第３８卷２００９定增刊２
】２月稀有金屬材料與工程
ｒａｒｅｍｅ眥
三維網路ｓｉｃ多孑ｌ陶瓷增強鋁基複合材料的製備
張志金１，王揚衛１，于曉東１，王富恥１，李凱２，欒志強２
（１．北京理工大學，北京１０００８１）
（２．北京防化研究院第一研究所，北京１０００８３）
摘要：以中間相瀝青新增質量分數為５０％的ｓｉ粉製備的炭泡沫預製體為坯體，在高溫感應燒結爐中結合反應燒結工藝制各了ｓｉｃ多孔陶瓷預製體。利用擠壓鑄造工藝製備了ｓｉｃ多孔陶瓷增強鋁基複合材料。
採用掃瞄電子顯微鏡（ｓｅｍ）觀察了ｓｉｃ多孔陶瓷骨架及複合材料的微觀形貌和介面結構，通過ｘ射線衍射分析儀（ｘｒｄ）對多孔陶瓷預製體物相組成進行了分析。利用阿基公尺德排水法，測試了多孔陶瓷的孔隙率和複合材料的密度。結果表明：
新增ｓｉ的質量分數為５０％的炭泡沫預製體反應燒結後獲得的ｓｉｃ多孔陶瓷具有三維連續通孔結構，孔筋緻密並且具有較高的開口孔隙率。通過擠壓鑄造工藝製備的ｓｉｃ多孔陶瓷增強鋁基複合材料介面結合良好，無明顯缺陷。
關鍵詞：三維網路；複合材料：ｓｉｃ多孔陶瓷；擠壓鑄造
中圖法分類號：ｔｂ３３３文獻標識碼：ａ文章編號
近年來三維連續網路陶瓷增強金屬基複合材料引起了人們的注意。三維連續網路陶瓷增強金屬基複合材料，也叫作網路交叉複合材料或ｃ４材料卜３１。它是２０世紀８０年代發展起來的陶瓷／金屬複合材料的一種結構形式，即陶瓷增強體在三維空間連續，金屬基體也在三維空間連續，增強體與基體在空間呈網路結構【４】。
由於網路陶瓷骨架與金屬三維連續，每一相都能發揮其獨特的效能。因此，三維連續網路陶瓷增強金屬基複合材料具有高強度、高硬度、良好的抗磨損效能和抗熱震效能，較高的熱導率，較低的熱膨脹係數，在航空航天、汽車、電子、機械製造等工業領域展示了廣泛的應用前景【５，６１。
網路陶瓷／金屬複合材料的製備過程主要包括網路陶瓷預製體的製備和金屬基複合材料的製備兩個過程。首先是製備網路陶瓷，然後對網路陶瓷和金屬進行復合得到網路陶瓷／金屬的複合材料。製備網路陶瓷／金屬複合材料的常用方法有：
擠壓鑄造工藝、無壓滲浸工藝、真空壓力滲浸工藝等【＿７１。其中由於擠壓鑄造工藝施加壓力較大，生產時間短，適合大批量生產，受到人們的廣泛關注［８。１０】。
擠壓鑄造工藝是通過壓機將液態金屬壓入預製體中，並在壓力下凝固，最終制得複合材料。它要求預製體具有一定的機械強度，避免在液態金屬壓滲過程中變形甚至垮塌。
本研究以中間相瀝青新增為５０％（質量分數，下同）的ｓｉ粉的為原料，利用自發泡工藝製備含ｓｉ的炭泡沫預製體，在高溫感應燒結爐中，氬氣保護下結合反應燒結工藝製備了孔隙率高，孔徑大小可調，具有三維網路結構的ｓｉｃ多孔陶瓷骨架；採用擠壓鑄造工藝，以ｓｉｃ多孔陶瓷為預製體，成功的製備了ｓｉｃ／ａｉ複合材料。利用ｓｅｍ和ｘｒｄ對陶瓷骨架及複合材料進行了微觀組織形貌觀察與物相分析。重點考察了多孔陶瓷與複合材料的微觀形貌以及複合材料的介面結合情況。
