混杂Cf／SiCp／Al复合材料的低压浸渗

混杂混杂CfCf SiCpSiCp AlAl复合材料的低压浸渗复合材料的低压浸渗 一131999年12月西北工业大学学报Dc 1999第17卷增刊JOURNAL OFNORTHWESTERN POLYTECHNICALUNIVERSITY Vo1 17Ext 1ss混杂C sic A1复合材料的低压浸渗干家康 周尧和 弓摘要提出7混杂低压浸渗模型 理论计算表明在0 45MPa 压力下可实现对非润湿体系混杂Cr Al复合材特的完全浸渗 采用超声混杂法制出了SiC分布均匀的混杂预制型C sic tC J 了混杂预制型的均匀性 采用气压浸渗法在1MPa压力下制出7纤维分布均匀的混杂复合材料C sic A1 分析7纤维分布与混杂预制型中SiC分布的关系 关键词功能复合材料 混杂预制型 低压浸渗TB833声棠 匠i垮 弛 至 f啦咩引言将金属固有的高导热 生与陶瓷增强体的低热膨 胀结合起来可制备高导热 低热膨胀的功能复台材料 该类材料在 微电子封装 航空航天 光学等领域具有广阔的应用前景 1 在众多增强体中 最受关注的是高导热的碳纤维 cr 和碳化硅颗粒 sjc 而所用的轻质高导热金属常为铝 对于这种含有多股纤维的非润湿体系 普遍采用的工艺是基于凝固 技术的浸渗法 已有研究表明 高压浸渗并不能滑除空隙 反而会造成预制型断裂 因此不适合制造薄壁复杂零件 无压浸渗由于浸渗速率低而不适 合制造界面反U g3v的复合材料 增强体涂层并不能实现完全浸渗 而且成本高 使 界面复杂化 因此 研究低成本无涂层的低压浸渗技术对制备碳纤维增强铝基复 合材料具有重要意义 本文在理论分析的基础上 将SiC与C混杂 实现了低压下制备非润 湿体系混杂复合材料C siC Al 着重探索混杂预制型C siC的制 备及混杂铅基复合材料的低压浸渗 l混杂低压浸渗模型对于非润湿体系 当液态金属浸渗多孔纤维预制 型时 总是趋向于先浸渗纤维间距较大的区域 造成后被浸渗区域 的纤维互相接触 当纤维互相接触时 实现浸渗所需克服的毛细阻力变大 图1和图2 分别为液态金属浸渗两接触纤维的纵向及横向简图 根据Young KelNn方程 克服毛细力所需外加压力为 P 吒 KcosO 1 式中 札为液相金属与气相之间的界面能 K为界面曲率 口为 金属与纤维之间的润湿角 由式 1 汁算的浸渗压力为 西北工业大学博士生本文收到日期1999一o6 12 西北工业大学教授 航空科学基金资助项目增刊于家康等混杂c r sic Al复合材料的低压浸渗P一 二r 9 Lsina p一 塑 r Rsinatg a 2 式中 J和P分别为纵向和横向浸渗两接触纤维所需 的外加压力 式 2 中为两接触纤维之闻的接触半角 L为液态金属与纤维问的接触 点和两接触纤维问的距离 式 3 中 为液态金属 纤维间的接触点与纤维中心的连线和两接触纤维中5 的连线之问的夹角 为纤维半径 两液态金属要充满两接触纤维之 问的空间 必须使L一0或t J 0 显然由式 2 和 3 知 此时所需浸渗压力为无穷大 即增加压力只能减小空隙 而 不能消除空隙 这些空隙的存在对复台材料陆能极为不利 图1液态金属娅渗两接触纤维的纵向衙图图2蔽态金属浸穰两接触钎 雏的横向倚图消除空隙的有效途径是改善纤维预制型的分布 特别 是要防止纤维互相接触 液态金属浸渗纤维的过程实际上是纤维周围的气相被液态金属替代 的过程对于单位体积的金属 所需的压力为 P 口FL o pa 母 d 式中 和oh分别为纤维与液态金属及纤维与气相之间的 界面张力 为单位体积金属中纤维的表面积 当单丝直径为d 的纤维束被浸渗的体积分数为r 时 的大小为母 一 代入式 d 并采用文献 4 给出的铝液浸渗碳纤维的数据 为318 0 10 N cm l F 为2400 10 N cm 十算得出浸渗所需的临界压力为 6 碳纤维直径为7m 体积分数 般不会超过50 因此当纤维均匀分布时 纤维互相不接触 只需0 45MPa的压力即可实现完全浸渗 