中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日，我國(guó)載人航天工程第一個(gè)空間核心艙-天和核心艙發(fā)射成功，“天和上九天”，離不開(kāi)眾多新材料的支撐。其中，被用于天和太陽(yáng)能帆板的就是碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，關(guān)于這種新材料你了解多少呢？
碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiC/Al），結(jié)合了鋁合金基體的比強(qiáng)度高、塑性加工性好、密度低等特性，和SiC顆粒硬度高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，是綜合性能優(yōu)良的金屬基復(fù)合材料。因其具有輕量化和高性能的特點(diǎn)，在航空航天，汽車(chē)等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。
制備方法
SiC/Al基復(fù)合材料的制備方法比較多，有鑄造法、粉末冶金、浸滲法、原位合成法、半固態(tài)攪熔復(fù)合法等。常見(jiàn)的方法有原位生成法、粉末冶金法、機(jī)械攪拌法、擠壓鑄造法、噴射沉積法、浸滲法等，下面主要對(duì)這六種方法進(jìn)行介紹。
1 原位生成法
原位生成法由Koczak 等人于 1989 年首次提出，其原理為按照材料預(yù)先設(shè)計(jì)的需求選取合適的反應(yīng)劑，然后在特定的環(huán)境下將溫度升到能使原料內(nèi)特定元素發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的溫度，在這樣的條件下材料內(nèi)部能夠反應(yīng)生成一種或幾種均勻分布在基體內(nèi)部的且熱力學(xué)穩(wěn)定的增強(qiáng)體材料，以達(dá)到強(qiáng)化的效果。原位內(nèi)生法的優(yōu)點(diǎn)在于原位生成的增強(qiáng)體顆粒在基體內(nèi)分布均勻，二者之間的界面干凈無(wú)污染、工藝簡(jiǎn)單等，故而該方法具備廣闊的應(yīng)用前景，經(jīng)近幾十年的發(fā)展，已細(xì)化完善出了許多不同的制備工藝，比如：自蔓延高溫合成法、彌散放熱法、熔鹽輔助法和直接反應(yīng)法等。但是該方法也有一定的缺點(diǎn)，對(duì)于制備復(fù)合材料的原材料有一定要求，需要滿足一些反應(yīng)條件同時(shí)反應(yīng)的副產(chǎn)物的生成難以控制，另外還存在界面問(wèn)題等。
2 粉末冶金法
粉末冶金工藝是最常采用的且最早用于制備納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的工藝之一。其制備過(guò)程是：先將陶瓷顆粒增強(qiáng)體與鋁合金基體粉末在球磨罐中均勻混合，混合過(guò)程既可以干混也可以在液體環(huán)境下進(jìn)行。混合后的粉體經(jīng)過(guò)冷壓成坯、真空排氣、熱壓燒結(jié)及后續(xù)處理(如擠壓、軋制、熱處理等)制得所需的復(fù)合材料。其過(guò)程示意圖見(jiàn)圖1。
圖1 傳統(tǒng)的粉末冶金工藝流程示意圖
粉末冶金工藝制備過(guò)程一般在真空或保護(hù)氣氛防護(hù)下進(jìn)行且燒結(jié)溫度低于鋁合金的熔點(diǎn)，從而大大的降低了發(fā)生界面反應(yīng)的可能性。粉末冶金法制備鋁基復(fù)合材料可以大范圍調(diào)控陶瓷顆粒的尺寸和含量，而且可以保證納米顆粒增強(qiáng)體在基體中較均勻的分布，減少團(tuán)聚與偏析的出現(xiàn)，從而使復(fù)合材料得到增強(qiáng)。該方法的缺點(diǎn)則在于材料容易出現(xiàn)氣孔，致密度不高。因此，必須通過(guò)擠壓、軋制或熱處理等工藝進(jìn)行二次處理以改善其致密度及機(jī)械性能。此外，粉末冶金制備工藝比較繁瑣，通常需要密封、真空或者保護(hù)氣氛的工作條件，而且燒結(jié)溫度選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致偏析。
