不连续界面相Al4C3对SiC/Al复合材料界面结合影响的第一性原理及实验

采用密度泛函理论的第一性原理及实验相结合的方法,探讨了不连续界面相Al₄C₃对SiC/Al复合材料界面结合的影响,并与无界面新相生成时进行对比。研究表明,当Al(111)表面吸附C原子时,在Bridge位置上吸附C原子最为稳定;随着C覆盖率的增加,C原子吸附能逐渐减小;当界面相呈不连续分布时,界面由原来的SiC/Al转变为(SiC+Al₄C₃)/Al,界面黏着功由原来的0.851 J/m2增加至1.231 J/m2,这主要由于当C原子在Al表面吸附时,C原子和Al原子间形成共价键和离子键,且与界面处的Si原子也形成共价键,从而促进界面结合。利用第一性原理计算的SiC/Al和(SiC+Al₄C₃)/Al体系黏着功与实验值较为接近,且变化规律相同,具有较高的参考价值。      

热轧态LT24铝合金溶质原子的偏聚规律

采用原子探针层析技术(APT)等测试手段分析了LT24铝合金热轧后合金元素的偏聚规律。结果表明:热轧态铝合金晶粒内部有成分为Al0.5Mg(Si0.7Cu0.3)的析出相,析出相与基体之间的界面处没有元素偏聚。溶质原子Mg、Si、Cu在晶界处偏聚,在晶界处的偏聚规律与晶粒内部的相反,Cu的偏聚倾向远大于Si和Mg,晶界处Cu的含量达到基体Cu含量的45倍左右。基于实验结果,讨论了合金元素偏聚的规律及其对材料性能的影响。     

常规铸造工艺条件下SiCp/Al-Si复合材料中的界面反应

采用搅拌复合法制备了10%SiC／Al—5Si—Mg，10%SiC／Al—7Si—Mg(体积分数)复合材料，研究了在常规铸造工艺条件下重熔后复合材料中的界面反应。通过透射电镜和能谱分析可知，SiC界面基本上都是单一的SiC／Al及SiC／Si界面，部分界面上有MgAl2O4颗粒相形成，由于基体合金中Si的存在，生成Al2C3的有害界面化学反应得到了抑制。对不同文献中抑制Al4C3产生所需临界Si含量实验测定结果的差异进行了分析。     

晶格反演法构建SiC/Mg界面对势及其验证

通过分析SiC和Mg的晶体结构,构造了SiC与Mg的共格晶面。采用Chen-M9bius晶格反演法对SiC/Mg界面的原子对势进行了反演,分别推导了Si和Mg原子、C和Mg原子间作用势与界面结合能关系的解析表达式。在此基础上,从头计算了SiC/Mg界面的结合能曲线,结合反演公式得到了Si和Mg原子、C和Mg原子的对势函数,并对反演过程的自洽性进行了检验。此外,建立了其他6种不同的SiC/Mg界面构型,通过对比反演对势计算的界面结合能与从头计算的结果,对反演所得对势的可转移性进行了验证。结果表明:从头计算的界面结合能可以由反演对势精确地算出,整个反演过程和结果是自洽的,所得原子对势同样适用于其他界面构型,具有良好的可转移性。本文推导的反演公式同样适用于与SiC/Mg界面结构相似的其他界面原子对势的研究。     

利用APT研究RPV模拟钢中相界面原子偏聚特征

提高了Cu含量的核反应堆压力容器(RPV)模拟钢经调质处理(880℃保温0.5h,水淬;660℃保温10h)以及400℃时效1000h后,采用原子探针层析技术(APT)研究了碳化物/α-Fe基体,富Cu相/α-Fe基体以及富Cu相/碳化物界面处溶质或杂质原子的偏聚特征。结果表明:在碳化物/α-Fe基体界面处P原子偏聚最明显;在富Cu相/α-Fe基体界面处Ni原子偏聚最明显,Mn原子也有微弱的偏聚;在富Cu相/碳化物界面处未发现溶质或杂质原子的偏聚现象。不同相界处原子偏聚不仅与界面本身微观结构有关,也与相界附近化学特性有关。     

SiC颗粒增强镁基复合材料界面稳定性的第一性原理计算

针对SiC颗粒增强镁基复合材料界面的理论研究较少,大多研究仅停留在表征层面等问题。本文采用第一性原理方法,计算了四种不同SiC(0001)/Mg(0001)界面模型的电荷密度、布局分析和界面分离功。结果表明:对于同种终端的SiC(0001)/Mg(0001)界面模型中,顶位型结构比心位型结构的稳定性好;不同终端的SiC(0001)/Mg(0001)的界面模型中,Si终端结构比C终端结构更加稳定,其中Si终端顶位型结构稳定性最好,其分离功为W_sep=3.297 J/m²,界面间距为d₀=2.651nm。界面的键合方式主要为C-Mg共价键和Mg-Si离子键。     

