【文章內(nèi)容簡介】 材料的固態(tài)制備工藝主要為固態(tài)擴(kuò)散法和粉末冶金法兩種方法。(1) 粉末冶金法[2](powder metallurgy)是將金屬粉末充滿在排列規(guī)整或取向的短纖維或晶須中，然后進(jìn)行燒結(jié)或擠壓成型。在制造短纖維復(fù)合材料粉末冶金方法用的最多，大致上分為兩種，熱壓法和冷壓成型、燒結(jié)法。(2) 采用此種方法制備SiCp／A1復(fù)合材料具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。1) 粉末冶金法所使用的溫度較低，可有效減輕增強(qiáng)體與基體間的有害界面反制得的復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能；2) 顆?；蚓ы毰c基體混合較均勻，偏聚或團(tuán)聚現(xiàn)象不太嚴(yán)重；3) 增強(qiáng)體的加可以任意調(diào)節(jié)，體積分?jǐn)?shù)控制方便，成分比例準(zhǔn)確；4) 此法能夠制備其它方法所不能制備的鋁基復(fù)合材料；缺點(diǎn)是：1)原材料和設(shè)備成本高；2)工藝較為繁瑣，材料易受污染；3)制造出的復(fù)合材料一般都存在內(nèi)部組織不均勻、孔洞率較大的現(xiàn)象，因此必須進(jìn)行二次塑性加工，以提高其綜合性能；4)制品的結(jié)構(gòu)和尺寸受到限制。(3) 固態(tài)擴(kuò)散法[1416](diffusion bonding)是將固態(tài)的纖維與金屬基體適當(dāng)組合在加壓加熱條件下使他們互相擴(kuò)散結(jié)合成復(fù)合材料的方法。這種工藝優(yōu)點(diǎn)是可適用于廣泛的金屬基體，而且可控制纖維取向和體積分?jǐn)?shù)；缺點(diǎn)是制造時(shí)間較長需要高的溫度和壓力，只能制造有限尺寸的試樣。(4) 攪拌熔鑄法[1821]制備復(fù)合材料的過程中，由于碳化硅增強(qiáng)體顆粒與鋁溶液潤濕性差，因此，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體顆粒均勻分布較為困難，同時(shí)，增強(qiáng)體顆粒極易與鋁溶液發(fā)生嚴(yán)重化學(xué)反應(yīng)，因此，界面結(jié)合也較差。此外，添加的增強(qiáng)體顆粒的尺寸通常需大于10微米，體積含量一般為20％左右，與其他方法相比，該方法制備的復(fù)合材料力學(xué)性能較差，但制備成本最低。(5) 壓力鑄造法[2]根據(jù)生產(chǎn)過程中壓力施加的大小、方式的不同，壓力滲透法可分為擠壓鑄造法、氣體壓力滲透鑄造法、離心鑄造法等。(1)擠壓鑄造法該法就是將碳化硅預(yù)制件放人經(jīng)過精密加工的石墨澆鑄模中，預(yù)熱到一定溫度，加入熔化的Al合金液在壓力作用下先滲入模壁間隙中，繼而滲入預(yù)制件中，最后去壓，冷卻。該工藝中預(yù)制件的預(yù)熱溫度、Al合金液的滲入溫度、壓力大小、冷卻速度是關(guān)鍵工藝參數(shù)。該法施加壓力可以較大，生產(chǎn)時(shí)間短，滲透可以在幾分鐘完成，工藝的穩(wěn)定性好；缺點(diǎn)就是需要高壓設(shè)備及密封良好的耐高壓模具，所以生產(chǎn)費(fèi)用較高，在生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件方面限制很大。(2)氣體壓力滲透法該法與擠壓鑄造法相似，所不同的就是用氣體壓力代替了擠壓鑄造中的壓頭，它是在真空狀態(tài)熔化Al合金，滲透時(shí)撤去真空，通人惰性氣體使鋁合金液受壓通過升液管滲入上部模具中的預(yù)制件中。該法生產(chǎn)效果很好，但也存在生產(chǎn)過程緩慢，設(shè)備復(fù)雜，施加壓力較小的缺點(diǎn)。(3)離心鑄造法該法以離心力作為外界壓力，預(yù)制件放人高速旋轉(zhuǎn)的鑄模中，然后將Al合金液在澆鑄口倒人，在離心力的作用下完成滲透。此法避免了上述兩種方法中高壓力對(duì)設(shè)備的要求，降低了設(shè)備投資和生產(chǎn)成本，但是其特殊的裝置決定了所制產(chǎn)品形狀尺寸的特殊性，通常只能為筒環(huán)狀，因而難以在工業(yè)上得到推廣應(yīng)用。（6）無壓滲透法[1213]無壓滲透法是由美國Lanxide公司開發(fā)的一種獨(dú)特的工藝。它是將鋁合金錠放在碳化硅預(yù)制件上，在合金熔點(diǎn)以上保溫，Al合金液依靠毛細(xì)管力的作用自發(fā)進(jìn)入預(yù)制件中。其中，滲透過程的實(shí)現(xiàn)主要需要兩個(gè)條件：(1)Al合金中至少含有l(wèi)％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Mg，最好是3％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；(2)滲透過程需要在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行。