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1、,碳化硅颗粒增强铝基复合材料,碳化硅颗粒增强铝,设计思路 组织和性能 生产工艺 应用与前景,铝基体 优点:含量最高 ,不仅重量轻,质地坚,而且具有良好的延展性、导电性、导热性、耐热性和耐核辐射性。 缺点:低强度、低刚度、不耐高温、抗腐蚀性抗疲劳性低。,设计思路,设计思路,碳化硅增强体(SiC) 晶体结构:菱面体的 -SiC和立方体的-SiC(称立方碳化硅)。-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体,已发现70余种。-SiC于2100以上时转变为-SiC。 性能:耐腐蚀、耐高温、化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好。硬度很大,具有优良的导热性能,是一种半导
2、体,高温时能抗氧化。,设计思路,增强机制 1.Orowan强化机制 变形过程中,位错运动绕过SiC颗粒可以使强度增加,假设SiC颗粒为球形,则强化效应为:,其中,L为颗粒间距,b是位错的柏氏矢量,G是基体的剪切模量。,设计思路,增强机制 2.细晶强化 SiC颗粒的存在诱发铝再结晶,从而细化晶粒。假设,每个SiC颗粒又发一个晶粒形核,则所引起的的屈服强度的增量与晶粒尺寸关系为:,设计思路,力学模型 1 .混合定律 在碳化硅增强铝的强化理论中,最简单化的是混合定律。材料的弹性模量和屈服强度分别为:,此模型,未考虑增强体形状等微观组织对性能的影响,该模型的预测力学性能的数值是实验值的上限。,设计思路
3、,力学模型 2.Eshelby理论 若用一个具有适当错配应变,有机体材料组成的渗入体来描述真实的渗入体,他的应力场和真实渗入体的应力场是相同的假定增强体是无限大,匀质,完整,且各向同性的弹性介质,在进行无限等分,在增强体内所有点的所受应力相同,然后模拟加入夹杂之后复合材料的应力-应变行为。,设计思路,力学模型 3.有限元分析 将求解域看成是由许多小的在节点出互相连接的子域构成,单元内部点的待求量通过选定的函数关系查插值求得。单元划分越细,结果越精确。,边界条件,基础方程,近似求解,数值分析法,组织和性能,宏观上分布均匀,微观下观察,SiC颗粒主要分布在树枝间和最后凝固的液相区,同时也有部分存在
4、于初生晶内部作为凝固的核心,即被初生晶所吞陷。,碳化硅颗粒在金属中弥散分布,细小而均匀分布的纳米颗粒高教率地占据空间,颗粒间距较小有效地控制晶粒长大,使组织细小而均匀,组织和性能,碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有如下特点: (1)良好的力学性能:较高的强度、模量、硬度、较低的断裂韧性 (2)良好的化学性能:耐高温性,抗氧化性,耐磨性和耐腐蚀性 (3)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 (4)具有各向同性,可以用传统铝合金材料的设计理论进行结构设计; (5)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;,生产工艺,1.真空压力浸透法 原理: 先将增强
5、体制成预制件,再将预制件放入位于承压容器的模具内,抽出预制件内的气体后,在真空和惰性气体的共同作用下,采用压力将金属熔体由通道压入模具内,使之浸透预制件。 优点:(1)可直接制成复合零件,特别是形状复 杂的零件。 (2)浸渍在真空进行,无气孔,疏松,缩孔等缺陷。 (3)工艺简单,参数易控制 缺点:设备比较复杂,工艺周期长,投资大,成本 高。,生产工艺,2. 喷射共沉淀法。 原理: 用雾化法制取铝合金粉末的同时加入碳化硅增强颗粒,两种熔体受到雾化喷射共同沉积在水冷板上,凝固得到铝基复合材料。 优点:(1)增强体颗粒与基体熔液接触时间短,界面反应少 (2)界面结合强度高,组织具有快速凝固特征,晶粒
6、十分细小。 缺点: (1)制备出的材料孔隙率高,质量差 (2)增强颗粒利用率低,沉积速度较慢,成本高。,生产工艺,3.挤压铸造法 原理:把碳化硅颗粒用适当的粘结剂粘结,按照设计要求制成 预制块放入浇铸模型中,预热到一定温度,然后浇入基体金属液,立即加压,使熔融的金属液浸透到预制块中,在压力下凝固。 优点:(1)设备简单,工艺简单,稳定性好,生产周期短。 (2)基本无界面反应,无需表面热处理。 缺点:易出现气体或夹杂物,缺陷较多。,生产工艺,4.粉末冶金法 优点:(1)增强体分布均匀,晶粒细 (2)可减少界面反应,具有优 异力学性能。 缺点:(1)工艺繁琐 (2)组织不均匀,孔洞率较大,必须进行
7、二次加工,应用,在航空航天上的应用 在航空航天工业中,碳化硅颗粒增强铝被用来制造承重缩杆,直升机的导轨和滑行着陆装置,导弹镶嵌结构,通用天线架等。,应用,在汽车上的应用 碳化硅颗粒增强铝适用于制作抗磨材料,如活塞,轴瓦等。此外,还可以用碳化硅颗粒增强铝制造油缸的内衬,驱动轴等汽车零件。,应用,在精密仪器上的应用 碳化硅颗粒增强铝具有较高强度的为屈服强度和压缩微变抗力,可以替代铍合金制造惯性导航器件。在红外线自导导向系统中,用以替代原来的不锈钢,可减轻重量。还可用于制造激光陀螺仪.,应用,在光学仪器上的应用 用碳化硅增强铝复合材料用于制造超轻空间望远镜的支架,支承和副镜,使其质量大为减轻。此外,在战术坦克的红外线观测镜,发射控镜中,也使用碳化硅颗粒增强铝。,谢谢观赏,