ＳｉＣｐ／Ａｌ基復(fù)合材料制備工藝的優(yōu)化

摘 要 本文利用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了性能優(yōu)良的SiCp5vol%Al基復(fù)合材料，利用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，SiCp5vol%Al基復(fù)合材料的最佳工藝參數(shù)為燒結(jié)溫度600℃、高溫壓力70MPa、保壓時(shí)間7min。

關(guān)鍵詞 SiCp/Al基復(fù)合材料，正交優(yōu)化

1引言

隨著航空、航天等現(xiàn)代高新技術(shù)的迅速發(fā)展，不僅要求材料重量輕，還要求有高的比強(qiáng)度和比模量。與傳統(tǒng)金屬材料和非金屬?gòu)?fù)合材料相比，金屬基復(fù)合材料（MMC）具有很多優(yōu)點(diǎn)[1～2]：高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好等。這些優(yōu)異性能使其在航天、航空、先進(jìn)武器系統(tǒng)、汽車等領(lǐng)域中的應(yīng)用前景廣闊[3～4]。

鋁基復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料中研究最多、應(yīng)用最廣的材料，也是塑性最好的復(fù)合材料之一。純鋁的最大特點(diǎn)是密度小、熔點(diǎn)低、塑性高；其導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性良好，僅次于銀和銅，而且Al元素是地球上含量最多的金屬元素。而SiC以其高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐高溫等優(yōu)良性能，常作為一種顆粒增強(qiáng)體被廣泛應(yīng)用于制備粒子增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。為了使SiC與金屬基體更好復(fù)合，首先要改善SiC與金屬基體界面的潤(rùn)濕性以及保證低的化學(xué)反應(yīng)性。此外，由于結(jié)構(gòu)和性能的差異，金屬粉體與陶瓷粉體相互之間的分散均勻性也是復(fù)合的關(guān)鍵。通過(guò)粉末冶金方法不僅可以改善兩者之間的分散均勻性，而且可以通過(guò)對(duì)SiC粉末進(jìn)行適當(dāng)處理，有效地改善兩相之間的界面結(jié)合狀況，從而獲得以增強(qiáng)體為核心，表面覆蓋一層金屬，且具有良好界面結(jié)合的雙組分復(fù)合材料。

本文采用電導(dǎo)直熱式真空熱壓燒結(jié)工藝來(lái)制備SiCp/Al復(fù)合材料，并對(duì)其制備工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2材料的制備及測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)所用的基體原料為惰性氣體霧化純鋁粉，Al粉平均粒度為6μm，純度為99.9%。增強(qiáng)相SiC平均尺寸為30nm，純度為98%～99%，β晶型。復(fù)合材料中SiC的體積百分比為5%。

納米SiC粉體在具有較好分散性的丙酮和異丙醇的混合液中超聲波分散30min后，立即倒入裝有鋼球和鋁粉的球磨罐中，并用行星式球磨機(jī)進(jìn)行濕混。球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為130～160r/min，球磨時(shí)間為8h。將球磨后的粉體，在真空干燥箱中干燥，然后放入石墨模具，在10-3Pa 真空條件下，以一系列溫度、壓力和保溫時(shí)間熱壓燒結(jié)制成，其示意圖如圖1所示。

圖1電導(dǎo)燒結(jié)系統(tǒng)示意圖

復(fù)合材料理論密度的計(jì)算公式為：

ρ_th=(ρ_mV_m+ρ_pV_p)/(V_m+V_p) (1)

式中：

ρ—— 密度

V —— 表示體積含量

m、p —— 分別代表基體和顆粒

試樣的實(shí)際密度ρ0根據(jù)阿基米德定律測(cè)得，則試樣的致密度為：

η=ρ₀/ρ_th(2)

3優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 正交試驗(yàn)表

材料制備的工藝參數(shù)是材料制備工藝的決定性因素，對(duì)材料的相結(jié)構(gòu)、微觀組織和性能有著重要的影響。本文采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化制備工藝參數(shù)。在影響材料最終性能的工藝參數(shù)中，溫度、壓力和保壓時(shí)間是三個(gè)最主要的影響因素，因而在工藝參數(shù)的正交優(yōu)化中，將這三個(gè)工藝參數(shù)作為正交試驗(yàn)的三個(gè)因素，見(jiàn)表1。本研究選用了L16(45)正交表，僅選擇正交表L16(45)中的前3 列，即選擇了3個(gè)因素，每個(gè)因素有4個(gè)水平。因素和水平的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所示。

為優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定影響性能的主、次因素和各因素最優(yōu)組合方案，需要計(jì)算某因素某水平下M個(gè)某試驗(yàn)之和的平均值ki和該因素下的極差Rj，即：

式中：

Yi(X)—— 該因素下第i個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

M —— 該因素下的水平數(shù)，i=1，2···M；j=1，2···N，N為因素?cái)?shù)

本試驗(yàn)中，考察的指標(biāo)為復(fù)合材料的致密度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)表2，表2中K1、K2、K3、K4分別表示各因素取1、2、3、4水平時(shí)相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和；為了比較各因素不同水平的好壞，引入k值，表2中k1、k2、k3、k4分別表示各因素相應(yīng)水平的平均值；極差R表示數(shù)據(jù)離散程度。

3.2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從表2可以看出，在16次試驗(yàn)中，第15號(hào)試驗(yàn)（A4B3C2）的致密度最好。但是，還不能確定這一方案是A、B、C各因素水平的最理想組合。為了尋找更好的工藝參數(shù)，還需要進(jìn)行分析。比較k的大小，可決定各因素選取何種水平。為了直觀起見(jiàn)，用因素的水平作橫坐標(biāo)，指標(biāo)的平均值k1、k2、k3、k4作縱坐標(biāo)，繪出因素與指標(biāo)的趨勢(shì)圖，如圖2所示。可以看出：

（1） 燒結(jié)溫度為600℃時(shí)，致密度最好；

（2） 高溫壓力為70MPa時(shí)，致密度最好；

（3） 高溫保壓時(shí)間為7min時(shí)，致密度最好。

圖2因素與指標(biāo)的關(guān)系曲線

因此，可由圖2確定最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為A4B3C3，但此試驗(yàn)號(hào)表2中沒(méi)有。從極差結(jié)果可以看出，燒結(jié)溫度是所有工藝參數(shù)中最主要的影響因素，高溫壓力影響居中，而保壓時(shí)間影響最小。因此可以認(rèn)為在16次試驗(yàn)中第15號(hào)試驗(yàn)A4B3C2為最佳試驗(yàn)。

4結(jié)論

采用正交試驗(yàn)法，分析出制備SiCp-5vol%Al復(fù)合材料工藝參數(shù)中的主、次要影響因素，得到了最佳工藝參數(shù)。

（1） 燒結(jié)溫度和高溫壓力對(duì)SiCp-5vol%Al復(fù)合材料致密度影響顯著， 高溫保壓時(shí)間影響較小；

（2） 熱壓燒結(jié)工藝制備SiCp-5vol%Al復(fù)合材料工藝參數(shù)的最優(yōu)組合方案為:燒結(jié)溫度600℃、高溫壓力70MPa、保壓時(shí)間7min。

參考文獻(xiàn)

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