真空辅助差压浸渗制备C_f/Al复合材料的组织与性能

基于差压铸造原理开发出连续碳纤维增强铝基复合材料(Cf/Al)真空辅助差压浸渗制备新工艺。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和透射电镜(TEM)分析了Cf/Al复合材料的微观组织、纤维分布、界面结构成分和试样断口形貌,通过三点弯曲试验测试了Cf/Al复合材料的室温抗弯强度。结果表明,制备的复合材料组织致密,纤维分布均匀且与基体结合良好;复合材料中界面反应物尺寸细小且呈非连续分布状态,其主要成分为Al4C3相和Mg2Si相;复合材料室温抗弯强度达到了1 078MPa,断口有部分纤维拔出和C/Al界面脱粘现象,呈现出明显的韧性断裂特征。     

真空热压SiC_p/2024Al复合材料力学性能与显微结构

采用真空热压法制备了体积分数为30%的Si Cp/2024Al复合材料,研究了该复合材料的显微组织结构及力学性能。结果表明,复合材料组织致密,颗粒与基体界面结合状况较好,Si C颗粒在铝基体中基本上分布均匀。经490℃、2 h固溶处理和170℃、8 h人工时效后,Si Cp/2024Al复合材料的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为409 MPa、325 MPa和4.9%,基体中存在大量的纳米析出相为S'(Al2Cu Mg)。随Si C颗粒加入,复合材料力学性能提高,其断裂方式为基体开裂和界面处撕裂。     

烧结挤压制备SiC颗粒增强Al-Si基复合材料及其组织性能分析

采用冷压烧结-热挤压复合工艺制备Si C颗粒增强Al-Si基复合材料,利用高分辨电子透射电镜分析该复合材料的界面显微组织。结果表明:制备得到的Si C颗粒增强Al-Si基复合材料存在清晰的波浪形界面结构,且存在较多的扇贝状结构与许多微孔;时效处理使界面的波浪形程度降低,微孔与扇贝状结构消失。时效处理后复合材料界面存在4 nm厚的非晶层,对复合材料进行热挤压会使Al基出现局部熔融现象。热压后复合材料的界面第二相结构和Al基体之间形成了清晰的界面,第二相成分是Al_4Cu_9。在时效处理后复合材料界面区域存在众多的Al_2Cu小尺寸颗粒,并形成了均匀的分布状态,同时发生了明显的晶格畸变。     

B4C/Al复合材料力学性能及其断裂机理的研究

对无压浸渗法制备的B4C/Al复合材料进行了力学性能测试。结果表明,B4C/Al复合材料的抗弯强度和断裂韧性与单一B4C材料相比有显著提高。B4C/Al复合材料的抗弯强度及断裂韧性分别比单一B4C提高了18.39%和75.27%,但其硬度降低。B4C/Al复合材料经扫描电镜和背散射仪分析后发现,无压浸渗法制备的B4C/Al复合材料中没有大尺寸的显微缺陷,组织分布比较均匀、致密;B4C以连续的骨架结构存在,而渗入的铝相也以连续基体的形式存在;单一B4C存在较多的穿晶断裂,而B4C/Al复合材料的断裂方式主要以沿晶断裂为主,这是B4C/Al复合材料断裂韧性提高的主要原因。     

Process and Performance of β-SiCp/Al Prepared by Bottom-Vacuum Pressureless Infiltration

采用底部真空无压浸渗新工艺制备了β-SiCp/Al复合材料。SiC预制体在1373 K高温氧化及被熔融铝浸渗时加入Si、Mg合金元素。通过金相显微镜及SEM表征了复合材料的表面和断口形貌。结果表明,SiC颗粒在基体铝中分布均匀,SiC预制体浸渗完全。XRD分析表明,复合材料中的主晶相为SiC和Al,存在Mg2Si,MgAl2O4界面产物,没有出现Al4C3脆性相。复合材料的力学性能研究表明,复合材料的磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损;随着SiC体积分数的增加,复合材料的磨损率下降,硬度上升。     

