SiC作为铝基复合材料增强颗粒的技术关键

  近年来,以SiC颗粒增强的铝基复合材料,由于具有优异的耐磨性、高弹性模量、高强度、低密度、良好的尺寸稳定性、耐磨耐腐蚀性和高温性能,显示出越来越广阔的应用前景。但是,SiC作为原料直接使用时还存在一些问题需要解决。例如,由于金属基体通常含有性质不同的合金元素和相,在高温下元素化学活性增加,易与增强体发生界面反应,形成各种类型的脆性界面产物;由于裸SiC共价键与金属基体的金属键之间有本质的区别,使得界面润湿性能差。颗粒表面吸附的气体是导致碳化硅颗粒与铝液浸润性差的一个主要原因,吸附气体和杂质容易使复合后产生空洞。这些空洞是复合材料在外力作用下产生裂纹的源头。这些都会对界面的结合强度及材料的力学性能带来不利影响。

  要解决这些问题,就需要对碳化硅颗粒进行表面改性处理。颗粒表面改性的方法有多种,主要方法是在颗粒表面包覆或反应生成其他物质,改变颗粒的原有性质。对SiC颗粒进行表面改性的方法一般有包覆改性法和高温氧化法等。目前国内外研究比较成熟的包裹工艺有非均相沉淀法、溶胶凝胶法、醇盐水解法、化学镀法等。例如,以CuSO4.5H2O为主盐,甲醛为还原剂,采用化学镀铜法可以在SiC颗粒表面实现Cu包覆SiC颗粒,SiC颗粒表面含铜的质量分数可达到30%,复合粉体包覆完全、分散均匀、无明显团聚,而且大部分呈球形。据报道,8%SiC颗粒增强Al6061复合材料的硬度和屈服强度比基体材料分别提高18.6%和44%,而相应的Cu包覆SiC复合颗粒增强Al6061复合材料的硬度和屈服强度可比基体材料分别提高23.7%和60%。这是由于铜和铝合金基体之间形成了良好的界面结合,并且铜溶解到基体合金中起到了固溶强化作用。这表明Cu包覆SiC复合颗粒比单纯的SiC颗粒可以更大程度地提高材料的硬度和屈服强度。试验还表明,如果增强体与基体结合得较好,那么复合材料的耐磨性随着增强体的体积分数的增加而持续增加;如果增强体与基体结合得较差,那么复合材料的耐磨性随着增强体的体积分数的增加在达到一个临界值之后就开始降低。

  另据报道,用溶胶-凝胶法可在SiC颗粒表面涂覆Al2O3和MgO涂层,Al2O3和MgO涂层起到扩散阻挡层的作用,可抑制SiC与Al的界面反应;用非均匀成核法,以pH值缓冲溶液作为沉淀剂,可在纳米SiC颗粒表面均匀地涂覆上一层Al(OH)3。涂覆的纳米SiC粉体表现出类似Al2O3的胶体特性,并且在1000°C以下具有很强的抗氧化能力。

  SiC颗粒增强金属基复合材料在高温制备过程中很难避免其与铝合金基体发生反应,使SiC颗粒受到损伤,从而影响复合材料的力学性能。通过高温氧化处理,使之表面形成一层致密的非晶SiO2层,能有效阻止高温下Al对SiC的侵蚀;由于氧在SiO2中的扩散速率非常小,这层SiO2膜会阻止氧进一步与SiC接触,因而具有良好的抗氧化性能。