而目前普遍采用的是压力高达50 100MPa的挤压铸造方法 外加正力这么大 不仅成本高 成形困难 而且会压断纤维 因此 高压法不适合制备连续多股纤维增强复合材料 本文将SiC与Cr混杂 使纤维均匀分布 由理论分析可知 在不大于 1MPa的压力下能实现对非润湿体系的完全浸渗 2实验方法预制型用C为日本Toray公司M40 每束纤维中有3000根碳 单丝 碳单丝直径为7pm 西北工业大学学报第l7卷sic尺寸为l 5m 在Ar气保护下C e于高温去胶 在由蒸馏水 硅溶胶及高温预处理SiC组成的悬浮液 中进行超声混杂 经高温干燥烧结后制成混杂预制型 考察混杂预制型中SiC 在C r表面的均匀性 预制型先抽真空 预制型与Al液的温度分别达650 C和780 C后 用 气压浸渗将纯Al液在1MPa下浸入混杂预制型 考察SiC 对C分布的影响 采用感量为10g的光电天平称重 以严格控制预制型的体积分数 用光学显微镜和扫描电镜进行显微组织分析 用扫描电镜照片测定 混杂预制型中SiC在C 表面的分布 3实验结果与分析3 1混杂预制型的制备将SiC超声混杂入C柬内 干 燥烧结后对Cr束不同部位SiC的分布进行分析 其扫描电镜照片见图 3 照片中很少发现聚集在一起的SiC混杂工艺对SiC分布影响很大 当超声混杂时间增大时 s C沿纤维横向的分布更均匀 当混杂体由混杂液抽拉出的速率增大时 SiC的分布变得更不均匀 在超声空化的作用下 SiC进入C束内 对于给定功率的超声机 超声混杂时间超过某临界值后 达到超声 饱和状态 纤维束内和束外的分布差别不大 s C进入C柬内的动力 图3混杂预制型的扫描电铺照片学决定了SiC沿纤维横向的分布 当超声功率为500W时 该临界时间为308 对于达到超声饱和状态的混杂体 抽拉速率影响SiC沿纤维纵向的分 布 当抽拉速率小于超声液的流动速率时 SiC之间不会产生相互接触3 2混杂Cr sic A 复合材料的低压浸渗纯铝液浸渗混杂预制型C r sic后的金相照片见图4和图5 碳纤维接触的区域没有发现s C 同时该区域也复合不良 在纤维 接触处形成空隙 有SiC存在的区域 纤维之间不会互相接触 因此铝液也与碳纤维复 合良好 图d混杂c sic hl复合材料的横向照片图5混杂c sic a1复 合材料的斜向照片增刊于家康等蔼杂c sic a1复合材料的低压漫 渗碳纤维在铝中的分布与sic在c表面的分布存在很好的对应关系 s ic分布均匀的区域c 分布也均匀 超声混杂难以做到SiC在C 表面等距分布 但可以控制混杂工艺 使SiC之间的间距超过一临界值 以抵抗浸渗压力使其变形 只要变形量不超过SiC的尺寸 就可防止纤维接触 对于体积分数为5O煳均碳纤维 当SiC含量为3 5时 通过控制混杂 工艺及浸渗工艺 可获得分布均匀的混杂复合材料 见图6 4结论图6混杂Ct siC hl复合材料的纵向照片 1 混杂低压浸渗模型为低压下制备非润湿俸系复合材料提供了理论 依据对于C Al体系 当碳纤维体积分数为50时 实现完全浸渗的最 小临界压力为0 45MPa 2 超声混杂工艺对SiC在Cr表面的分布有重要影响 超声混杂时间决定了SiC沿C 表面的横向分布 抽拉速率决定了SiC 沿C 表面的纵向分布 3 碳化硅颗粒在C表面的分布与C在Al中的分布存在对应关系 在合理的浸渗工艺条件下 控制预制型中SiC的分布可获得Cr分布均 匀的混杂复合材料 参考文献I ZwebenC Metal M atrix Composites forElectronic Packaging JOM 1992 44 7 15 232ClyFie TW e a1 The SqueozoInf iltrationProcess forFabrt tion ofM etal M atrix Composites J Mater Sci I985 2085 963M ortenochA Cothie JA On theInfiltration of