納/微米雙尺度SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能研究

王 京， 孫安娜， 東星倩

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，諸如航空業(yè)、交通運輸業(yè)、電子信息業(yè)和軍事等多領(lǐng)域獲得了高速發(fā)展。一些普通金屬材料已經(jīng)難以滿足現(xiàn)如今人們的需求。因此，開創(chuàng)新型技術(shù)以及更加先進(jìn)的復(fù)合材料成為國內(nèi)外材料業(yè)研究的首要任務(wù)。SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，在性能上一直有較高的比強(qiáng)度、比模量、耐磨損耐腐蝕效果好、導(dǎo)電導(dǎo)熱功能好、大小比例合適等優(yōu)異的綜合性能，這不僅在新型材料的探索上，更在性能需求上非常符合現(xiàn)代科技的發(fā)展要求，因此受到了廣泛的關(guān)注[1-3]。SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的優(yōu)勢非常明顯，不僅在制備方面簡便多樣，而且在成本方面也更加低廉，尤其適合大批量生產(chǎn)。同時，還能通過自身的尺度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)在整體上調(diào)整其復(fù)合材料的性能。因此，在未來電子和航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展以及各種制備工藝的持續(xù)創(chuàng)新形勢推動下，SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料將會越來越多地被人們應(yīng)用到生活的各個領(lǐng)域。近年來，已有眾多學(xué)者在對金屬基復(fù)合材料進(jìn)行各種研究分析，其中的研究熱點則集中在塑性和強(qiáng)度兩方面。然而在一些特定因素中，又會選擇從增強(qiáng)體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒尺度、制備工藝、顆粒分布等方面詳細(xì)研究其在力學(xué)性能上的價值和可創(chuàng)造性。在以往的各種研究分析中可以看到，加入微米SiC顆粒后，改變顆粒尺寸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，會對復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。添加適量的微米SiC顆粒雖然可以提升復(fù)合材料的強(qiáng)度，然而卻是以犧牲塑性為代價，而加入納米SiC顆粒能起到強(qiáng)度的提升，同時在塑性上則與金屬基體同等或更高[4]。由于納米SiC顆粒尺寸小，比表面能高，分散不均勻?qū)е骂w粒堆積在一起出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，所以在增強(qiáng)效果上不太理想。若在組分設(shè)計上轉(zhuǎn)換思路加以研究，選用納/微米SiC顆粒作為增強(qiáng)體，展現(xiàn)其雙尺度增強(qiáng)體共同作用的優(yōu)勢。然而在關(guān)于雙尺度增強(qiáng)復(fù)合材料方面的研究上還不夠完善，增強(qiáng)體顆粒尺寸和各種工藝參數(shù)方面都有所欠缺。所以，站在綜合性能優(yōu)越的角度上更深入地對納/微米雙尺度SiC顆粒復(fù)合材料進(jìn)行探索研究，這在學(xué)術(shù)研究上則有著重要的理論意義及實用價值。

本文論述的目的是研究不同工藝參數(shù)對SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的影響規(guī)律，旨在優(yōu)化新型復(fù)合材料來提高綜合性能。首先，利用真空吸鑄技術(shù)，制備了SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。其次，改變SiC顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和尺度大小，使用掃描電鏡、萬能材料試驗機(jī)等配置，通過不同工藝參數(shù)對復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的影響進(jìn)行精細(xì)測試和分析。最后，得到結(jié)論來判斷其規(guī)律對未來新型材料應(yīng)用發(fā)展的適用性。

1 試驗材料和過程

1.1 試驗材料及試樣制備方法

基體合金粉末選用ZL204A，純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))>99.8%，其標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分組成見表1。試驗中添加的SiC顆粒作為增強(qiáng)體，SiC顆粒尺寸分別為60 nm和15 μm。本實驗選取的設(shè)備為高真空電弧熔煉和吸鑄系統(tǒng)，如圖1所示。真空吸鑄的具體步驟如下。

圖1 底漏式真空吸鑄設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 1 Schematic of bottom leakage vacuum suction and casting equipment

表1 ZL204A鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /% )

Tab. 1 Chemical composition of ZL204A aluminum alloy (mass fraction /%)