除此之外還與舍金中的其它添加元素如“Li、Si、Ti等，以及碳化硅顆粒大小，滲透溫度和時(shí)間等密切相關(guān)。與有壓滲透相比，無壓滲透具有所需設(shè)備簡單，生產(chǎn)成本較低，容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)品的力學(xué)性能和熱性能略低，原因在于存在一定的氣孔和界面反應(yīng)產(chǎn)物。另外滲透速度較慢，需要?dú)怏w保護(hù)也是影響其應(yīng)用的主要原因。（7）噴射沉積法[89]噴射沉積成形技術(shù)是一種新型的快速凝固技術(shù)，其突出的優(yōu)點(diǎn)是可以直接由液態(tài)金屬霧化與沉積形成具有快速凝固組織和性能特征的具有一定形狀的坯件，以減少或去除各種高成本的制造和加工中間環(huán)節(jié)。利用噴射沉積成形技術(shù)制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是該技術(shù)近年來發(fā)展的一個(gè)重要方向。但現(xiàn)行的國內(nèi)外噴射成形顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)大多是在噴射沉積成形過程中將一定量的增強(qiáng)相顆粒噴入霧化錐中，與金屬熔滴強(qiáng)制混合后在沉積器上共沉積以獲得復(fù)合材料坯件。這類方法的最大缺點(diǎn)是增強(qiáng)顆粒利用率低，材料制備成本高。[17—21]（1）各種制備工藝方法期待完善 現(xiàn)有的工藝方法雖然都成功地制備了碳化硅鋁復(fù)合材料，但各種方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)，很難判斷某種方法已成為主流方法，具有優(yōu)異綜合性能的碳化硅鋁復(fù)合材料的獲得還存在某些障礙。例如由于碳化硅與鋁液之間潤濕性差，雖然可以通過細(xì)化碳化硅顆粒來提高材料的比力學(xué)性能，但顆粒越細(xì)，顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象越嚴(yán)重，從而影響了復(fù)合材料的性能。另外，顆粒越細(xì)，即表面積越大，表面能也隨之升高，此時(shí)氣體易于被吸附而引入金屬液中。（2）界面理論的研究有待進(jìn)一步深人復(fù)合材料的界面理論研究即是研究復(fù)合材料的界面潤濕、界面結(jié)構(gòu)、界面結(jié)合機(jī)制和界面穩(wěn)定性等問題。界面結(jié)合狀況影響著復(fù)合材料的各種性能。研究界面與材料性能的相互關(guān)系已成為復(fù)合材料研究的前沿領(lǐng)域。界面理論的形成有助于發(fā)現(xiàn)改善復(fù)合材料界面結(jié)合狀況的途徑。例如，弄清了潤濕機(jī)理及影響因素可以找到改善潤濕的途徑。界面潤濕性是界面相容性的一個(gè)方面，有時(shí)甚至能成為顆粒分布的決定性因素。(3）碳化硅鋁復(fù)合材料的成本需要努力降低復(fù)合材料應(yīng)用受到限制的主要原因之一就是生產(chǎn)復(fù)合材料的成本居高不下。目前碳化硅鋁復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空、航天、軍工領(lǐng)域，而在民用結(jié)構(gòu)上較少應(yīng)用，這跟這種材料的高成本有密切關(guān)系。通過優(yōu)化制備工藝，縮短工藝流程，減少輔助設(shè)施，提高工藝效率以及回收利用復(fù)合材料等技術(shù)方法均可降低材料生產(chǎn)的成本。這些技術(shù)方法尚需進(jìn)一步深入探討。(4)碳化硅鋁復(fù)合材料后續(xù)加工性能值得考慮碳化硅鋁復(fù)合材料由于含硬而脆的碳化硅顆粒，切削難度大。而現(xiàn)代精密的機(jī)械零件絕大多數(shù)仍需依靠機(jī)加工獲得最終形狀和精度，也就是說難以避免切削問題。焊接加工也是金屬基復(fù)合材料使用中不可避免的問題，材料難以焊接將會(huì)影響其使用范圍。在獲得優(yōu)異性能的碳化硅鋁復(fù)合材料的同時(shí)必須兼顧其后續(xù)加工性能。2l世紀(jì)我國經(jīng)濟(jì)和軍事將得到進(jìn)一步的發(fā)展，許多領(lǐng)域尤其是航空航天、軍工、電子及汽車工業(yè)，它們的發(fā)展無疑要對(duì)其所應(yīng)用的材料提出更高要求，這種要求提供了顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的發(fā)展機(jī)遇。