3 機(jī)械攪拌法
機(jī)械攪拌法是在攪拌的過(guò)程中將增強(qiáng)體顆粒加入到基體金屬液中，利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌裝置使增強(qiáng)體均勻混合入基體金屬液之中，然后澆入模具中得到想要的鑄件。其生產(chǎn)設(shè)備見(jiàn)圖2所示。機(jī)械攪拌法操作過(guò)程較為簡(jiǎn)單，成本低廉，不到其他加工工藝的一半，是可以廣泛應(yīng)用的方法，目前工業(yè)上制備復(fù)合材料大多數(shù)都是采用該方法。
圖2 機(jī)械攪拌法示意圖
綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)攪拌鑄造的研究發(fā)現(xiàn)，攪拌鑄造法可以以攪拌時(shí)的熔體溫度為依據(jù)，將其分為液態(tài)攪拌和液半固態(tài)攪拌兩種方法。液態(tài)攪拌法主要是使攪拌溫度保持在液相線以上，一邊攪拌一邊加入增強(qiáng)體顆粒，攪拌之后可以直接進(jìn)行澆鑄。半固態(tài)攪拌是指將攪拌溫度調(diào)制固液相線之間，使熔體之中有一定的固相體積分?jǐn)?shù)。這樣在攪拌的時(shí)候熔體中會(huì)有更大的剪切力容易使增強(qiáng)體顆粒分布均勻。
這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，液態(tài)法簡(jiǎn)單，但是卷氣很?chē)?yán)重，顆粒分散的不夠均勻。但是半固態(tài)攪拌鑄造法目前仍存在一些問(wèn)題，如在攪拌過(guò)程中陶瓷顆粒容易產(chǎn)生偏聚、界面處易發(fā)生反應(yīng)等。其次，在空氣環(huán)境下進(jìn)行攪拌時(shí)，攪拌的過(guò)程中尤其是高速攪拌時(shí)很容易吸入氣體，使得最后澆鑄出的復(fù)合材料產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)有害的氣孔缺陷。再次，顆粒增強(qiáng)相添加的體積分?jǐn)?shù)有一定限制是利用攪拌鑄造法制備金屬基復(fù)合材料的另一個(gè)問(wèn)題。
4 擠壓鑄造法
這種方法首先是要按照零件的形狀將增強(qiáng)體材料制備成預(yù)制塊，然后放入鑄型。在重力下澆注液態(tài)金屬或合金，隨后對(duì)金屬液施加壓力，使基體熔液滲入到預(yù)制塊中形成錠。其制備示意圖見(jiàn)圖3所示。
圖3 擠壓鑄造示意圖
擠壓鑄造后得到的材料均勻性非常良好，材料內(nèi)部沒(méi)有明顯的缺陷。這是因?yàn)樘蓟桀w粒與鋁合金基體的結(jié)合界面非常好，結(jié)合的十分緊密，使得二者之間的界面能夠起到傳遞載荷的作用，實(shí)現(xiàn)抑制鋁基體的膨脹的情況。擠壓鑄造法還有諸多優(yōu)點(diǎn)：制備出的產(chǎn)品尺寸準(zhǔn)確穩(wěn)定，省去了后期二次加工的麻煩；金屬液浸滲的時(shí)間很短，因此能夠獲得很快的冷卻速度，這樣可以大大減少不良界面反應(yīng)的發(fā)生；加入增強(qiáng)相的量可以自由的調(diào)節(jié)其范圍。但是該方法工藝復(fù)雜，不利于用來(lái)成型形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，而且如果使用浸滲的壓力比較大，可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品形狀和模具的完好性產(chǎn)生很大的影響。
5 噴射沉積法
噴射沉積法是一種新型的加工工藝，主要是將熔化的基體金屬液在高速流動(dòng)的惰性氣體中霧化向外噴出，同時(shí)將增強(qiáng)體顆粒添加到霧化噴出的金屬液體中，使兩者在沉降的過(guò)程中混合，最后共同在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體上沉積制得想要的復(fù)合材料。制備過(guò)程見(jiàn)圖4所示。