１實驗１．１多孔陶瓷預製體的製備
取一定質量的中間相瀝青與５０％的ｓｉ粉混合放入鋁製模具中。在高壓反應釜內，高純氮氣的保護下，加壓到一定壓力開始反應。以５＂ｃ／ｍｉｎ的公升溫速率公升高到瀝青軟化點以上，然後以１＊ｃ／ｍｉｎ公升高到５００℃制得焦化泡沫；將得到的焦化泡沫置於管式炭化爐中，在高純氮氣的保護下，以２＊ｃ／ｍｉｎ的公升溫速率公升到１０００℃炭化，保溫一段時間後自然冷卻到室溫得到含ｓｉ的炭泡沫。
在真空感應燒結爐中，以含ｓｉ的炭泡沫為坯體，經計算加入一定量的ｓｉ粉，在氬氣氣氛下，按照一定的公升溫速率公升高到１５００℃並保溫４ｈ。最終得到具有三維連通結構，孔徑可調的ｓｉｃ多孔陶瓷。反應燒結制得ｓｉｃ多孔陶瓷，在坎ｈｆ）：
坎ｈｎ０３）＝３：ｌ的混合溶
收稿日期
作者簡介：張志金，男，１９８０年生，博士，北京理工大學材料科學與工程學院，北京１０００８１，**
萬方資料
稀有金屬材料與工程第３８卷液中去除殘餘ｓｉ。
１．２複合材料的製備
以具有三維連通結構的ｓｉｃ多孔陶瓷為骨架，利
用擠壓鑄造工藝製備ｓｉｃ／ａｉ複合材料。基體採用２０２４
鋁合金，其質量分數（％）為
其它：０．２，餘量ａｌ。材料復合的
主要工藝引數：澆鑄溫度８００℃，增強體和模具預熱
溫度４００℃，復合壓力７０ｍｐａ，保壓１ｍｉｎ，復合材
料出模後隨爐冷卻到室溫。
１．３微觀形貌與物相分析
ｓｉｃ多孔陶瓷預製體的開口孔隙率和複合材料的密度採用阿基公尺得排水法測定；複合材料的相對密度利用公式計算：
目：————生生—一×１００％
ｖ其中臼代表複合材料的相對密度，ｐａ表示利用利用阿基公尺得排水法測得的複合材料的密度，ｐｓｉｃ和ｐａｌ分別表示ｓｉｃ和ａｌ的理論密度和ｋ１分別表示ｓｉｃ和ａ１在複合材料中所佔的體積分數。採用掃瞄電子顯微鏡觀察多孔陶瓷預製體與複合材料的微觀形貌，採用ｘ射線衍射分析（ｘｒｄ）儀對ｓｉｃ多孔陶瓷進行物相分析。
２結果與分析
２．１多孔陶瓷的微觀結構與特徵
圖ｌ為ｓｉｃ多孔陶瓷孔泡結構的微觀形貌。由圖可見，孔泡呈球形，孔徑比較均勻，並且在各個孔泡的孔壁處有互相連通的小視窗，因此具有三維連通的網路結構。本試驗中所製備的ｓｉｃ多孔陶瓷的開口孔隙率為５５％。
圖２為ｓｉｃ多孔陶瓷孔筋處放大的掃瞄電鏡**。可見，孔筋表面比較緻密，沒有孔洞等缺陷存在，這有利用最終製備的複合材料效能的提高。
圖１ｓｉｃ多孔陶瓷的微觀形貌
圖２ｓｉｃ多孔陶瓷孔筋處的ｓｅｍ**
因為一旦孔筋部位有孔洞等缺陷存在，當複合材料受到外力時，在多孔陶瓷孔洞處會形成裂紋源，最終導致整個複合材料的力學效能下降。