CuMnTiCdAlFeSiMg4.6-5.30.6-0.90.15-0.350.15-0.25余量0.120.060.05

(1)將SiC 顆粒增強(qiáng)體與ZL204A基體按比例混合后放入熔煉室內(nèi)。

(2)經(jīng)過2～4個熔化和凝固循環(huán)后，材料熔煉成具有光滑表面的合金鑄錠。再用磁力攪拌器將樣品熔化2～3次，直到合金錠的組成變得均勻。

(3)將合金錠加入抽吸裝置坩堝，在吸入閥打開的情況下熔化成液態(tài)。在重力和吸力之間的負(fù)壓差的共同作用下，合金液體通過石墨端口快速吸入銅模具中以獲得復(fù)合材料試樣。將實驗獲得的試棒進(jìn)行熱處理，固溶6 h，時效4 h。

1.2 復(fù)合材料的組織及性能測試方法

試樣經(jīng)過熱處理后，通過線性切割加工制成標(biāo)準(zhǔn)的金屬拉伸試樣，顯微硬度測試實驗在MHVD-1000IS顯微硬度測試儀上進(jìn)行，拉伸試驗在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行。拉伸試樣如圖2所示。拉伸試驗結(jié)束后，將金相試樣經(jīng)過800、1 000、1 500和2 000等級的砂紙粗磨和精細(xì)研磨后，再通過用MP-2B雙盤變速研磨機(jī)來拋光切片表面，直到表面猶如光滑的鏡子為止。為了更直觀地觀察復(fù)合材料的整體微結(jié)構(gòu)，蝕刻拋光表面。本實驗腐蝕試劑的成分為：50 ml蒸餾水，5 mlHNO3，3 mlHF，腐蝕的時間為3 s。為了避免金相試樣被氧化，應(yīng)用清潔劑洗滌和無水乙醇快速干燥。最終得到的試樣要在金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察試樣組織和增強(qiáng)體的分散情況。

圖2 試樣拉伸示意圖

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 單一納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的顯微組織觀察

圖3顯示了改變納米SiC顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，復(fù)合材料的金相試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察所得的納米SiC顆粒的分布形貌。當(dāng)納米SiC顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%和1%時，少量單獨的納米SiC顆粒均勻地分散在小區(qū)域中，如圖3(a)、(b)所示。當(dāng)納米SiC顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，SiC顆粒分布得更離散、更均勻，分布的形式均以單個納米SiC顆粒，沒有出現(xiàn)顆粒堆積在一起而產(chǎn)生團(tuán)聚的現(xiàn)象，如圖3(c)所示。這也說明了采用真空吸鑄工藝制備試樣的方法解決了SiC顆粒在基體材料中的分散性問題。然而當(dāng)納米SiC顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)增加到5%時，納米SiC顆粒在基體內(nèi)并沒有隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而分散得更加均勻，反而在局部區(qū)域內(nèi)顆粒堆積在一起而產(chǎn)生了嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，如圖3(d)所示。究其原因就在于，在真空吸鑄熔化以及凝固循環(huán)的過程中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會使納米SiC顆粒依附在表面帶動熔體在坩堝中翻滾，導(dǎo)致熔體把加進(jìn)去的顆粒大面積包裹住，在熔煉過程中顆粒無法均勻分散開，以單個顆粒的形式存在困難， 顆粒堆積在一起產(chǎn)生團(tuán)聚的概率大幅度增加。通過此實驗結(jié)果顯示，質(zhì)量分?jǐn)?shù)對納米SiC顆粒在基體內(nèi)的均勻分散性問題來說是一個重要參數(shù)。納米SiC顆粒均勻分散能使復(fù)合材料的綜合性能提高，而顆粒堆積在一起發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象會降低復(fù)合材料的綜合性能，因此，選擇最佳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保證顆粒在基體內(nèi)的均勻分散性對研究納米SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料起關(guān)鍵性作用[5-6]。

(a) 0.5% (b) 1%

(c) 2% (d) 5%

Fig. 3 Distribution and morphology of SiC nanoparticles with different mass fraction in matrix

