Al-SI-C系合金中多尺度SiCp的原位合成機(jī)制與強(qiáng)化行為的研究.pdf

1、本文基于液-固多相反應(yīng)原理，采用碳質(zhì)體法在Al-Si合金熔體中原位合成了多尺度β-SiCp，并以此制備出SiCp增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。首先，對Al-Si-C體系的熱力學(xué)和動力學(xué)分析，研究了鋁熔體中SiCp合成工藝條件，提出了多尺度SiCp的漸進(jìn)式合成機(jī)制。其次，研究了鋁熔體中碳質(zhì)體對SiCp形貌演變的遺傳影響，提出了原位合成SiCp的平行層狀生長和定向吸附堆垛機(jī)制，并采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，計(jì)算分析了Al摻雜對SiC晶體結(jié)構(gòu)和

2、電子密度分布的影響，揭示了摻雜型SiCp化學(xué)鍵合與硬度的相關(guān)性。最后，基于對復(fù)合材料力學(xué)性能的分析，提出了原位合成多尺度SiCp增強(qiáng)Al-Si基復(fù)合材料的協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制以及高溫骨架強(qiáng)化機(jī)制。具體來講，本文的主要研究內(nèi)容有:
　　(1)鋁熔體中多尺度SiCp原位合成機(jī)制
　　本文系統(tǒng)研究了鋁熔體中Si濃度、碳含量、反應(yīng)溫度以及保溫時(shí)間等因素對Al-Si-C反應(yīng)體系中β-SiCp合成的影響，研究了原位合成SiCp的臨界反應(yīng)條件。提

3、出了原位合成多尺度SiCp的反應(yīng)機(jī)制:即以Al4C3為中間過渡相的漸進(jìn)式反應(yīng)，由于受到Al4C3遺傳效應(yīng)的影響，由此獲得的SiCp多為微米或亞微米尺度;另一種直接反應(yīng)機(jī)制，即通過鋁熔體中溶解態(tài)[Si]與[C]的直接反應(yīng)，合成納米尺度SiCp。
　　對于反應(yīng)體系中Cu等第三組元的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，Cu的添加使體系的固相線和液相線均降低，導(dǎo)致SiCp的原位合成溫度由約750℃降低至700℃左右，也使SiCp尺寸明顯減小，并能有效

4、地提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
　　另外，還研究了以α-SiO2作為Si源的Al-Si-SiO2-C反應(yīng)體系的合成機(jī)理，并制備出原位SiCp和Al2O3復(fù)合增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料。
　　(2)鋁熔體中摻雜型SiCp生長機(jī)制與化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究
　　系統(tǒng)研究了Al-Si-C體系中SiCp形貌的演變規(guī)律，即隨著保溫時(shí)間的延長，SiCp由六角薄片狀逐漸演變成六棱臺狀，最終演變成不規(guī)則的多面體狀。晶體結(jié)構(gòu)分析表明，SiC三個晶面的生長速率

5、依次為: V{110}＞V{100}＞V{111}，其平衡晶體形貌為表面自由能較低的六角薄片狀，Si與C原子優(yōu)先沿<110>和<100>晶向進(jìn)行堆垛，其生長速率較快，而<111>晶向的生長速率最慢，最終被保留下來。鋁熔體中SiCp采用平行層狀生長和定向吸附堆垛的機(jī)制進(jìn)行生長。
　　隨著SiC中Al含量的降低，SiCp增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的布氏硬度由88.8HBW增加至109.2HBW，質(zhì)量磨損率由0.371 mg/min降低至0.27

6、2mg/min。采用第一性原理理論計(jì)算了不同Al摻雜量時(shí)SiCp的化學(xué)結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)，隨著SiCp中Al摻雜量的增加，其(011)晶面中原子排布發(fā)生變化，導(dǎo)致SiCp中共價(jià)鍵成分降低，碳原子周圍的電子云密度減小，摻雜型SiCp的硬度降低，建立了Al摻雜型SiC中化學(xué)鍵合與硬度之間的相關(guān)性。
　　研究了碳質(zhì)體的尺寸與種類對SiCp形貌的遺傳效應(yīng)，結(jié)果表明，碳質(zhì)體尺寸減小，有助于加快體系的反應(yīng)速率，使其形貌更趨近于多面體形態(tài);碳質(zhì)體的

7、形貌能夠在一定程度上對合成SiCp形貌產(chǎn)生遺傳影響。
　　(3)原位合成SiCp對Al-Si系合金復(fù)合材料強(qiáng)化行為的研究
　　本文采用特種碳質(zhì)體制備了多尺度SiCp增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料，并測試了其洛氏硬度、耐磨性能以及熱膨脹性能，提出了多尺度SiCp的協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制。采用熱等靜壓技術(shù)對復(fù)合材料進(jìn)行改進(jìn)，由此制備出組織致密的SiCp/ZL111復(fù)合材料，其硬度和高溫強(qiáng)度均提高較大。
　　采用合金型碳質(zhì)體制備了SiCp/Al-