圖３為含ｓｉ炭泡沫體與ｓｉ粉在１５００℃反應後得到的ｓｉｃ多孔陶瓷骨架的ｘｒｄ圖譜。可見，多孔陶瓷骨架完全由ｓｉｃ相組成，沒有ｃ與ｓｉ的峰存在，說明反應完全，此時ｃ與ｓｉ反應完全轉化成了ｓｉｃ。臣之
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圖３ｓｉｃ陶瓷的ｘｒｄ衍射圖譜
２．２複合材料的微觀結構與介面分析
圖４為複合材料的微觀形貌，其中深色相為陶瓷骨架，淺色相為ａ１基體。由圖可知，ｓｉｃ多孔陶瓷骨
圖４ｓｉｃ／ａｉ複合材料的微觀形貌
萬方資料
增刊２張志金等：三維網路ｓｉｃ多孔陶瓷增強鋁基複合材料的製備５０１
架中充滿了２０２４ａ！合金，浸滲比較充分，陶瓷相與金屬相交叉連續，沒有發現未浸滲的部分。複合材料的相對密度為９９．４％，說明在本試驗條件下基體上得到了緻密的ｓｉｃ／ａｉ複合材料。
由於ｓｉｃ陶瓷與ａ１基體熱膨脹係數的不匹配，因此在製備ｓｉｃ／ａｉ複合材料的過程中，複合材料的介面往往殘留很大的殘餘應力，容易造成介面分離，這必將影響複合材料的效能。圖５為複合材料的介面放大微觀形貌，可以看出金屬基體和ｓｉｃ陶瓷之間結合良好，沒有明顯的介面分離現象。
圖５ｓｉｃ／ａｌ複合材料的介面微觀形貌
３結論１）以中間相瀝青新增５０％的ｓｉ粉為原料製備了含ｓｉ的炭泡沫預製體，並結合反應燒結工藝在１５００℃條件下製備了ｓｉｃ多孑ｌ陶瓷預製體，該陶瓷骨架具有三維連通的網路結構，並且具有較高的開孔率和強度，因此可以做為製備三維網路增強金屬基複合材料的增強體。
２）以三維連通的ｓｉｃ多孔陶瓷為增強體，以
２０２４ａ１為基體，在８００℃下，利用擠壓鑄造工藝成功的製備了三維連通ｓｉｃ／ａｉ複合材料，
３）通過擠壓鑄造工藝製備的ｓｉｃ／ａｉ複合材料介面結合良好，沒有明顯缺陷。
參考文獻
謝素菁一維網路ｓｉｃ骨架整體增強鋁基、銅基複合材料的摩擦學效能
謝賢清張荻範同樣功能材料
叫趙龍志趙明娟曹小明特種鑄造及有色合金啪蛐
萬方資料
奈米SiC增強鋁基複合材料
一 奈米sic增強鋁基複合材料的製備工藝 1.高能球磨法 採用高能球磨法，適當控制球磨條件可以製備出奈米復合粉末，如再採用熱等靜壓 冷等靜壓和熱擠壓可以製備出各種塊體奈米材料。賀春林 1 採用此法將奈米碳化矽粉增強鋁基複合材料，球磨後的混合粉經過冷壓成型，真空除氣處理和真空熱壓，得到坯錠。燒結坯錠經...
顆粒增強鋁基複合材料的
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陶瓷基複合材料
學號 071055053 姓名 鐘啟華 摘要 在高技術，尤其是航天航空技術領域內，對結構材料要求具有輕質高強 耐高溫 抗氧化 耐腐蝕和高韌性的特點。陶瓷具有優良的綜合機械效能 耐磨性好 硬度高 以及耐熱性和耐腐蝕性好等特點。但是它最大缺點是脆性大，使用時會產生不可 的突然性斷裂。近年來，通過往陶瓷中...