界面反应对铝熔体与Si3N4多孔陶瓷界面的润湿作用

应用界面润湿理论从热力学角度计算了铝熔体和Si3N4陶瓷存在界面反应时的润湿角；通过测量不同浸渗时间下浸渗厚度，结合浸渗动力学模型，获得实际浸渗过程中铝合金熔体与Si3N4多孔预制体之间润湿角，并将该试验结果与上述理论计算结果相比较。研究表明：Al／Si3N4界面反应过程对熔体与预制体的润湿起到重要作用；应用界面润湿理论计算得到T=1223K（950℃）时，Al／Si3N4界面实际接触角θ值为60．2°，界面反应对界面接触角的贡献达到47．6°，计算结果与浸渗动力学试验吻合。     

无压浸渗制备Si3N4/Al复合材料的反应浸渗机理

采用"中断浸渗"方法获得保留了"浸渗前沿"的样品,应用扫描电子显微镜和X射线能谱分析了浸渗界面上的形貌和成分变化,深入讨论了浸渗界面推进过程中的物理、化学反应过程.采用扫描电镜等微观分析手段观察了复合材料显微形貌,探讨了界面反应机理.研究结果表明:浸渗界面推进过程中熔体中的Mg富集在浸渗前沿的预制体上,并与预制体发生反应;Al/Si3N4界面反应产物AlN相形成"楔形"向Si3N4单元心部推进,细观上呈现含毛细通道的胞状辐射形貌,大量毛细通道确保了Al和Si3N4之间的置换反应持续进行;Al与Si3N4的置换反应产物Si绝大部分溶解在铝镁合金熔体中.     

无压浸渗制备Si3N4／Al复合材料的反应浸渗机理

采用“中断浸渗”方法获得保留了“浸渗前沿”的样品，应用扫描电子显微镜和X射线能谱分析了浸渗界面上的形貌和成分变化，深入讨论了浸渗界面推进过程中的物理、化学反应过程。采用扫描电镜等微观分析手段观察了复合材料显微形貌，探讨了界面反应机理。研究结果表明：浸渗界面推进过程中熔体中的Mg富集在浸渗前沿的预制体上，并与预制体发生反应；Al／Si3N4界面反应产物AlN相形成“楔形”向Si3N4单元心部推进，细观上呈现含毛细通道的胞状辐射形貌，大量毛细通道确保了Al和Si3N4之间的置换反应持续进行：Al与Si3N4的置换反应产物Si绝大部分溶解在铝镁合金熔体中。     

Ni-Fe-Cr-Ti及Co-Ni-Fe-Cr-Ti(Si,B)系高温钎料对Si3N4陶瓷的润湿与界面连接

采用座滴法研究了Ni-Fe-Cr-(14-29)Ti(质量分数,%,下同)合金在Si3N4陶瓷上的润湿行为结果表明,在1493 K,10 min的真空加热条件下,随着含Ti量的增加,合金的润湿性逐渐改善,含Ti量为24%-29%时合金的润湿角达到27.3°.微观分析表明,钎料中的元素Cr向Ni-Fe-Cr-(24-29)Ti/Si3N4界面区扩散和富集,生成了复杂的Cr-Ni-Fe-Si四元化合物.分析了Ti元素含量的增加对于合金润湿性改善的原因.合金中加入元素Co并降低Ni含量可增强Ti,Cr的活性,导致形成不同的界面反应产物并对合金润湿能力及界面结合能力产生重要影响.成分调整后的Co-Ni-Fe-Cr-(14-20)Ti合金对Si3N4的润湿角可达到20.0°,形成牢固的润湿界面.     

（Al2O3—SiO2）sf／Al—Si复合材料的界面反应

本文对液体浸渗法制备的（Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２）ｓｆ／Ａｌ－Ｓｉ复合材料界面反应进行了研究,采用化学反应涂层处理的方法,在Ａｌ２Ｏ３－Ｓｉｏ２短纤维表面涂覆一层非晶态的ＳｉＯ２,从而改变纤维与基体的结合方式,使界面由溶解结合转变为反应结合,并产生了ＭｇＡｌ２Ｏ４界面反应相,ＭｇＡｌ２Ｏ３相的大小和分布对复合材料的力学性能产生重要影响,ＭｇＡｌ２Ｏ４在界面呈非连续的块状分布时,复合材料强度最高,当界在     