底部真空无压浸渗制备SiC_p/Al工艺与性能（英文）

采用底部真空无压浸渗新工艺制备了β-SiCp/Al复合材料。SiC预制体在1373 K高温氧化及被熔融铝浸渗时加入Si、Mg合金元素。通过金相显微镜及SEM表征了复合材料的表面和断口形貌。结果表明,SiC颗粒在基体铝中分布均匀,SiC预制体浸渗完全。XRD分析表明,复合材料中的主晶相为SiC和Al,存在Mg2Si,MgAl2O4界面产物,没有出现Al4C3脆性相。复合材料的力学性能研究表明,复合材料的磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损;随着SiC体积分数的增加,复合材料的磨损率下降,硬度上升。     

无压浸渗高含量Si/Al复合材料的凝固组织特征

对用无压浸渗法制备的高含量Si/Al复合材料的浸渗及凝固组织进行了研究,对Si骨架间的凝固组织和浸渗过程中的水淬组织进行了详细的分析,并对2种组织进行了比较.结果表明,Si骨架间的过共晶Al-Si合金液的水淬组织为伪共晶组织,高速率的凝固阻碍了Si的析出和扩散.而在缓慢冷却凝固时,随着初晶Si的析出,形成呈网络状连续的Si相骨架,Si骨架间隙进一步减小,剩余的过共晶成分的液相被分隔局限其间,液相比例减少.在被Si相骨架分隔的微区内产生了类似于离异共晶的析出现象――初晶Si和共晶Si只能沿原预制体Si多孔体骨架上附着析出,凝固后的Al基体为α相,而不是典型的Al-Si共晶组织.另外,Si相的体积分数决定于浸渗温度.     

B4C/Al复合材料摩擦磨损特性研究

利用无压烧结和无压浸渗工艺制备了致密均匀的B4C/Al复合材料,通过研究复合材料在保温处理前后的组织变化和磨损形貌变化,研究了复合材料的摩擦磨损特性.结果表明,保温处理可有效减少复合材料中Al和B4C的含量,并显著提高Al3BC的含量,并形成新的陶瓷相AlB2相.由于陶瓷相的增多,保温处理后的B4C/Al复合材料的硬度得到显著提高,摩擦因数更为稳定,磨损表面较光滑,磨损量极少,显示出优异的耐磨性.     

镀钛SiC颗粒增强Al 2519复合材料的组织与力学性能（英文）

采用真空蒸镀法对Si C颗粒(SiC_p)表面进行镀Ti改性改善SiC_p/Al复合材料界面结合,采用热压、挤压和热处理等方法制备镀Ti后SiC_p和原始SiC_p增强的Al 2519基复合材料。通过扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析Ti镀层对复合材料组织与性能的影响。结果表明,致密沉积的Ti镀层与SiC_p反应,在界面处形成Ti C和Ti5Si3相;与用原始SiC_p增强的复合材料相比,用Ti镀覆SiC_p增强的复合材料表现出均匀且致密的显微组织且复合材料的相对密度和力学性能得到显著改善。体积分数为15%时,镀Ti后SiC_p增强Al2519复合材料的硬度、断裂应变和拉伸强度达到最优,分别为HB 138.5、4.02%和455 MPa。     

Thermo-physical Properties and Reaction Process of SiCp/Al-7Si-5Mg Aluminum Matrix Composites Fabricated by Pressureless Infiltration

采用无压浸渗法制备出了体积分数为55%~70%的SiCp/Al复合材料,并对其反应机理、组织形貌以及热物理性能进行了研究。XRD及热力学分析表明：复合材料在制备的过程中最可能发生的界面反应为SiO2(s)+Al(l)+MgO(s)→MgAl2O4(s)+Si(s),提高Si元素的活度可以有效抑制有害界面产物Al4C3的生成;金相显微分析表明：复合材料组织均匀,结构致密,在复合材料制备过程中易产生浸渗缺陷;热物理研究表明：浸渗缺陷较少,结构致密的复合材料其最佳热导 (TC) 和热膨胀系数 (CTE) 分别为170.2 W/(m·K)和6.64×10-6 K-1。     