微量Er、Zr对Al-1.5Mg合金微观组织和性能的影响

借助OM、XRD和SEM等手段研究了微量Er、Zr元素对Al-1.5Mg合金微观组织和性能的影响。结果表明:合金中除了含有少量的β相(Mg2Al3)和Mg2Si外,绝大部分为铁基相(Al3Fe和Al12Fe3Si);复合添加Er、Zr能促进铁基相析出,实现针状相转化为相对无害的骨骼状相,提高了合金的宏观硬度和加工性能;大部分Er溶解在Al基体中,其余分布在晶界处的Er易吸附固/液界面前沿处的铁等原子,造成成分过冷,从而增加形核率,细化晶粒;Zr几乎都固溶于Al基体中,但有少量Al3Zr粒子形成。     

20wt% SiO2/Al-Mg复合材料的界面反应及其微结构

采用粉末冶金法制备了20wt%SiO2/Al-Mg复合材料。研究了SiO2和基体元素Al,Mg反应机制,研究表明:在原SiO2颗粒内,形成MgAl2O4,MgO,Mg2Si和少量Al和Si。MgAl2O4呈不规则形状,而且MgAl2O4往往和Al相邻;MgO和Mg2Si形成片层状共析体;经620℃烧结30min,SiO2被完全反应掉。反应生成物Si多数被排到Al基体中;原Al-Mg基体中主要物相为:Al,Mg2Si和Si,Mg2Si颗粒的尺寸小于0.2μm。原Al-Mg基体中,单质Mg已不存在,Mg反应形成Mg2Si。     

GO/Ti基复合材料界面性质的第一性原理研究

目的 研究氧化石墨烯在继承石墨烯优异性能的同时,是否会因为官能团的存在而影响复合材料界面的结合方式,抑制脆性相TiC的产生,解决石墨烯作为增强体时易发生界面反应从而影响材料塑韧性的问题。方法 根据(0001)Ti∥(0001)GO、 ∥ 界面位向关系,建立了Ti/氧化石墨烯/Ti共格界面模型。采用第一性原理计算方法从电子原子尺度研究了环氧基和羟基对Ti/氧化石墨烯/Ti界面黏附功、界面能、原子结构和电子结构的影响。结果 环氧基和羟基都会使界面黏附功变大,界面能减小,形成结合更强、更稳定的界面,其中环氧基的贡献更大。官能团附近的Ti原子与氧化石墨烯中C原子的结合能力减弱。在形成界面时,氧化石墨烯被还原,环氧基和羟基中的O原子与Ti基体会发生反应生成固溶体,羟基中的H原子可能保持与O原子之间的相互作用,也可能会脱离O原子的束缚与Ti基体有相互作用。结论 当氧化石墨烯和Ti基体形成界面时,氧化石墨烯的官能团会固溶在Ti基体中,抑制界面产物脆性相TiC的产生,石墨烯的片层结构更容易被保留,形成界面结合更好的复合材料。     

钢/铝添加粉末激光焊接头界面组织与性能

基于密度泛函理论的第一性原理,利用层技术构建钢/铝激光焊接的Fe/Al界面模型,研究金属原子X(X=Sn,Sr,Zr,Ce,La)置换Fe/Al界面模型中Fe(Al)原子的合金形成热及其体系电子结构。结果表明:Sn,Sr,Ce优先置换Fe/Al界面处的Al原子,而La,Zr优先置换Fe/Al界面处的Fe原子,合金化促进Fe/Al界面电子在不同轨道之间的转移,增强Fe-Al的离子键性能,提高Fe/Al界面结合能力,改善Fe/Al界面的脆性断裂,其中Sn的合金化效果最显著。在此基础上,进行1.4mm厚DC51D+ZF镀锌钢和1.2mm厚6016铝合金试件添加Sn,Zr粉的激光搭接焊实验,结果显示:添加粉末可促进焊接熔池的流动性,改变接头界面成分和显微组织,添加Sn粉激光焊钢/铝接头的抗拉强度327.41MPa,伸长率22.93%,较添加Zr粉和未添加粉末有了明显提高。     

SiC陶瓷与Zn界面结合特性的第一性原理研究

低温焊接SiC陶瓷是金属/陶瓷连接领域非常重要的研究方向,而与之相关的理论研究相对匮乏,同时,通过实验手段难以描述金属/陶瓷界面原子之间的相互作用。为研究低温Zn基钎料与SiC陶瓷的界面结合方式,采用第一性原理方法,计算了Zn(0001)和SiC(0001)的表面能,6种不同堆垛方式的Zn(0001)/SiC(0001)界面模型的分离功,并分析了其中最稳定两种模型的电荷密度图、电荷密度差分图和Mulliken布局。结果表明:Zn/SiC界面只形成了Zn-Si离子键,Si终端孔穴型界面的Zn-Si键结合强度高于C终端孔穴型。     