結(jié)合我國的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)國內(nèi)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的市場需求與國外的應(yīng)用情況進(jìn)行類比分析，得出如下的趨勢(shì)預(yù)測(cè)：（1） 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)件用復(fù)合材料和儀表級(jí)及光學(xué)級(jí)復(fù)合材料在航空、航天、軍工領(lǐng)域首先得到應(yīng)用并逐漸推廣，從而可提升這些領(lǐng)域的技術(shù)水平，沉著應(yīng)對(duì)日趨復(fù)雜的國際環(huán)境。（2） 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料也會(huì)在電子工業(yè)和汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如電子封裝用復(fù)合材料、計(jì)算機(jī)光盤、汽車剎車盤等，促進(jìn)這些工業(yè)成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。本文實(shí)驗(yàn)采用粉末冶金法制備碳化硅鋁復(fù)合材料。制定不同的試驗(yàn)配方和燒結(jié)溫度來制備不同標(biāo)準(zhǔn)的試樣。然后通過對(duì)試樣進(jìn)行XRD,SEM測(cè)試，來確定試樣的成分，分析試樣在燒結(jié)過程中所發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，觀察其微觀形貌了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)從而更加直觀的了解試樣所發(fā)生的反應(yīng)。對(duì)試樣進(jìn)行密度、抗折強(qiáng)度，吸水率，氣孔率、洛氏硬度等物理性能的測(cè)試。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析找出試樣性能最好的燒結(jié)溫度及SiC的含量。由物理性能的變化和區(qū)別來進(jìn)行理論分析，從而更加深刻的了解碳化硅鋁復(fù)合材料微觀現(xiàn)象，鞏固理論分析。 2 實(shí)驗(yàn)方法及內(nèi)容 本實(shí)驗(yàn)采用了粉末冶金法來制備碳化硅鋁復(fù)合材料。采用此種方法制備碳化硅鋁復(fù)合材料具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：1) 粉末冶金法所使用的溫度較低，可有效減輕增強(qiáng)體與基體間的有害界面反制得的復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能；2) 顆粒或晶須與基體混合較均勻，偏聚或團(tuán)聚現(xiàn)象不太嚴(yán)重；3) 增強(qiáng)體的加可以任意調(diào)節(jié)，體積分?jǐn)?shù)控制方便，成分比例準(zhǔn)確；4) 此法能夠制備其它方法所不能制備的鋁基復(fù)合材料； 根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，共有四個(gè)試驗(yàn)配方、五個(gè)燒結(jié)溫度點(diǎn)；還有考慮到模具承載10g料。因此，每個(gè)配方的總重量為40g不變，再按照SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的要求，稱量不同原料。其中加入固定的鎂粉占總重量的10%。最后加入粘結(jié)劑，攪拌均勻。 將配置好的原料，每次稱量10g裝入模具用壓機(jī)進(jìn)行壓制。壓制所需的最大壓力為30 MPa。在30 MPa壓力下保壓2min，然后再卸壓脫模。壓制好的試樣可以在烘干箱內(nèi)50℃—100℃范圍內(nèi)進(jìn)行烘干。 Mould drawing 烘干后的試樣不可以直接拿去進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。必須先要經(jīng)過低溫排膠的過程。這是因?yàn)樵嚇又苯舆M(jìn)行高溫?zé)Y(jié)的話會(huì)出現(xiàn)試樣開裂、斷裂現(xiàn)象；粘結(jié)劑必須排掉，不然在高下的釋放同樣會(huì)使試樣損壞。 高溫?zé)Y(jié)設(shè)備采用真空熱壓燒結(jié)爐。因?yàn)樘蓟桎X復(fù)合材料在高溫下極易被氧化，很難燒出產(chǎn)品來。采用真空熱壓燒結(jié)爐可以避免上述麻煩，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以控制升溫速率。原料純度顆粒度產(chǎn)地鋁粉≥%100—200目天津鎂粉≥%100—200目上海SiC≥%2微米實(shí)驗(yàn)室粘結(jié)劑普通膠水浙江 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1）稱量天平2）真空熱壓燒結(jié)爐3）測(cè)試抗折強(qiáng)度設(shè)備 （DKZ5000型抗折實(shí)驗(yàn)機(jī)，中國建材技術(shù)裝備總公 司，無錫市建筑材料儀器廠）4）水力