催化剂对B4C-SiC-Si复合材料组织与性能的影响

采用间苯二酚甲醛水基凝胶体系,通过凝胶注模成形法制备B4C/C坯体,结合反应渗Si烧结工艺制备B4C-SiC-Si复合材料。重点考察Na2CO3、NaOH、KOH、Na2SiO3和NaHCO3 5种不同碱性催化剂对B4C-SiC-Si复合材料组织与力学性能的影响。结果表明:催化剂主要影响复合材料的组织均匀性及游离Si的尺寸。分别添加5种不同催化剂时复合材料均由BxC、B12(B,C,Si)3、SiC和Si组成。以NaOH、KOH或NaHCO3为催化剂时,复合材料中游离Si的分布较均匀、尺寸较小;以NaOH作为催化剂时,B4C-SiC-Si复合材料的综合力学性能最佳,其硬度、抗折强度和断裂韧性分别达到16.9 GPa、296 MPa和4.15 MPa·m1/2。     

多孔体制备工艺对C/C-SiC复合材料弯曲性能的影响

以针刺整体炭毡为坯体,采用CVD和树脂浸渍／炭化混合法增密制备了4种C／C多孔体,然后熔硅浸渗C／C多孔体制备了C／C-SiC复合材料;研究了不同炭涂层、高温热处理对C／C-SiC复合材料弯曲强度和断裂方式的影响。结果表明：热解炭涂层可减少制备过程中炭纤维的损伤,具有适中的界面结合强度,使复合材料的弯曲强度达到161．5MPa,表现出良好的“假塑性”;适当选择高温热处理工艺可制备弯曲性能较高,具有一定“假塑性”的C／C-SiC复合材料。     

退火处理对B4C-CeB6/Al复合材料相组成及其力学性能的影响

首次向B4C中添加CeO2,原位合成制备了B4C-CeB6多孔增强体。然后采用无压浸渗法,将金属铝渗入B4C-CeB6增强体中,制备出B4C-CeB6/Al复合材料,对其进行了相组成的分析和力学性能的测试。对无压浸渗法制备的B4C-CeB6/Al复合材料进行不同温度下的退火处理后,对其也进行了相组成的分析和力学性能的测试。结果表明,在本试验的退火温度下,退火后的B4C-CeB6/Al复合材料的抗弯强度相比未退火的有显著提高;而退火后的B4C-CeB6/Al复合材料的断裂韧性略有提高;退火处理对复合材料硬度几乎没有影响。将未退火的B4C-CeB6/Al复合材料和退火处理后的B4C-CeB6/Al复合材料都用XRD检测其中的相组成,发现其中相组成无变化,但是复合材料中各相的含量变化却各不相同。     

高体分比SiCp／Al复合材料的近净成形技术

高体积分数SiCp／Al复合材料具有优异的热物理性能,且密度较低,是非常理想的电子封装材料。但是由于其本身高的脆性和硬度,使得该材料很难通过二次机械加工成所需要的形状,严重制约了该材料的应用：采用粉末注射成形-无压熔渗工艺成功实现了高体积分数SiCp／Al复合材料的近净成形：采用该工艺所制备的复合材料的致密度高于99％,可实现热膨胀系数在（5—7）×10^-6K^-1范围内进行调节,材料的热导率高于185W／（m·K）,抗弯强度高于370MPa,气密性可达10^-11Pa·m^3·s^-1,各项指标均叮以满足电子封装对材料的性能要求,另外为了实现SiCp／Al复合材料与其他材料的封接,项目成功开发了一种Al—Si—Cu系焊料,封接后器件的各项性能指标尤其是气密性也均能满足使用要求。     