无压浸渗制备SiC/Al电子封装材料的结构与性能

将粒度为F280的SiC颗粒振实后直接无压浸渗液态AlSi12Mg8铝合金,制备出高SiC含量的铝基复合材料,并对其结构和性能进行了研究。结果表明:采用该方法制备的SiC/A1复合材料内部组织结构均匀致密,无明显气孔等缺陷,界面产物主要为Mg₂Si,MgO,MgAl₂O₄;平均密度为2.93 g·cm^-3,抗弯强度在320 MPa以上,热膨胀系数为6.14×10^-6～9.24×10^-6 K^-1,导热系数为173 W·m^-1·K^-1,均满足电子封装材料要求。     

无压浸渗制备的SiC/Al复合材料的微观组织研究

利用SRD,OM,SEM,TEM等微观结构分析手段,对无压浸渗制备的SiCp/Al复合材料的微观结构进行了研究。结果表明,SiCp/Al复合材料中存在SiC,Al,MgAl2O4,Si和Mgi2Si诸相。在组织中没有粗大的铝硅共晶体针条,铝基体被众多SiC颗粒分割,成为细小的连续的空间网络。在铝基体中分布着Si相及Mg2Si相。透射电子显微镜高分辨像表明,在SiC与铝合金的界面上存在镁铝尖晶石（MgAl2O4）相,没有出现Al4C3相。     

SiCP/ZL 109 复合材料中SiC 的界面行为

以常规TEM 为工具, 研究了SiCP/ ZL 109 复合材料中数十个SiC 颗粒及其界面,Si 优先在SiC 表面上形核、长大, 形成界面Si, 并形成大量SiC/S i 界面。靠近SiC 界面的Al 基体中, 普遍存在一层厚度小于1Lm 的“亚晶铝带”, 其内有大量位错。SiC 与Al、SiC 与Si 之间虽然没有固定的晶体学位向关系, 但是存在下列优先关系: (1103) _SiC//(111)_Al, [1120]_SiC//[110]_Al; (1101) _SiC//(111) _Si; [1120]_SiC//[112]_Si。      

铝基钎料在SiC及SiC_p/6061复合材料上的润湿性研究

对多种铝基钎料在SiC、6 0 6 1及SiCp 6 0 6 1复合材料上进行了润湿性试验。结果表明 :炉中钎焊时 ,钎料与钎剂的成分、加热温度与保温时间、钎料与钎剂熔化温度的匹配等是影响铝基钎料润湿性的主要因素 ;真空钎焊时 ,镁含量不同的各种含镁Al 2 8Cu 5Si钎料在Al基复合材料连接的温度范围内都不能润湿SiC陶瓷表面 ;配合QJ2 0 1钎剂 ,Al 2 8Cu 5Si 2Mg钎料对 15 %SiCp 6 0 6 1Al复合材料具有良好的润湿性 ,但对 30 %SiCp 6 0 6 1Al复合材料却润湿不良 ;在加钎剂的情况下 ,钎料中的镁反而对在铝合金及铝基复合材料上的润湿性有不利影响 ;在Al 2 8Cu 5Si 2Mg钎料和 15 %SiCp 6 0 6 1Al复合材料的钎焊界面处存在SiC颗粒的偏聚现象     

SiCP/AZ80镁基复合材料的界面与断口特征

本文用SEM,TEM研究了SiC颗粒增强AZ80镁合金复合材料的界面结构和断口形貌。结果表明,SiC颗粒与镁合金界面结合紧密,没有发生界面化学反应,但在界面处可以观察到Mg₁₇Al₁₂共晶相在SiC表面形核生长。对复合材料断口观察表明,SiC颗粒与镁合金界面之间的粘结强度大于基体的撕裂强度,SiC颗粒的聚集、团聚是导致复合材料断裂的主要原因,且复合材料的断裂形式趋向脆性断裂。     

Development of Some Fundamental Research of SiC_W/Al Composites in HIT PartⅠ Microstructure and SiC/Al Interface of SiC_W/Al Composites

The microstructure of SiC whisker reinforced aluminium alloy (SiC_w/Al) composite is reviewed,andthe SiC-Al interface in SiC_w/Al composite is especially discussed,The main contents aremorphology of the aluminium matrix in SiC_w/Al composite;microstructures and defects of SiCwhiskers in SiC_w/Al composite and bonding mechanisms of the SiC-Al interface in SiC_w/Al com-posite.     

Vacuum brazing of aluminium metal matrix composite (55 vol.% SiCp/A356) using aluminium-based filler alloy

Aluminium matrix composites with high volume fractions of SiC particles, as the reinforcements, are potentially suitable materials for electronic packaging. These composites, due to their poor weldability, however, have very limited applications. The microstructure and shear strengths of the bonds made in 55 vol.% SiC_p/A356 composite, using an aluminium based filler alloy containing Cu, Si, Mg and Ni, were investigated in this paper. The brazing temperature had a clear effect on the bond integrity, and the samples brazed at 560 °C demonstrated good bonding between the filler alloy and the SiC particles. The maximum shear strength achieved in this work was 102 MPa.