熱壓燒結溫度對SiCp/Al 復合材料性能的影響

蔡佳寧　樂晨　樊子民　李鑫　唐明強　趙放

關鍵詞 SiCp/Al 復合材料；熱壓溫度；力學性能；顯微結構；熱學性能

中圖分類號 TB333 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）05-0546-07

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0105

收稿日期 2022-07-04 修回日期 2022-09-29

SiCp/Al 復合材料具有密度小、高比強度、高比剛度、高耐腐蝕性、良好的耐磨性和優異的熱物理性能等[1]，被廣泛應用于汽車領域[2]（如汽車制動盤[3]）、航空航天領域（如發動機風扇出口導流葉片[4]）、電子封裝領域[5] （如微波管的載體、多芯片組件的熱沉和超大功率模塊的封裝[6]）、精密構件[7] （如拖拉機、柴油機的活塞[8]）和光學儀器領域[9]（如超輕空間望遠鏡的主反射鏡和次反射鏡[4]）等。目前，制備SiC 顆粒增強Al 的復合材料制備工藝有粉末冶金法、反應熔滲法、攪拌鑄造法、放電等離子燒結法、液相浸滲法[10] 等，這些制備方法各有優缺點[11-12]，如表1 所示。

為確保復合材料具備較好的性能，研究人員對其制備工藝做了大量的研究，部分SiCp/Al 復合材料的熱性能相關數據對比如表2 所示。金鵬等[13] 研究了熱壓燒結溫度對SiC 顆粒增強鋁基復合材料微觀組織及力學性能的影響。結果表明：燒結溫度增加，材料致密度隨之增加；但燒結溫度過高時，材料的致密度則會下降；在620 ℃ 時復合材料生成MgAl₂O₄和Al4C3 脆性相，使得材料的強度、塑性降低。原國森等[14] 采用粉末冶金法制備了SiC 體積分數為30% 的SiCp/6061Al 復合材料，在燒結溫度為600 ℃ 時，SiC 顆粒依然存在團聚現象。王海龍等[15] 采用真空熱壓燒結法大大提高了SiC/Cu-Al 復合材料的致密度，其硬度達到65 HRB，抗彎強度達到190 MPa。王曉陽等[16] 采用粉末冶金法制備SiCp/Al 電子封裝材料，探究了SiC 顆粒體積分數的變化對復合材料性能的影響；但制備的SiCp/Al 復合材料存在致密性不高，SiC 顆粒與金屬基體之間潤濕性差，制備工藝復雜，導熱率低，熱膨脹系數較高等問題。

因此，采用熱壓法制備SiCp/Al 復合材料，研究燒結溫度對SiC 顆粒增強鋁基復合材料力學性能、相對密度、顯微結構和熱學性能的影響，以期優化SiCp/Al 復合材料的制備工藝，制備出性能優良的SiCp/Al 復合材料。

1 實驗材料及條件

SiCp/Al 復合材料制備用原料有： （ 1） 2 種粒度的SiC，分別為SiC-1 和SiC-2，其基本顆粒尺寸（D₅₀）分別為14.22 μm 和94.95 μm，體積分數都為32%；（2）鋁粉的體積分數為14%，其基本顆粒尺寸（D₅₀）為17.10μm；（3）鎂鋁合金粉的體積分數為20%，其基本顆粒尺寸（D₅₀）為32.34 μm；（4）硅粉的體積分數為2%，其基本顆粒尺寸（D₅₀）為12.86 μm。SiCp/Al 復合材料各組分含量及粉體相關參數見表3。

將2 種SiC 粉末、Al 粉、鎂鋁合金粉和硅粉混合后放入石墨磨具中，采用RYJ-2000P 型燒結壓機（鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司生產）進行樣品燒結，其燒結溫度分別為600，650，700，750 和800 ℃，燒結壓力為40 MPa，升溫速率為100 ℃/min，保溫時間為3 min，而后隨磨具冷卻至室溫。

對燒結后的樣品表面進行打磨并制備不同試樣，抗彎強度測試試樣尺寸為5 mm × 8 mm × 25 mm，熱導率測量試樣尺寸為?12 mm × 3 mm，材料熱膨脹系數測試試樣尺寸為3 mm × 25 mm × 4 mm。

用D8/Advance 型X 射線衍射儀（德國Bruker 生產）對樣品的物相進行分析。依據阿基米德原理，測量試樣的密度并計算其相對密度。用ZCDS-250KN 門式數顯電子萬能試驗機（濟南中創工業測試系統有限公司生產）三點彎曲法測量試樣的抗彎強度。試樣硬度用HR-150A 洛氏硬度計（北京時代光南檢測技術有限公司生產）測量。用KYKY-EM6900 型掃描電子顯微鏡（北京中科科儀股份有限公司生產）觀察原料、試樣斷口的形貌。用TC?7000H 型激光熱導儀（弘埔技術（香港） 有限公司生產）測試試樣的導熱系數，用Netzsch DIL 402 Expedis Classic 熱膨脹儀（德國耐馳生產）測定復合材料試樣的熱膨脹系數。

