Al復(fù)合材料性能研究.pdf

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1、中國(guó)航空學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)材料專題39輕質(zhì)、低膨脹Sip/Al復(fù)合材料性能研究修子揚(yáng)姜龍濤武高輝哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬?gòu)?fù)合材料與工程研究所哈爾濱150001摘要本文以航空用儀表材料為應(yīng)用背景，開發(fā)了低膨脹、高導(dǎo)熱、低密度可再生型Sip/Al復(fù)合材料，其增強(qiáng)體為10mu高純Si粉、基體采用LD11鋁合金，體積分?jǐn)?shù)為70%。由于Sip/Al復(fù)合材料具有輕質(zhì)、低膨脹、高導(dǎo)熱、易加工和可回收再利用等特性而在航空儀表上有著廣泛的應(yīng)用前景。本研究對(duì)Sip/Al復(fù)合材料的微觀組織、熱膨脹性能、導(dǎo)熱性能和密度等性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：Si顆粒呈現(xiàn)尖

2、角形不規(guī)則形狀，均勻彌散的分布在鋁合金中，沒有明顯的團(tuán)聚和偏聚；復(fù)合材料組織致密，沒有氣孔、夾雜等缺陷。材料均勻致密的組織不但能提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率還能提高材料的強(qiáng)度和彈性模量，有利于提高材料的尺寸穩(wěn)定性，從而增加材料的使用壽命；大量的觀察表明，Si-Al界面干凈、平滑，潔凈的界面對(duì)于復(fù)合材料的物理性能是有利的。隨著溫度的升高，Sip/Al復(fù)合材料的熱-6膨脹系數(shù)也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，復(fù)合材料20℃~50℃的平均熱膨脹系數(shù)為7.6×10/℃，很好的滿足航空儀表材料的使用要求。導(dǎo)熱性能是航空儀表材料的一個(gè)重要的考察指標(biāo)，Sip/Al導(dǎo)熱率可達(dá)1

3、60W/(m·℃)，能夠迅速而有效的將儀表上產(chǎn)生的熱量迅速的傳出，而保護(hù)了儀表使用的可靠性。Sip/Al復(fù)合材料有著較高的強(qiáng)度、比模量和較低的密3度，彎曲強(qiáng)度和彈性模量分別達(dá)到293.9MPa和121.1GPa，比強(qiáng)度和比模量分別為122.46MPpa·cm/g和49.6533GPa·cm/g。由于復(fù)合材料的密度較低，僅為2.4g/m，導(dǎo)致其比模量較高。對(duì)于常用的金屬材料Cu和Kovar合金，其3比模量分別只有13.1和18.5Gpa·cm/g，僅僅為本文材料的1/4和1/3，較高的比強(qiáng)度和比模量有利于降低器件的質(zhì)量，對(duì)于航空儀表器件的減

4、重具有很大的意義。關(guān)鍵詞Si/Al復(fù)合材料儀表材料熱膨脹熱導(dǎo)率材料是一切工業(yè)之母，而先進(jìn)復(fù)合材料是近代材料工業(yè)的主流，航空、航天用的先進(jìn)復(fù)合材料[1]又起著應(yīng)用領(lǐng)域中的先驅(qū)及主導(dǎo)作用。長(zhǎng)期以來，鋁、鎂、銅、鈦等合金一直是航空產(chǎn)品的重要[2]結(jié)構(gòu)材料，但是目前，單一金屬材料已經(jīng)很難滿足日益發(fā)展的航空技術(shù)對(duì)材料的需求。而顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有熱膨脹系數(shù)（CTE）低且可調(diào)、導(dǎo)熱性好、密度小等優(yōu)點(diǎn)，在航空領(lǐng)域得到了[4-6]-6廣泛的應(yīng)用。最新發(fā)展起來的Si顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，更是因?yàn)榫哂休^低的熱膨脹系數(shù)(7.6×10/3℃)、較高的導(dǎo)熱率(

5、100~180W/(m·℃))、較低的密度(2.4g/cm)、優(yōu)異的加工性能和可回收再利用特[7-13]性而受到了廣大研究者的青睞，在航空儀表材料中有著廣泛的應(yīng)用前景。因此本研究選用平均粒徑為10um的高純Si粉為增強(qiáng)體，以LD11鋁合金為基體，采用專利技術(shù)制備了體積分?jǐn)?shù)為70%Sip/Al復(fù)合材料，研究了其微觀組織特征、熱膨脹性能、導(dǎo)熱等性能，并與現(xiàn)行的材料進(jìn)行了比較。1材料與試驗(yàn)方法增強(qiáng)體選擇平均粒徑為10um的高純Si顆粒?；w選用LD11鋁合金，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：12%Si,0.5%~1.3%Cu,0.8%~1.3

6、%Mg,1.0%Fe,0.5%~1.3%Ni,其余為Al。Sip/Al復(fù)合材料采用專利壓力浸滲技術(shù)制備。復(fù)合材料進(jìn)行退火處理，工藝如下：410℃保溫3h后爐冷。使用OLYMPUSPME3照相機(jī)拍攝金相照片，以觀察復(fù)合材料的光學(xué)顯微組織；利用PhilipsCM-12透射1中國(guó)航空學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)材料專題39電鏡(TEM)進(jìn)一步觀察與分析高體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料微觀組織，加速電壓分別為100kV~120Kv;試驗(yàn)材料的熱膨脹系數(shù)采用德國(guó)NETZSCH公司的DIL402型膨脹測(cè)試儀測(cè)定，考察溫度范圍為20℃~490℃,試樣尺寸φ6×25mm，升

7、溫速率為5℃/min,氦氣保護(hù)。熱導(dǎo)率測(cè)試是在德國(guó)NETZSCH公司生產(chǎn)的TCT416型熱導(dǎo)率測(cè)試儀上進(jìn)行的，測(cè)試溫度范圍為20~60℃，力學(xué)性能采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試，跨距為30mm，設(shè)備為Instron5569萬能電子拉伸試驗(yàn)機(jī)。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1微觀組織圖1為Sip/Al復(fù)合材料金相顯微組織照片，從圖中可以看出：Si顆粒呈現(xiàn)尖角形不規(guī)則形狀，均勻彌散的分布在鋁合金中，沒有明顯的團(tuán)聚和偏聚；復(fù)合材料組織致密，沒有氣孔、夾雜等缺陷。材料均勻致密的組織不但能提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率還能提高材料的強(qiáng)度和彈性模量，有利于提高材料的尺寸穩(wěn)定性，從

8、而增加材料的使用壽命。界面及界面效應(yīng)的存在是影響復(fù)合材料性能發(fā)揮的重要因素。圖2為Sip/Al復(fù)合材界面TEM照片。大量的觀察表明，Si-Al界面干凈、平滑。[8]一般認(rèn)為在界面附近發(fā)生以下反