可用于空間的SiCp/Al復(fù)合材料熱物理性能研究

修子揚，劉 波，武高輝，姜龍濤，張 強，陳國欽

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬復(fù)合材料與工程研究所，哈爾濱150080）

1 引言

SiCp/Al復(fù)合材料具有高的比強度、比模量、耐高溫、耐磨損以及熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好等特點，能夠克服樹脂基復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中使用時存在的缺點，因此得到了令人矚目的發(fā)展[1-6]，特別是在對材料性能和環(huán)境適應(yīng)性要求嚴(yán)格的空間環(huán)境領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

本文以空間應(yīng)用為背景，設(shè)計并采用擠壓鑄造法制備了體積分?jǐn)?shù)為45%顆粒粒徑分別為10μm、20μm的SiCp/Al復(fù)合材料，并研究了材料的彎曲強度與熱物理性能。

2 材料的設(shè)計制備與測試方法

2.1 材料的設(shè)計制備

擠壓鑄造主要是對液態(tài)金屬施加較高的機械壓力來提高鑄件質(zhì)量。能夠消除液態(tài)金屬凝固過程中因體積收縮而產(chǎn)生的有關(guān)缺陷，以獲得晶粒細(xì)小、力學(xué)性能好、表面質(zhì)量高的鑄件，對液態(tài)金屬必須施加足夠的壓力，才可以獲得優(yōu)質(zhì)鑄件。每種鑄件均有一個臨界壓力，低于臨界壓力，無法獲得優(yōu)質(zhì)鑄件。通過擠壓鑄造，可以獲得高體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al復(fù)合材料。

采用擠壓鑄造法，在相同的壓鑄工藝條件下分別制備出顆粒粒徑分別為10μm、20μm的SiCp/Al復(fù)合材料，材料的原始組織如圖1所示。兩種不同顆粒粒徑的復(fù)合材料均分為鑄態(tài)，根據(jù)Al-Si合金的規(guī)范，以2024Al為基體的復(fù)合材料試樣固溶，在鹽浴爐溫度為495℃下加熱時間均為1h，水冷。然后再在160℃的條件下時效10h。

2.2 測試方法

復(fù)合材料的三點彎曲試驗在Instron 5569萬能電子拉伸試驗機上進行，壓頭位移速度為0.5mm/min，最大載荷500Kg，精度0.2Kg。樣品尺寸為：3mm×4mm×36mm，跨距30mm。對受拉面進行拋光，并于該面的跨距中部貼應(yīng)變片。

采用用德國產(chǎn)JK2型激光導(dǎo)熱綜合測試儀測量材料的熱導(dǎo)率。測試樣品尺寸為Φ12.7×2.6mm，兩端面用金相砂紙磨光，測試溫度為25℃、50℃、100℃，升溫速度5℃/min。激光導(dǎo)熱綜合測試儀測量材料的熱擴散率和比熱的原理是應(yīng)用閃光擴散法。平板形樣品在爐體中加熱到所需的測試溫度后，由激光仿生器或閃光燈產(chǎn)生的一束短促（＜1ms)光脈沖對樣品的前表面進行加熱，熱量在樣品中擴散，使樣品背部溫度的上升。且用紅外探測器測量溫度隨時間上升的關(guān)系。

圖1 SiCp/Al復(fù)合材料的原始組織

采用德國NETZSCH公司生產(chǎn)的DIL402型熱膨脹分析儀測定材料的熱膨脹系數(shù)，測試溫度范圍選取-60℃～120℃，而考察溫度范圍為 20℃～120℃，升溫速率為5℃/min，樣品尺寸為Φ6×25mm。

熱循環(huán)試驗在德國DIL402型熱效應(yīng)在動分析儀上進行，溫度測試范圍-186℃～500℃。設(shè)備的分辨率是0.125nm（500μm測量范圍)，測試精度可以達(dá)到 10-8。

3 結(jié)果與分析

3.1 SiCp/Al復(fù)合材料的彎曲性能

圖2 SiCp/Al復(fù)合材料的彎曲性能

圖2顯示了增強體體積分?jǐn)?shù)為45%的顆粒粒徑分別為10μm、20μm的SiCp/Al復(fù)合材料在鑄態(tài)下及固溶時效后的三點彎曲強度。

當(dāng)基體合金中Si含量的相同以及熱處理狀態(tài)相同的條件下，隨著增強體顆粒粒徑的增大其彎曲強度減小。這是由于隨著基體合金中增強體顆粒粒徑增大，材料的脆性增加，當(dāng)增強體SiC顆粒的粒徑很大時，復(fù)合材料斷裂的主要方式是脆斷?；w中增強體顆粒粒徑為20μm且未經(jīng)過熱處理的復(fù)合材料，其復(fù)合材料的脆性也最大，所以斷裂時其強度也就最低。而顆粒粒徑10μm且經(jīng)過熱處理的復(fù)合材料的塑性是最好的，對于體積分?jǐn)?shù)為45%的復(fù)合材料而言，塑性越好其強度也就越高，所以增強體顆粒粒徑為10μm且經(jīng)過熱處理的復(fù)合材料的強度也就是最高的。在增強體顆粒粒徑相同的條件下，經(jīng)過熱處理后復(fù)合材料的強度也明顯提高，由此可見，熱處理可以提高復(fù)合材料的強度。

