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碳化硅粉体的各项优异性能及应用

来源:www.glhongcheng.com  作者:桂林鸿程 时间2015-11-19 15:28

与传统材料相比,颗粒增强金属基复合材料不仅兼有金属的高韧性、高塑性优点和增强颗粒的高硬度、高模量优点,而且材料各向同性,可采用传统的金属加工工艺进行加工。碳化硅颗粒增强铝基复合材料的密度仅为钢的1/3,但其强度比纯铝和中碳钢都高,且还具有较高的耐磨性,可以在300℃~350℃的高温下稳定工作。碳化硅颗粒增强铝基复合材料由碳化硅粉体和颗粒状的铝复合而成,增强颗粒在基体中的分布状态直接影响到铝基复合材料的综合性能。能否使增强颗粒均匀分散在熔液中是能否成功制备铝基复合材料的关键,也是制备颗粒增强铝基复合材料的难点所在。碳化硅颗粒分布的均匀与否与颗粒的大小、颗粒的密度、添加颗粒的体积分数、熔体的粘度、搅拌的方式和搅拌的速度等因素有关。

一、碳化硅增强铝基复合材料制备

1. 压力铸造法。

压力铸造法制备碳化硅颗粒铝基复合材料的过程,主要包括碳化硅颗粒预制块的制备和液态铝合金在一定压力下渗入预制块中两部分。碳化硅颗粒在复合材料中分布的均匀性由预制块中颗粒分布的均匀程度决定, 并取决于预制块的制备工艺。复合材料的孔隙率和SiCp / Al 界面结合状态则与压铸工艺参数密切相关。

2. 喷射共沉淀法。

喷射共沉积法具有碳化硅颗粒分布均匀、没有严重的界面反应、基体组织有快速凝固特征、呈细小等轴晶形态等优点, 且产率高, 易于制备大件。因而, 该方法与铸造法和粉末冶金法相比有更大的性能价格比, 受到材料工程专家的极大关注。

3. 液态法。 

液态法主要指铸造法, 该法成本较低, 便于一次形成复杂工件, 所需设备相对简单, 能适应批量生产, 是近年来研究较多、发展较快的复合材料制备方法。常用的铸造法有浸渗法( 包括压力浸渗法和自浸渗法) 、离心铸造法、机械搅拌铸造法和挤压铸造法。其中, 以搅拌铸造法制备碳化硅增强铝基复合材料最有希望实现大规模生产。

4.半固态搅熔复合法。

半固态搅熔复合法是在铝合金处于半固态的, 通过搅拌使碳化硅颗粒和铝合金液相互碰撞, 并进入到金属熔体中, 起到增强的作用。半固态搅熔复合制备中能有效改善颗粒与基体的界面结合和颗粒分布均匀性。与全液态铸造法和半固态铸造法相比, 采用半固态搅熔铸造制备的SiCp / Al 基复合材料, 其增强相SiC 颗粒分布均匀, 气孔率较少;这表明半固态搅熔复合法是一种较理想的金属基复合材料制备工艺。

二、碳化硅增强铝基复合材料的机械加工性能。

碳化硅增强铝基复合材料中的SIC颗粒硬度约为Hv2700 。并且sic颗粒的含量越高, 材料就会更硬而且变脆, 机加工的难度则会增大。用一般传统的机械加工方法很容易使铝合金基体局部熔化, 生成积屑瘤, 并使刀具磨损变钝,造成粗糙度下降, 相应的形位公差也就很难保证。因此,粗加工需选用耐磨性优良、耐热性比较好硬度和韧性比较好的超细颗粒硬质合金刀具( 牌号为YM053) 。精加工则需选用天然单晶金钢石刀具和人造多晶金钢石刀具。由于人造多晶金钢石刀具性价比高,使用这类刀具加工碳化硅铝基复合材料,技术指标和经济指标都是比较理想的。

三、碳化硅增强铝基复合材料的特点及应用

1、碳化硅颗粒增强铝基复合材料具特点

A、可以利用传统的金属材料加工技术和设备来制造和进行二次加工,因而可以降低成本;

B、复合材料各向同性,因此可以套用传统金属材料的设计理论进行结构设计;

C、复合材料具有良好的尺寸稳定性,可以在温度变化剧烈的环境中使用,这个特性对于航天航空技术、核能技术等高科技领域尤为重要;

D、所制备的复合材料可以进一步实现热处理强化;

E、复合材料具有较高的强度、模量、硬度、优良的耐磨性和耐腐蚀性、优秀的高温性能。目前,碳化硅颗粒增强铝基复合材料主要应用于汽车、航空航天和军事等高科技领域。

2、碳化硅增强铝基复合材料应用实例

A、电子级高体分(60%~70%)碳化硅颗粒铝基复合材料,作为新型轻质电子封装及热控元件在先进航空航天器上获得了正式应用。例如,在F-22“猛禽”战斗机的遥控自动驾驶仪、电子计数测量阵列等关键电子系统上,碳化硅增强铝基复合材料替代包铜的钼及包铜的殷钢作为印刷电路板板芯,取得了减重70%的显著效果。由于此种材料的导热率可高达180W(m・K),从而降低了电子模块的工作温度,减少了冷却的需要。除印刷电路板板芯外,这种材料还被用于F-22战斗机的电子元器件基座及外壳等热控结构。

B、在我国自行研制的诸多型号机载、弹载惯性导航系统中, 不同程度地存在着现用的铸造铝合金结构件比刚度不足、热膨胀系数与轴承材料严重不匹配以及固有频率偏高、阻尼性能不理想等问题。改用低体分(~20% ) 的碳化硅颗粒增强铸造基复合材料,材料的刚度提高40%~50% ,上述大部分材料性能导致的隐患迎刃而解。

C、碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大型客机上也已经获得正式应用。普惠公司从PW4084发动机开始,将以挤压态碳化硅颗粒增强变形铝合金基复合材料作为风扇出口导流叶片,用于所有采用PW4000系发动机的波音777上。使用风扇出口导流叶片或压气机静子叶片铝基复合材料耐冲击(冰雹、鸟撞等外物打伤)能力比树脂基(石墨纤维环氧)复合材料好,且任何损伤易于发现。此外,还具有七倍于树脂基复合材料的抗冲蚀(沙子、雨水等)能力,并使成本下降三分之一以上

小结:碳化硅其实是一种非常传统的超硬材料。前几年随着太阳能发电硅晶片产业的大热,碳化硅微粉的形象瞬间随着太阳能发电项目的爆发式增长而变得高大上起来。其实太阳能行业使用的碳化硅微粉主要是用于脆性的硅晶片切割,并未超脱出磨料、超硬材料的传统应用范畴。碳化硅粉体在复合陶瓷、金属基复合材料中的应用才是真正超越了传统磨料应用的高科技新材料应用。随着制备工艺的改进和生产成本的降低,碳化硅颗粒增强铝基复合材料必将因其耐高温、抗磨损及优良的力学性能和成分可设计性而得到广泛的应用。随着应用的普及和制备成本的降低,颗粒增强金属基复合材料必将从军用转向民用,从高技术构件转向普通构件,从单功能材料转向多功能材料,市场前景非常广阔。

 

 


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