2.2 納/微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的顯微組織觀察

圖4顯示了SiC顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，改變SiC顆粒的尺度，復(fù)合材料的金相試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察所得的SiC顆粒的分散情況。納米SiC顆粒作為增強(qiáng)體時，晶粒分布均勻，晶粒細(xì)化，無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象， 如圖4(a)所示。這是由于在真空吸鑄過程中，納米SiC顆粒阻礙基體合金的晶粒長大， 同時有利于促進(jìn)吸鑄過程中的再結(jié)晶形核。 微米SiC顆粒和納/微米SiC顆粒作為增強(qiáng)體時，在復(fù)合材料的分布形貌上兩者有相似之處。微米SiC顆粒均為菱形條狀，均勻分散在基體內(nèi)，但納/ 微米SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有更細(xì)的晶粒， 如圖4(b)、(c)所示。這種現(xiàn)象的主要原因與2種SiC顆粒的尺度有關(guān)，在納米SiC顆粒的晶粒細(xì)化的同時，2種尺度的SiC顆?；旌显谝黄?，可以嵌插在基體合金中的SiC顆粒大于單一尺度，這樣不同尺度的顆?；旌洗┎宸绞剑粌H有利于減少空隙缺陷的產(chǎn)生，而且在基體內(nèi)分散得更加均勻。 圖4(d)為SiC顆粒尺度為60nm+15μm時復(fù)合材料中的小型顆粒團(tuán)聚。由于基體中無C元素，C元素全部來源于增強(qiáng)體中，因此通過顆粒團(tuán)聚處EDS能譜分析圖以及圖4(a)～(c)中SiC顆粒的形狀，即可得到圖4(d)中的小型團(tuán)聚為SiC顆粒。

(a) 60 nm (b) 15 μm (c) 60 nm+15 μm

(a) 60 nm (b) 15 μm (c) 60 nm+15 μm

(d)SiC/ZL204A中的顆粒團(tuán)聚 (e) 顆粒團(tuán)聚處EDS能譜分析

(d) Agglomeration of particles in SiC/ZL204A (e) EDS energy spectrum analysis of particle agglomeration

圖4 不同尺寸 SiC顆粒在基體內(nèi)的分布形貌及能譜分析

Fig. 4 Distribution morphology and energy spectrum analysis of SiC particles of different sizes in matrix

2.3 單一納米SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的硬度及力學(xué)性能

圖5顯示了改變納米SiC顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時復(fù)合材料的硬度值測量結(jié)果。結(jié)果顯示不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)體現(xiàn)在復(fù)合材料的硬度值方面也擁有不同的作用效果。當(dāng)納米SiC顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加到2%時，復(fù)合材料的硬度值得到大幅度提升，并在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時測得硬度最大值(81.2 HV),與基體材料(62.5 HV)相比增加了29.9%。當(dāng)納米SiC顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到5%時，硬度值下降，歸因于納米SiC顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大而堆積在一起出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象，減弱了增強(qiáng)效果[7-8]。圖6顯示了改變納米SiC顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，復(fù)合材料對抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響規(guī)律。復(fù)合材料的機(jī)械性能隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加較基體均有提高，呈先增大、后減小的變化趨勢。當(dāng)納米SiC顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率最高，達(dá)到285.9 MPa和56%，與基體材料(215.2 MPa 和45%)相比增加了32.8%和24.4%。其原因是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的納米SiC顆粒在基體內(nèi)均勻分散，沒有出現(xiàn)顆粒堆積在一起而產(chǎn)生大型團(tuán)聚的現(xiàn)象 ，能夠有效地阻止復(fù)合材料晶粒的長大，表現(xiàn)為硬度及力學(xué)性能的提高。當(dāng)納米SiC顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到5.0%時，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度降低，并且斷裂伸長率只有37%，這是因為納米SiC顆粒超過一定量時，在晶界處出現(xiàn)飽和狀態(tài)，阻礙納米SiC顆粒對晶粒細(xì)化的作用[9]。此外，納米SiC顆粒尺寸小，比表面能高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)太高時易于聚集在一起，分散不均勻，嚴(yán)重影響和損傷復(fù)合材料的性能。而拉伸載荷作用使復(fù)合材料團(tuán)聚處容易出現(xiàn)裂紋源,不斷擴(kuò)展長大,導(dǎo)致復(fù)合材料在較小的應(yīng)力作用下即可發(fā)生斷裂，表現(xiàn)為復(fù)合材料強(qiáng)度下降和伸長率的下降[10-11]。

圖5 單一納米SiC顆粒不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)增強(qiáng)復(fù)合材料的硬度

Fig. 5 Hardness of composites reinforced by different mass fraction of single nano-SiC particles

圖6 單一納米SiC顆粒不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)增強(qiáng)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度及伸長率

Fig. 6 Tensile strength and elongation of composites reinforced by different mass fraction of single nano-SiC particles