圖4 噴射成形制備復(fù)合材料示意圖
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以隨意調(diào)節(jié)增強(qiáng)體相的體積分?jǐn)?shù)，而且增強(qiáng)體材料的粒度大小在制備時(shí)也不受限制。得益于增強(qiáng)體顆粒與基體熔液之間接觸的時(shí)間很短暫，因此二者之間反應(yīng)時(shí)間非常有限，這樣可以明顯的改善二者之間的界面的結(jié)合狀態(tài)。因此霧化沉積技術(shù)可以使得基體保持快速凝固的特點(diǎn)，得到的晶粒十分細(xì)小。
6 浸滲法
浸滲法通常有兩種主要形式，包括無(wú)壓浸滲和壓力浸滲。無(wú)壓浸滲相對(duì)簡(jiǎn)單，就是將基體Al合金在可控氣氛爐中加熱，使其超過(guò)液相線溫度；然后在不加壓力的條件下，使合金溶液自行浸滲到SiC預(yù)制體中去的制備方法。壓力浸滲的區(qū)別就是加上壓力條件，其方法接近于擠壓滲透鑄造。
浸滲法是一種成本較低且工藝簡(jiǎn)單的制備技術(shù)。因而常用于高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al基復(fù)合材料的制備，制得的材料SiC顆分布相對(duì)均勻。成熟的無(wú)壓浸滲法制備的SiC/Al復(fù)合材料材料甚至已經(jīng)能夠應(yīng)用于電子封裝。但這種方法對(duì)預(yù)制體引入的高孔隙率難以控制。
應(yīng)用前景
SiCp/Al基復(fù)合材料作為一種性能優(yōu)質(zhì)的新型結(jié)構(gòu)材料，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外多年的研制開(kāi)發(fā)，逐漸在航空航天等高精尖領(lǐng)域得到了規(guī)模化的應(yīng)用。在航空領(lǐng)域，目前，各國(guó)就飛機(jī)上各種常用構(gòu)件展開(kāi)廣泛研究，如蒙皮、型材等。在航天領(lǐng)域，哈勃望遠(yuǎn)鏡天線上的展開(kāi)機(jī)構(gòu)中的支撐桿也采用了顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。在衛(wèi)星上，作為結(jié)構(gòu)材料，有效載荷鏡坯、支撐桿等關(guān)鍵部位也使用了顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其中部分結(jié)構(gòu)件還兼具了功能材料的作用。
直升機(jī)用SiCp/Al基復(fù)合材料
（圖片來(lái)源：北京有色金屬研究總院）
SiCp/Al基復(fù)合材料作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)的多功能復(fù)合材料，繼Al合金和Ti合金之后，發(fā)展成為新一代的結(jié)構(gòu)材料，也因此成為當(dāng)今金屬基復(fù)合材料發(fā)展與研究的主流。但問(wèn)題依然存在，比如生產(chǎn)成本過(guò)高，大規(guī)�；a(chǎn)困難，產(chǎn)品生產(chǎn)的穩(wěn)定性不易實(shí)現(xiàn)等。因而對(duì)于SiC/Al基復(fù)合材料產(chǎn)品研發(fā)制備依然還有很長(zhǎng)的路要走。
參考來(lái)源：
【1】武慶杰.SiC/Al基復(fù)合材料界面的顯微結(jié)構(gòu)及第一性原理研究.2019年5月.
【2】李通，王全兆，等.碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的超聲檢測(cè).熱加工工藝.2020.
【3】王志剛.SiCp/Al基復(fù)合材料制備工藝及性能研究.2018年6月.
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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