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SiC泡沫陶瓷及其增强Al基复合材料的制备与结构控制

杨莹

  SiC泡沫陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、低热导率及低热膨胀系数等优异的物理性能,孔隙高度连通,是熔融金属过滤器的最佳候选材料之一。SiC泡沫陶瓷增强Al基复合材料具有高比强度、比模量、良好的导热导电性、高的尺寸稳定性等优异的综合性能,在航空航天、电子、汽车、先进武器装备系统中具有广泛的应用前景。本论文针对SiC泡沫陶瓷力学强度较低、孔隙结构难以控制、SiC泡沫陶瓷增强Al基复合材料界面不能良好结合的问题,制备出孔隙结构和显微结构可控的SiC泡沫陶瓷及其增强Al基复合材料,重点研究了材料的结构控制方法及增强方式。 首先,利用有机泡沫复制法和常压烧结技术制备了轻质高强且结构可控的SiC泡沫陶瓷。采用Al2O3、Y2O3和MgO、Al2O3、SiO2作为烧结助剂,调配SiC陶瓷料浆,采用有机泡沫复制法,通过改变浸渍涂覆次数、烧结工艺等合理控制了SiC泡沫陶瓷的孔隙结构和显微结构,并建立了力学抗压强度与其结构之间的相互关系。研究表明:SiC陶瓷料浆的粘度呈现剪切变稀特性,有利于有机泡沫浸渍过程;采用50%的固相含量的非水基SiC陶瓷料浆,在600℃下排除有机泡沫体,制备得到棱杆饱满的SiC泡沫陶瓷预制体。SiC泡沫陶瓷的孔隙结构中孔穴分布均匀,气孔连通性好;孔隙率为77~97%,孔径大小为1.08~2.20mm,随选用有机泡沫PPI(pores per inch,每英寸宏孔数)值的增大、浸渍涂覆次数的增加而降低,孔棱直径为260~690μm,随PPI值的降低、浸渍涂覆次数的增加而增加;1500℃烧结前后SiC泡沫陶瓷的平均线性收缩为15%。SiC泡沫陶瓷的显微结构中未添加烧结助剂的SiC泡沫陶瓷孔棱存在大量无法消除的气孔;添加Al2O3、Y2O3为烧结助剂的SiC泡沫陶瓷在1700℃烧结后所含液相为Y3Al5O12,实现了孔棱显微结构的完全致密化;添加MgO、Al2O3、SiO2为烧结助剂的SiC泡沫陶瓷在1300℃烧结后所含液相为Mg2Al4Si5O18和MgSiO3,高温时液相分解,SiC颗粒依靠玻璃相黏结为大颗粒,但气孔无法有效消除。SiC泡沫陶瓷的抗压强度随相对密度的增加而增大;在相对密度基本一致的情况下,当PPI值由15、20增加到40时,SiC泡沫陶瓷的抗压强度值从0.60MPa、1.22MPa升高至2.14MPa;在PPI值为20,相对密度基本都为0.20的情况下,随孔棱气孔减少、显微致密程度的升高,SiC泡沫陶瓷的抗压强度明显增大。 然后,研究了SiC泡沫陶瓷增强Al基复合材料的制备及结构形成机理。利用无压浸渗工艺成功实现了SiC泡沫陶瓷高温浸渗熔融金属Al液,表征了复合材料的物相组成、显微结构和显微硬度。研究表明:SiC泡沫陶瓷增强Al基复合材料的主相为Al、SiC,并存在少量高温浸渗过程反应生成的Si和MgAl2O4。950℃氮气气氛下,SiC泡沫陶瓷增强Al基复合材料中泡沫陶瓷体的宏观轮廓清晰,SiC与Al界面结合良好,陶瓷体中空孔道中渗入了金属Al,增强相SiC和基体Al起到了相互约束的作用,有利于整体力学性能的提高。SiC泡沫陶瓷增强Al基复合材料中基体Al的硬度值为700MPa,靠近界面的SiC侧区域的显微硬度值为10GPa,在SiC增强体中略微升高至11GPa。在Al熔体中加入Mg元素,同时升高熔体的温度,可以起到改善Al与SiC润湿性的作用。反应生成液态Si进入Al合金液,在冷却时以粗大片状晶体Si相析出,可以进一步改善Al基复合材料的力学性能。……   
[关键词]:SiC泡沫陶瓷;孔隙结构;显微结构;SIC泡沫陶瓷增强Al基复合材料;力学性能
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:武汉理工大学2011年
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