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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,