高温循环下SiC-C/SiBCN复合材料的力学性能研究

采用化学气相沉积(CVD)结合前驱体浸渍裂解(PIP)技术制备了SiC涂层的C/Si C和C/SiBCN复合材料,研究了高温循环氧化对2种复合材料弯曲性能的影响。结果表明,与SiC-C/SiC相比,SiC-C/SiBCN复合材料的平均室温抗弯曲强度约为605 MPa,增幅达到126.6%。在1000和1200℃循环3次后,Si C-C/SiBCN的剩余抗弯曲强度分别为417和342 MPa,强度保留率分别为68.9%和56.5%,显著优于SiC-C/Si C复合材料。与PIP SiC陶瓷基体相比,Si BCN基体的孔隙率更低,高温下SiBCN氧化后形成SiO_2和B_2O_3,可以更好地降低O_2的透过率,提高材料的抗氧化性能和强度保留率。     

Fabrication of Short Graphite Fiber Preforms for Liquid Metal Infiltration

Starch-based and paraffin wax (PW)-based binders were used to fabricate short graphite fiber preforms for liquid metal infiltration. The effects of different binder components and debinding process parameters on the properties of short graphite fiber preforms were investigated. The results indicate that the graphite fiber preforms with appropriate porosity of 58-62% and relatively high compressive strength of about 2-3 MPa can be made by starch-based and PW-based binders. The graphite fiber preforms made from the PW-based binder exhibit higher compressive strength than that of the starch-based binder. Graphite fiber reinforced aluminum composites fabricated by utilizing these preforms through vacuum pressure infiltration have relatively high density of 98.5% and thermal conductivity of 186.3 W/m K, proving the applicability of the prepared preforms for liquid metal infiltration.     

氮化硅基多孔陶瓷的孔隙结构控制

氮化硅多孔陶瓷的孔隙率、孔径的调节与孔隙结构的控制主要是通过改变粉料颗粒配比、料浆浓度、成形密度和烧结工艺来实现的,得到的材料多以β-Si3N4为主相,对α-Si3N4多孔陶瓷材料的研究较少。本实验以磷酸锆为结合剂并添加不同成孔剂低温常压烧结制备以α-Si3N4为主相、孔隙可控的氮化硅基多孔陶瓷,孔隙率范围30%~70%,抗弯强度16~108MPa。     

Microstructure and mechanical properties of ZrB2–SiC composites prepared by gelcasting and pressureless sintering

ZrB₂–SiC ceramic composites were prepared through water-based gelcasting and pressureless sintering. Effects of the pressureless sintering temperature (1500–2000 °C), heating rate (5–15 °C/min) and soaking time (0.5–2 h) on the relative density, microstructure and mechanical properties of the ZrB₂–SiC composites were investigated in detail. A sintering temperature of 2000 °C, a heating rate of 5 °C/min and a soaking time of 2 h were found to be the optimal pressureless sintering procedure. The relative density, flexural strength and fracture toughness of the ZrB₂–SiC composite prepared under the optimum condition were 97.8%, 403.1 ± 27.8 MPa and 4.05 ± 0.42 MPa·m^1/2, respectively.     

粒度组成对高体积分数SiC_p/Al复合材料性能的影响

采用凝胶注模法制备SiC预制件用于无压熔渗液态铝合金实现60～67 vol%SiCp/Al复合材料的近净成形制备,研究了碳化硅颗粒级配及热处理对复合材料力学和热学性能的影响.结果表明:不同粒度的SiC粉体在铝基体中分布均匀,无明显偏聚现象;采用较细的SiC颗粒级配和退火处理都能有效提高复合材料强度;粗颗粒级配能增大SiC在复合材料中的体积分数,有利于导热性能的提高和热膨胀系数的降低;SiCp/Al复合材料抗弯强度介于240～365 MPa,室温时热导率介于122～175 W·m-1·℃-1.之间,室温至250℃的平均线热膨胀系数小于7.5×10-6℃-1,满足电子封装的性能要求.