2.4 納/微米SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的硬度及力學(xué)性能

圖7是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，加入不同尺度的SiC顆粒作為增強(qiáng)體時，復(fù)合材料的硬度測量結(jié)果。該結(jié)果顯示加入納/微米SiC顆粒作為增強(qiáng)體時，復(fù)合材料的硬度值最高(98.6 HV)，其次是微米SiC顆粒(87.2 HV)，最后是納米SiC顆粒(81.2 HV)。復(fù)合材料的硬度值較基體材料分別增大了57.2%、39.0%和29.5%。這是因為微米SiC顆粒尺寸較大，直接承受載荷，起到了一個骨架支撐的作用，從而其硬度值有明顯的提高[12]。納米SiC顆粒主要由于強(qiáng)化作用對硬度值產(chǎn)生影響，而納/微米SiC顆粒在增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時，在2種不同尺度的SiC顆粒作為增強(qiáng)體對復(fù)合材料的協(xié)同作用下，硬度的增強(qiáng)效果要高于單一尺度SiC顆粒的。圖8是加入不同尺度的SiC顆粒作為增強(qiáng)體時，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度以及伸長率的測量結(jié)果。從圖8中可以得知，加入納/微米SiC顆粒增強(qiáng)時，復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度最高(298.2 MPa)，其次是納米SiC顆粒(285.9 MPa)，最后是微米SiC顆粒(275.7 MPa)。分別較基體(215.2 MPa)提高了38.5%、32.8%和28.1%。在基體中加入SiC顆粒后，顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制主要是位錯強(qiáng)化和Hall-Petch強(qiáng)化以及Orowan強(qiáng)化等等，根據(jù)Hall-Petch的公式：

ΔσHall-Petch=Ky(d-1/2composites-d-1/2matrix).

(1)

其中，Ky為材料常數(shù)，取決于材料的晶體結(jié)構(gòu)；d-1/2composites為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的晶粒尺寸；d-1/2matrix為基體合金的晶粒尺寸；ΔσHall-Petch為材料的屈服極限增量)。研究可知，晶粒的尺寸越小，材料的強(qiáng)化效果越好[13]。

圖7 不同尺寸SiC顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的硬度

Fig. 7 Hardness of SiC particle reinforced composites with different sizes

從圖4(a)、(b)可以看出，納米SiC顆粒作為增強(qiáng)體的平均晶粒尺寸比微米SiC顆粒作為增強(qiáng)體的平均晶粒尺寸小，因此起到了明顯的細(xì)化和抗拉強(qiáng)度提升的作用。納/微米 SiC顆粒作為增強(qiáng)體時，對復(fù)合材料的強(qiáng)度方面和塑性均方面有很大的提高，綜合性能方面最強(qiáng)。比單一納米、微米SiC顆粒作為增強(qiáng)體的強(qiáng)化效果要明顯得多，彌補(bǔ)了單一納米、微米SiC顆粒在強(qiáng)度或者塑性方面增強(qiáng)效果的不足。在先前的研究中，當(dāng)添加微米SiC顆粒作為增強(qiáng)體時，復(fù)合材料強(qiáng)度通常增加，但是以犧牲塑性為代價。而加入納米SiC顆粒在基體中會均勻分散以及晶粒細(xì)化，使得復(fù)合材料的晶界處會產(chǎn)生相對較小的應(yīng)力集中，很難再有裂紋的產(chǎn)生，使得復(fù)合材料伸長率有所提高，這說明了在本次研究中采用真空吸鑄技術(shù)制備，添加納/微米SiC顆粒作為增強(qiáng)體，與此同時復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性也都得到相應(yīng)的改善。

圖8 不同尺寸SiC顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度及伸長率

Fig. 8 Tensile strength and elongation of SiC particle reinforced composites with different sizes

3 結(jié)束語

(1)納米SiC顆粒在基體內(nèi)的分散性隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)改變而發(fā)生變化。當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，納米SiC顆粒在基體中是呈有序分散的狀態(tài)，無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。當(dāng)納米SiC顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大時，缺陷增多并且均勻分散程度明顯下降。

(2)當(dāng)納米SiC顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生改變時，復(fù)合材料的硬度、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率呈先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)納米SiC顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，復(fù)合材料的硬度、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率最高，達(dá)到了81.2 HV、285.9 MPa和56%，與基體材料(62.5 HV、215.2 MPa 和45%)相比增加了29.9%、32.8%和24.4%。

(3)納/微米SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時，硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為98.6 HV、298.2 MPa和58%，與基體相比，分別提高了57.2%、38.5%和28.8%。強(qiáng)度和塑性的增強(qiáng)效果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于增強(qiáng)體為單一納米、單一微米SiC顆粒的鋁基復(fù)合材料，納/微米SiC顆粒作為增強(qiáng)體復(fù)合材料綜合性能最佳。