预制体气孔率对SiC/Al复合材料组织和性能的影响

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高SiC含量的SiC/Al复合材料具有低密度、比高强度、耐磨性好、高热导率和低热膨胀系数等优异的性能,是最具有应用前景的电子封装材料和耐磨材料。目前高SiC含量的Si/Al复合材料的制备存在着SiC预制体烧结温度高、熔渗工艺复杂且生产效率较低等问题。本文采用真空压力浸渗方法制备SiC/Al复合材料,研究了成型压力、粘结剂的含量、造孔剂的含量、玻璃粉的含量以及烧结温度对SiC预制体的气孔率、体积密度和抗压强度等性能的影响;研究SiC预制体气孔率的可控方法;研究SiC/Al复合材料的显微组织、物相、以及气孔率不同的预制体对SiC/Al复合材料强度、热膨胀等性能的影响;探讨SiC/Al复合材料的断裂机理。研究结果对于高SiC含量的SiC/Al复合材料的生产和应用具有指导意义。论文取得的主要结果为:(1)随着Al(H2PO4)3添加量的增加,预制体的气孔率逐渐减小、体积密度和耐压强度逐渐增大,随着玻璃粉添加量的增加,预制体的气孔率逐渐减小、体积密度和耐压强度先增加后降低,随着酚醛树脂添加的增加,预制体的气孔率逐渐增加、体积密度逐渐减小。当成型压力为45 MPa、Al(H2PO4)3的添加量为10%、玻璃粉的添加量为7%时,可使SiC预制体的烧结温度从传统的1000℃左右降低到700℃,SiC预制体能满足铝合金熔渗要求。可以通过控制酚醛树脂的添加量可以实现SiC预制体气孔率的控制。(2)真空压力浸渗方法制备的SiC/Al复合材料,其主要由Al和SiC两相组成,复合材料的显微组织为SiC颗粒均匀分布在铝合金中,SiC颗粒与铝合金的界面结合良好,界面没有形成Al4C3脆性相,这主要是由于玻璃粉的加入抑制了 Al4C3脆性相的形成。随着SiC预制体中气孔率的增加,复合材料的抗折强度先增加后降低、耐压强度逐渐降低。当SiC预制体的气孔率为45%时,复合材料的抗折强度和耐压强度分别为 358.83 MPa和 354.03MPa。(3)SiC/Al复合材料的断口中,SiC颗粒以脆性解理断裂为主,而铝合金则出现韧窝断裂特征。随着SiC预制体中气孔率的增加(复合材料中铝含量的增加),复合材料中韧窝断裂特征逐渐增加。SiC/Al复合材料的断裂裂纹源来自于预制体成形过程中SiC颗粒破碎所形成的裂纹,断裂裂纹主要沿着SiC与铝合金的界面和SiC的脆断面进行扩展。(4)复合材料的热膨胀系数随着预制体中气孔率的增加而增加,气孔率每降低2%,热膨胀系数减小0.7×10-6 K-1,铝合金是导致复合材料膨胀系数增加的主要原因。
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