Cu—Nu—Ti合金钎料对Si3N4陶瓷的润湿与连接

采用座滴法研究了Ｃｕ－Ｎｉ－（２７－５６）Ｔｉ合金（原子分数,％,下同）在Ｓｉ３Ｎ４陶瓷上的润湿行为。选用真空熔炼合金Ｃｕ３８Ｎｉ３０Ｔｉ３２和Ｃｕ３４Ｎｉ２７Ｔｉ３９作为钎料时,获得的Ｓｉ３Ｎ４／Ｓｉ３Ｎ４接头的强度不理想。     

化学镀镍层与Si3N4陶瓷的界面反应

采用真空加热和辉光离子轰击加热两种方式,对化学镀镍Si3N4陶瓷进行扩散热处理,并利用X射线衍射仪分析和讨论了化学镀Ni层与Si3N4的界面反应.分析表明,辉光离子轰击扩散能够显著促进镀Ni层与Si3N4的界面反应,其界面反应产物为Ni2Si、Ni3Si和Ni5Si2.随着扩散热处理温度的提高,反应产物的数量明显增加.处理前后,化学镀镍Si3N4陶瓷与金属钎焊接头剪切强度可由70mPa提高至123mPa.     

无压浸渗高体积分数SiCp/Al复合材料界面反应特征

采用无压浸渗法制备高体积分数的SiCp/Al复合材料,研究合金/碳化硅界面区域的相组成和界面反应产物分布特征.结果 表明,高硅铝熔体会与SiC发生界面反应,界面产物Al4C3仅存在于铝合金和SiC的浸渗界面区域附近,且含量沿浸渗方向逐渐减少.Al43在潮湿的环境下水解,宏观表现为材料粉化.     

铝液对石墨润湿过程的研究

铝-石墨复合材料制造中的突出问题是铝液与石墨的润湿能力很差,为此大多在工艺上采取措施,如石墨表面喷涂Ti-B,Ni或Cu涂层,或采用流变铸造等。然而这些措施使得工艺复杂、成本提高,因而推广应用受到限制。为改善铝液与石墨的润湿能力,有必要深入研究铝液对石墨的润湿过程。国内外这方面报道甚少,而且所报道的结果差别较大。我们通过长时间的保温试验,仔细地研究了不同温度下铝液对石墨的润湿过程,发现了一些新的现象。     

无压浸渗制备Si3N4/Al-AlN复合材料的动态性能

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对无压浸渗制备的Si3N4/Al-AlN复合材料进行不同应变速率下的动态压缩实验,并与准静态压缩实验相比较;利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析了复合材料的相组成和断口形貌.结果表明:Si3N4/Al-AlN复合材料的准静态压缩强度和断裂应变均高于动态压缩,分别达到1 748MPa和10.87%;在动态压缩中,当应变率从740提高到1 850,压缩强度稍有提高,断裂应变则增大1倍,达到7.6%,具有明显的应变率效应.准静态压缩中复合材料发生粉碎性解体而动态压缩中主要为劈裂,断裂面平整;微观断裂机制为解理脆断和韧性撕裂,随着应变率增加,断口上韧性撕裂形貌增加.复合材料内Si3N4与Al-Mg合金熔体的置换反应产物AlN相的大量存在是复合材料在高应变率冲击压缩载荷下显现由脆至韧转变的重要原因.     

用Al作中间层的Si3N4陶瓷的扩散焊接

在温度为600℃，压强为30MPa和保温2h的条件下，成功地实现了Si3N4／Al／Si3N4试样的直空扩散连接，用SEM和EPMA方法进行的连接机理分析表明，Si3N4和Al的连接是通过有限的原子相互扩散实现的。用SEM和EDXA方法研究了Si3N4／Al界面的断口。结果表明，Si3N4／Al界面的断裂模式属于界面脆性剥离。     

Si3N4p/Al复合材料动态压缩性能研究

采用无压浸渗的方法制备了陶瓷(Si3N4p)含量为34.4%、46.3%和51.4%的3种Si3N4p/Al复合材料,应用分离式霍普金森压杆装置测试了复合材料在不同应变率下的动态压缩性能,并与准静态压缩性能进行了比较.分析了应变速率和陶瓷含量对复合材料动态性能的影响规律,探讨了复合材料微观组织特征对复合材料动态性能的影响机制.研究结果表明,Si3N4p/Al复合材料的动态压缩强度高于准静态压缩强度;在动态压缩过程中,高应变率载荷导致复合材料铝合金基体中具有高位错累积速率和较高的温升,因而复合材料动态压缩响应表现为"应变率硬化"效应和"热软化"效应的耦合.复合材料的动态压缩强度随着陶瓷含量增加而增加;热软化效应则随陶瓷含量增加、铝合金变形能力下降而相应减弱.     

