通过堆积理论制作SiC长纤维强化Al-基合金复合材料的方法

摘要

本发明涉及金属基复合材料的制备，具体涉及通过堆积理论制作SiC长纤维强化Al‑基合金复合材料的方法。本发明采用原子堆积理论建立计算方式，优化了SiC长纤维与Al粒子之间的关系通过r/R的变化调节SiC长纤维的充填量。有效地解决了Al粒子与SiC长纤维强化复合材料时积聚、缺陷等问题，且有效地控制了SiC/Al之间形成的界面的反应物质不会过多的降低材料的整体力学性能。本发明通过低压加压法制作SiC长纤维强化Al‑基复合材料，在制作工艺上通过添加Al粒子与熔融态Al‑基互溶，降低所需压强，提高生产效率。

说明书

技术领域

本发明涉及金属基复合材料的制备，具体涉及通过堆积理论设计SiC长纤维与Al粒子排列强化金属基复合材料对弯曲强度上的优化。

背景技术

近年，在航天航空领域里，金属基复合材料得到了越来越高的重视。由于其具有高强度，高模量的性能逐步替代了钛合金的应用。众所周知的是，随着长纤维体积填充率的增加，复合材料的理论弯曲强度会得到提高。然而目前，本领域受到金属充填长纤维工艺困难，制作成本高等限制无法达到批量生产。另一方面，由于C/Al间的界面反应难以得到有效抑制，给SiC/Al复合材料制备带来了极大的挑战。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种利用原子堆积理论优化SiC长纤维添加比例强化Al-基合金复合材料的方法。

本发明的发明构思是：本发明通过低压加压法(Low pressure infiltration：LPI)作为生产工艺，由于时间短，速度快，界面反应得到了有效的抑制。另一方面通过不同Al粒子与SiC长纤维的组合，实现堆积建模，给铝金属充填长纤维带了极大的便利。

本发明的堆积建模方法为：

S1.采用尺寸相同的SiC长纤维和Al粒子混合，将每个Al粒子与SiC长纤维视为等同大小原子，理想状态下，Al粒子与SiC长纤维紧密堆积状态下为三角形或简单立方结构；

S2.根据三角形或简单立方结构计算SiC长纤维的体积占有率；

S3.紧密堆积为三角形时，SiC长纤维的体积占有率为紧密堆积为简单立方时，SiC长纤维的体积占有率为

S4.根据步骤S3中确定的SiC长纤维的体积占有率，采用低压加压法制备Al基合金复合材料。

本发明的金属基复合材料按如下方法进行制备：

(1)向装有一定量的乙醇的烧杯中加入粘合剂聚乙烯乙二醇(PEG)，通过原子堆积建模确定纯Al粒子的添加量，待完全溶解后加入纯Al粒子，通过磁力搅拌器使混合液形成漩涡搅拌；

(2)通过Al粒子半径与SiC长纤维半径比值调节SiC长纤维的体积充填率，将SiC长纤维剪断浸泡在液体中，30分钟后取出；

(3)将试料放入模具内，在温度773K的电炉内加热1小时，使PEG完全分解后取出，得到陶瓷胚体；

(4)通过高周波加热器加热到使Al基合金完全熔化，从模具上方加入Ar气体0.2MPa到液体合金表面，使合金渗透到陶瓷胚体中，当液体合金与Al粒子接触后，Al粒子立即熔化，当液体合金从模具口中缓慢流出后停止加压，待冷却后得到MMC试料。

所述的SiC长纤维1-2cm。

优选的，当r/R＝1时，其SiC长纤维组织分布最为均匀。

根据金相分析法Vv＝Ss因此表面积占有率比约等于体积占有率，Al与SiC的表面积均为原型，因此Al粒子与长纤维的体积占有率比等于表面积占有率的比为πr²/πR²＝r/R，相当于半径尺寸的比值。

有益效果：本发明采用原子堆积理论建立计算方式，优化了SiC长纤维与Al粒子之间的关系通过r/R的变化调节SiC长纤维的充填量。有效地解决了Al粒子与SiC长纤维强化复合材料时积聚、缺陷等问题，且有效地控制了SiC/Al之间形成的界面的反应物质不会过多的降低材料的整体力学性能。本发明通过低压加压法制作SiC长纤维强化Al-基复合材料，在制作工艺上通过添加Al粒子与熔融态Al-基互溶，降低所需压强，提高生产效率。

附图说明

图1 SiC长纤维与Al粒子混合烧结示意图；

图2理想状态下纤维堆积，Al粒子与纤维堆积后的表面示意图；

图3 Al粒子半径/纤维半径＝1、<1场合下，与不同SiC长纤维体积充填后的表面组织放大200倍微观图；

图4 Al粒子半径/纤维半径＝1、<1场合下，与不同SiC长纤维体积充填后的弯曲强度变化图。

图5为SiC长纤维理论弯曲强度值与实际值的比较关系。

具体实施方式

下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从化学公司购买。下述实施例中Al粒子直径为20mm或10mm；SiC长纤维直径为20mm。