2 結果及分析

2.1 原料粉體形貌

圖1 是原料粉體的掃描電子顯微鏡形貌，從圖1中可看到每種原料的顆粒形狀和大致分布。如圖1a和圖1b 所示： SiC 顆粒是具有銳角的不規則多邊形，SiC 顆粒表面光滑、清潔，無雜質顆粒附著。圖1c 中的鋁粉顆粒接近球形，顆粒粒度分布較為均勻，沒有不規則形狀。圖1d 中的硅粉中有較大顆粒，為不規則塊狀；而大部分為小顆粒，在混合過程中可有效填充在較大顆粒之間，使燒結體在燒結過程中更致密。圖1e 的鎂鋁合金粉末呈長條狀或三角形不規則形狀。

2.2 復合材料物相分析

圖2 是不同溫度下燒結的SiCp/Al 復合材料試樣的X 射線衍射圖譜。從圖2 中可以看出：燒結樣品的物相組成主要為Al、SiC 和Mg₂Si。其中的Mg₂Si 相是SiCp/Al 復合材料燒結過程中Mg 與Si 反應形成的金屬間化合物，其反應方程式為：

式（1）的化學反應過程會隨著燒結溫度的升高而加劇并產生更多的反應產物，因而反應產物Mg₂Si的衍射峰增強。一方面，該相的形成有利于Al 和SiC的結合，加入一定量的Mg 可以減少熔融金屬鋁表面的張力，降低SiC 顆粒和熔融金屬鋁的表面能，增加復合材料的流動性，從而提高熔融金屬鋁和SiC 顆粒之間的浸潤性[22]；另一方面，可有效避免Al 和SiC 之間的反應。同時，金屬基體中Mg2Si 的存在起到了強化鋁合金基體的作用，從而提高了SiCp/Al 復合材料硬度和強度[23]。

由圖2 還可以看出：在不同溫度下均無A14C3 脆性相生成，可能是添加的Si 有效抑制了A14C3 的形成。但加入的Si 含量要適中，加入過多會對材料的強化機制產生影響，進而影響材料的整體性能。茅學志等[24]的研究證實了這一點。

2.3 復合材料的相對密度和力學性能分析利用式

（2）計算燒結后樣品的相對密度值[25]：

表4 為不同溫度下制得的SiCp/Al 復合材料的實測密度和相對密度。由表4可知：隨著溫度的升高，樣品的實測密度及相對密度也隨之提高。這是因為在較低的燒結溫度下，金屬基體的熔化量少，黏度高，流動性和填充能力差，SiC 顆粒之間的孔隙不能被完全填充，復合材料中會有較多殘留的空隙，燒結體的致密性低；隨著溫度達到700～750 ℃，金屬基體的熔化量增加，黏度降低，流動性和填充能力增加，樣品的致密度增加。然而，當溫度升高到800 ℃ 時，樣品的實測密度及相對密度有所下降。這是因為復合材料界面反應增強，生成大量的Mg2Si，可阻礙Al 液浸滲，使燒結樣品相對密度降低。

當材料的密度相同時， 其強度和硬度也相當[26]。圖3 為不同熱壓溫度下樣品的硬度和抗彎強度。由圖3可以看出：隨著燒結溫度從 600 ℃ 增加到700 ℃，樣品的硬度從80 HRB 增加到98 HRB，抗彎強度從203 MPa增加到275 MPa。然而，當溫度上升到800 ℃ 時，樣品的硬度下降到84 HRB，抗彎強度下降到218 MPa。樣品的硬度和抗彎強度隨燒結溫度的變化與相對密度的變化基本相同，表明相對密度是影響熱壓燒結制備的復合材料力學性能的主要因素。

2.4 復合材料熱性能分析

SiCp/Al 復合材料中的熱傳導過程主要是通過金屬基體的電子導熱和SiC 顆粒的聲子導熱二者共同作用來完成的[27]。采用激光閃射法測量SiCp/Al 復合材料的熱擴散系數，由式（3）計算其熱導率[28]：

圖4 顯示了樣品的熱導率和熱膨脹隨熱壓溫度的變化。從圖4 中可以看出：隨著熱壓溫度升高，樣品的熱導率先增大后減小。在600 ℃ 時，樣品的相對密度較低，導致孔隙引起的聲子熱運動散射增加，且孔隙中空氣的熱導率非常低[29]， 因此復合材料的熱導率為163.800 W/（m·K）；在700 ℃ 時，樣品的相對密度較大，復合材料的缺陷較少，界面結合最佳，內部缺陷最少，導熱過程中散射對電子熱傳導或聲子熱傳導的影響越小，熱流損失最小，復合材料的熱導率達到了218.187 W/（m·K）的最大值；當溫度達到800 ℃ 時，復合材料的相對密度降低，熱導率又降低到190.185 W/（m·K）。

