗拉強度和斷裂伸長率呈先增大后減小的變化趨勢。當納米SiC顆粒質量分數為2%時，復合材料的硬度、抗拉強度和斷裂伸長率最高，達到了81.2 HV、285.9 MPa和56%，與基體材料(62.5 HV、215.2 MPa 和45%)相比增加了29.9%、32.8%和24.4%。

(3)納/微米SiC顆粒增強鋁基復合材料時，硬度、抗拉強度和伸長率分別為98.6 HV、298.2 MPa和58%，與基體相比，分別提高了57.2%、38.5%和28.8%。強度和塑性的增強效果都遠遠高于增強體為單一納米、單一微米SiC顆粒的鋁基復合材料，納/微米SiC顆粒作為增強體復合材料綜合性能最佳。