本发明设定Al粒子的半径用r表示，SiC长纤维的半径用R表示。

理想状态模型设计：

如图2a所示为紧密地排列下SiC正方形填充。图2b所示SiC原子在最密的排列下形成的占有率可看作等边三角形填充，当SiC长纤维完全紧密堆积时,从表面看为三个紧密连接的原子堆叠的状态，原子中心连线形成等边三角形，因此每个角为60度，三个角180度，其总面积占有率为半圆。在该状态下SiC长纤维的体积占有率即为

当紧密堆积发生一定变形时可以把该状态的表面看作一个简单立方如图2c所示，该简单立方边长为2r，其体积占有率＝πR²/(2R)²＝78.5％。因此，理论上SiC长纤维充填体积最少可以达到78.5％。然而为使液体合金与SiC长纤维复合，SiC长纤维间必须有一定的空隙，否则成型后将形成缺陷。因此，本发明中加入Al粒子起到添加剂的作用，当Al粒子与Al-基合金接触后会立即融化形成空隙，促进材料的复合成型。

如图2d所示，为方便计算首先使用的Al粒子半径尺寸与SiC长纤维半径尺寸相等。在理想状态下，当添加了等同大小的Al粒子后，R＝r在三角形紧密堆积的状态下纤维与粒子的即纤维的体积占有率约22％。

如图2c所示，简单立方下进行紧密充填，从表面积上看，SiC为1个圆加上4个4/1圆；Al为4个半圆，因此纤维与粒子的表面积占有率比为1/1，纤维的体积占有率＝2πR²/(4r)²＝39％。因此，该种理想状态下纤维的最大充填量可达到39％。所以在低压加压法制作长纤维充填的过程中把Al粒子与SiC长纤维的混合看作简单立方下的紧密充填。

Al粒子与SiC长纤维的体积占有率比等于表面积占有率的比为r/R，相当于半径尺寸的比值。因此，可通过降低Al粒子的尺寸来实现增加纤维的充填量的目的。另一方面，当降低Al粒子的尺寸后势必会引起填充纤维的积聚，从而降低复合材料的力学性能。因此，选择Al粒子与SiC长纤维最佳比例及填充率对解决Al粒子与SiC长纤维强化复合材料时积聚、缺陷等问题具有重要意义。以下实施例将对比不同半径尺寸的比值所制备Al-基复合材料的性能。

实施例1-4

实施例1-4按照表1所示体积填充率进行填充。

表1：

实施例Al粒子直径SiC长纤维直径r/R纤维体积填充率Vf110m20m0.515％210m20m0.530％320m20m115％420m20m130％

(1)向装有一定量的乙醇的烧杯中加入粘合剂聚乙烯乙二醇(PEG)，通过原子堆积建模确定纯Al粒子的添加量，待完全溶解后加入纯Al粒子，通过磁力搅拌器使混合液形成漩涡搅拌。

(2)通过Al粒子半径与SiC长纤维半径比值调节SiC长纤维的体积充填率，按照表1所示半径数值将SiC长纤维剪断浸泡在液体中，30分钟后取出。

(3)将试料放入模具内，在温度773K的电炉内加热1小时，使PEG完全分解后取出，得到陶瓷胚体。如图1所示。

(4)通过高周波加热器加热到使合金完全熔化。从模具上方加入Ar气体0.2MPa到液体合金表面，使合金渗透到陶瓷胚体中。当液体合金与Al粒子接触后，Al粒子立即熔化。当液体合金从模具口中缓慢流出后停止加压。待冷却后得到MMC试料。

对上述实施例制备的复合材料测试其三点弯曲强度，其微观组织如图3所示。图3a,3b可知，当Al粒子为SiC长纤维尺寸一半时，无论是低体积充填或高体积充填下，都会产生纤维积聚的现象。由于Al粒子尺寸小，无法达到理想状态下完整填充，因此会产生强化纤维的微小偏移积聚。如图3c，3d所示，当Al粒子尺寸与SiC长纤维尺寸相等时，由于等大球体紧密堆积，因此没有出现强化纤维积聚的现象。

将实施例1-4的试样制作成厚度为1mm，两点间长度为15mm的标准件进行弯曲强度测试并比较其结果如图4所示。图4a为实施例1、2所得测试结果，图4b为实施例3、4所得测试结果。通过比较可以得出随着SiC长纤维体积充填率的增加，复合材料的弯曲强度得到提升。然而，在r/R＝1的情形下提升强度远远高于r/R<1的情形。图5为SiC长纤维与基体复合后的理论与实际强度值。由图中可知，通过低压加压渗透法利用堆积理论建模后所得到的样品其实际弯曲强度值几乎接近于理论值，此变化与微观组织所对应一致，因此，采用本模型来计算准确度高。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。