研究表明，金屬基體和增強體的界面結構、殘余孔隙、殘余應力等都是影響材料熱膨脹系數的主要因素[30]。SiC 顆粒的熱膨脹系數很低，僅是純 Al 的 1/6 左右（室溫下SiC 顆粒的熱膨脹系數為3.5 × 10^?6K^?1， 純Al 的熱膨脹系數為21.8 × 10^?6K^?1），因此，SiC 通過界面對基體熱膨脹的限制和金屬基體的熱膨脹共同決定樣品的熱膨脹系數[31]。由圖4 還可以看出：隨著溫度的升高，樣品的熱膨脹系數呈先降低后增加的趨勢。在700 ℃ 時，復合材料的相對密度達到98.1%（表4），此時樣品界面的結合相對較好，對熱失配應力有較好的限制作用，其缺陷膨脹源減少，樣品熱膨脹系數最低為8.6 × 10^?6K^?1。在較高溫度和較低溫度下燒結的樣品，相對密度較低、界面結合較差、存在孔洞等，其中孔洞成為熱膨脹過程中重要的膨脹源，則樣品的熱膨脹系數較高。

2.5 復合材料斷口形貌分析

圖5 為不同熱壓溫度下樣品的斷口SEM 形貌。圖5 中的熱壓燒結樣品的宏觀斷裂為脆性斷裂，其深灰色不規則狀顆粒為SiC，淺灰色為金屬基體，且SiC顆粒嵌入金屬基體中，分布較為均勻，無明顯團聚現象。同時， 由于使用了2 種粒徑的SiC 顆粒（ D50 分別為14.22 μm 和94.95 μm），圖5 中的樣品斷口上的SiC 粗顆粒相對較多，SiC 細顆粒很少。這是由于細SiC 顆粒表面積較大，其和金屬基體之間具有良好的化學結合。因此，當樣品在應力作用下斷裂時，材料的失效沿著基體進行，小顆粒不會暴露在斷裂表面上。此外，細SiC顆粒可在應力作用下與金屬基體協調變形，其解理斷裂的可能性較??；而粗SiC 顆粒處容易出現應力集中，且其內部缺陷較多，更易導致粗SiC 顆粒的解理斷裂而失效 [6]。

在600 ℃ 時，圖5a 的斷面上有許多小而不規則的空隙，這些空隙集中在SiC 顆粒和SiC 顆粒之間以及SiC 顆粒和金屬基體之間的界面處。這是因為溫度較低時，金屬基體發生相應的塑性變形，但顆粒間相對位置沒發生改變，所以還有部分SiC 顆粒之間的空隙未被金屬基體填充。隨著溫度升高，樣品斷面上的空隙明顯減少（圖5b、圖5c、圖5d）。因為Mg 元素增加了SiC 和Al 液之間的潤濕性，使浸滲更加充分，SiC 和鋁基體界面的結合進一步增強，樣品相對密度增加，抗彎強度提高。然而，當燒結溫度過高到達800 ℃ 時，如圖5e 所示：樣品斷面出現大量的液相鋁形成顆粒團聚區，由于顆粒堆積，在顆粒團聚區形成許多孔隙。因此，過高的熱壓溫度會使界面反應加劇，影響鋁基體的滲透，反而增加復合材料的孔隙。

3 結 論

（1）采用熱壓燒結法制備SiCp/Al 復合材料，其相對密度最高達98.1%。在制備過程中，基體和增強體反應生成Mg₂Si 金屬間化合物，未生成A1₄C₃脆性相。

（2）SiC 顆粒均勻分布在金屬基體中，沒有團聚現象。隨著熱壓溫度的升高，復合材料的硬度和抗彎強度先升高后降低。在700 ℃ 時燒結的SiCp/Al 復合材料性能最好，其抗彎強度最高為275 MPa，硬度最大為98 HRB。SiCp/Al 復合材料的熱導率和熱膨脹系數都與復合材料的相對密度有關，在700 ℃ 時相對密度較高時的熱導率最大為218.187 W/m·K，熱膨脹系數最低為8.6 × 10^?6K^?1。

（3）SiC 與鋁基體界面結合良好，燒結致密SiCp/Al復合材料的斷裂方式主要為粗SiC 顆粒的解理斷裂。

作者簡介

樊子民，男，1977 年生，副教授。主要研究方向：先進陶瓷及復合材料。

E-mail：fanzimin@126.com

通信作者： 樂晨，男，1986 年生，中級工程師。主要研究方向：金屬制粉研究。

E-mail：metallc@sina.com

（編輯：周萬里）