3.2 SiCp/Al復(fù)合材料的熱物理性能

3.2.1 SiCp/Al復(fù)合材料的熱導(dǎo)率

本文的試驗用的是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測試法，即激光擴散法。該方法能直接測量材料的熱擴散性能，然后在已知樣品的比熱和密度的情況下，通過計算求得導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值。即根據(jù)公式

表2 復(fù)合材料導(dǎo)熱性能值

式中α為熱擴散率；ρ為材料密度；C為比熱容。

3.2.2 SiCp/Al復(fù)合材料的熱膨脹性能

圖3為不同粒徑的SiCp/Al復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)。從圖中可以看出，在相同的熱處理狀態(tài)下均表現(xiàn)出顆粒粒徑為10μm的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)高于顆粒粒徑為20μm的復(fù)合材料。

圖3 SiCp/Al復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)

顆粒增強體金屬基復(fù)合材料的基體中殘余應(yīng)力的存在是復(fù)合材料的本質(zhì)特征之一，且對復(fù)合材料的熱膨脹性能產(chǎn)生較大的影響。這種殘余應(yīng)力是在復(fù)合材料制備過程中，由高溫冷卻到低溫時由于基體和增強體的熱膨脹系數(shù)不同而造成的。由于材料的連續(xù)性，并在界面的約束下，基體鋁合金不能自由收縮，導(dǎo)致與SiC顆粒相鄰的基體受殘余拉應(yīng)力的作用。同樣地，當(dāng)溫度升高時，由于熱膨脹的不同，為了確保材料協(xié)調(diào)變形，又會在材料的內(nèi)部形成熱錯配應(yīng)力。熱錯配應(yīng)力隨著增強體顆粒的尺寸的增大而增大，所以顆粒粒徑為20μm復(fù)合材料在升高相同的溫度時，其熱錯配應(yīng)力要高于顆粒粒徑為10μm的復(fù)合材料。由于材料的熱錯配應(yīng)力為壓應(yīng)力，故其對復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)的貢獻(xiàn)為負(fù)值，顆粒粒粒徑大的熱其錯配應(yīng)力大，所以其熱膨脹系數(shù)相對較小。

3.2.3 SiCp/Al復(fù)合材料的熱循環(huán)尺寸穩(wěn)定性

圖4 SiCp/Al復(fù)合材料的熱循環(huán)尺寸穩(wěn)定性

為了評價材料的尺寸穩(wěn)定性，將每次熱循環(huán)后試樣在20℃時的尺寸與熱循環(huán)的起始測試點（20℃）的尺寸相減，可以得到圓柱試樣軸向單位尺寸的變化與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，如圖4所示。從圖中可以清楚的看出，經(jīng)每次熱循環(huán)處理后的尺寸變化規(guī)律和熱循環(huán)15次的尺寸變化總量。由圖可見，在每次熱循環(huán)過程中，試樣軸向尺寸的變化量都有一定程度的減小，最后基本接近平緩，但軸向尺寸變化總量隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而增加。同時，也可以看出，兩種增強體顆粒粒徑的復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定變化是有顯著差異的。相比之下，顆粒粒徑為20μm的復(fù)合材料其尺寸穩(wěn)定性較好一些。顆粒粒徑為10μm的復(fù)合材料其尺寸變化總量為8.7771×10-5，顆粒粒徑為20μm的復(fù)合材料其尺寸變化總量為6.302×10-5。

4 結(jié)論與討論

本文采用擠壓鑄造法制備了體積分?jǐn)?shù)為45%顆粒粒徑分別為10μm、20μm的SiCp/Al復(fù)合材料，并研究了材料的彎曲強度與熱物理性能。

研究結(jié)果顯示，SiCp/Al復(fù)合材料具有優(yōu)異的彎曲性能與導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)及尺寸穩(wěn)定性，是一種具有極大發(fā)展?jié)摿Φ男滦涂臻g材料，在航天器結(jié)構(gòu)、空間慣性器件、空間光學(xué)反光鏡和航天器電子封裝器件上有著廣泛的應(yīng)用。

顆粒粒徑不同，復(fù)合材料的力學(xué)性能與熱物理性能不同?？梢酝ㄟ^材料的設(shè)計，獲得不同性能的SiCp/Al復(fù)合材料。 ◇

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