TiAl与Si3N4f/Si3N4复合材料钎焊接头界面结构及性能研究

采用AgCuTi钎料实现了TiAl与Si3N4f/Si3N4复合材料的钎焊,确定了钎焊接头的典型界面组织结构为TiAl/AlCuTi/Ag(s,s)/TiN/Si3N4f/Si3N4。钎焊过程中,液相钎料在Si3N4f/Si3N4复合材料表面发生较好润湿,钎料中活性元素Ti与Si3N4基体及纤维发生反应形成连续的TiN化合物层。过高的钎焊温度或过长的保温时间导致钎缝中脆性的AlCuTi化合物增加,且由于接头应力的作用在钎缝中产生微裂纹甚至开裂,严重地降低了钎焊接头性能。当钎焊温度T=850℃,保温时间为10min时,接头抗剪强度达到最大,为9.4MPa,超过Si3N4f/Si3N4母材层间抗剪强度的60%。断口分析表明:压剪过程中,断裂发生在Si3N4f/Si3N4复合材料一侧。     

CNTs的添加对纳米Si3N4陶瓷组织与力学性能的影响

采用热压烧结法制备了CNTs-Si3N4纳米复相陶瓷,研究了碳纳米管(CNTs)的添加对Si3N4陶瓷组织与力学性能的影响,用XRD分析了该复合材料的相组成,并对它的硬度、抗弯强度和断裂韧性进行了测试.结果表明,CNTs-Si3N4纳米复相陶瓷的相为a-Si3N4、β-Si3N4和Si2N2O;其抗弯强度和断裂韧性均随碳纳米管含量的增加呈先升后降的变化趋势,最大值分别在CNTs添加量为2wt%和4wt%时获得;CNTs添加量为2wt%时,硬度略有提高,然后随碳纳米管含量的继续增加而逐渐降低;CNTs-Si3N4纳米复相陶瓷的主要增韧机制为碳纳米管的拔出、桥联和裂纹偏转.     

无压烧结Si3N4陶瓷在加湿空气中的氧化行为

研究了无压烧结Ｓｉ３Ｎ４陶瓷在１２００℃、在流动的含水汽２０ｖｏｌ％的加湿空气中的氧化行为。研究表明,Ｓｉ３Ｎ４陶瓷在加湿空气中氧化比在自然空气中氧化剧烈。动力学研究表明,Ｓｉ３Ｎ４陶瓷在加湿空气中氧化分两个阶段进行,第一为直接氧化此时,氧化增生与氧化时间成线性关系,第二阶段为钝化氧化,此时,氧化主要通过离子和分子的扩散来完成。     

Si3N4陶瓷／45钢钎焊接头残余热应力数值模拟

采用热弹塑性有限元方法,考虑了温度变化对材料性能的影响,对Si3N4陶瓷/45钢钎焊接头的冷却过程进行数值模拟,得到了接头在冷却过程中界面、金属、陶瓷材料的降温曲线以及界面附近热应力大小和分布.模拟结果表明,接头界面降温速度介于金属和陶瓷外端面之间,陶瓷与金属温度差最大为89 ℃.在接头结合良好的条件下,冷却过程中陶瓷表面边棱距界面1.86 mm处存在最大主应力,可根据残余主应力在陶瓷表面的分布预测裂纹最有可能开启的位置.     

Csf/Si3N4复合材料的力学性能和微波介电性能研究

采用热压烧结的方法,以α-Si3N4粉和短切碳纤维为主要原料,以Y2O3和La2O3为烧结添加剂,制备Csf/SiN4复合材料,研究了其力学性能和微波介电性能.结果表明,该Csf/Si3N4复合材料的抗弯强度随纤维含量的增加呈现下降的趋势,是由于碳纤维氧化所产生的缺陷所致;当纤维含量较低时,断裂韧性随纤维含量增大而增大,由于纤维氧化产生的缺陷阻止了裂纹进一步的扩展或使裂纹发生了偏转.当纤维含量超过1%(质量分数)后,随着纤维含量的增大,氮化硅显微结构发生变化,氮化硅陶瓷本身断裂韧性减小,使Csf/Si3N4复合材料断裂韧性逐步降低.当碳纤维含量在0～1%(质量分数)时,随着碳纤维含量的增加,介电常数ε',ε"和介电损耗tanδ均随着纤维含量的增加而增大,而且所制得的复合材料表现出较强的频散效应;当纤维含量继续增加时,在相同的频率下,介电常数下降,材料的频散效应逐渐消失.