Al-SI-C系合金中多尺度SiCp的原位合成機制與強化行為的研究.pdf

1、本文基于液-固多相反應原理，采用碳質體法在Al-Si合金熔體中原位合成了多尺度β-SiCp，并以此制備出SiCp增強鋁基復合材料。首先，對Al-Si-C體系的熱力學和動力學分析，研究了鋁熔體中SiCp合成工藝條件，提出了多尺度SiCp的漸進式合成機制。其次，研究了鋁熔體中碳質體對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制，并采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，計算分析了Al摻雜對SiC晶體結構和

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

3、出了原位合成多尺度SiCp的反應機制:即以Al4C3為中間過渡相的漸進式反應，由于受到Al4C3遺傳效應的影響，由此獲得的SiCp多為微米或亞微米尺度;另一種直接反應機制，即通過鋁熔體中溶解態(tài)[Si]與[C]的直接反應，合成納米尺度SiCp。
　　對于反應體系中Cu等第三組元的影響進行研究，結果表明，Cu的添加使體系的固相線和液相線均降低，導致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、地提高復合材料的力學性能。
　　另外，還研究了以α-SiO2作為Si源的Al-Si-SiO2-C反應體系的合成機理，并制備出原位SiCp和Al2O3復合增強鋁合金復合材料。
　　(2)鋁熔體中摻雜型SiCp生長機制與化學結構的研究
　　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。晶體結構分析表明，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制進行生長。
　　隨著SiC中Al含量的降低，SiCp增強鋁基復合材料的布氏硬度由88.8HBW增加至109.2HBW，質量磨損率由0.371 mg/min降低至0.27

6、2mg/min。采用第一性原理理論計算了不同Al摻雜量時SiCp的化學結構，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，導致SiCp中共價鍵成分降低，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中化學鍵合與硬度之間的相關性。
　　研究了碳質體的尺寸與種類對SiCp形貌的遺傳效應，結果表明，碳質體尺寸減小，有助于加快體系的反應速率，使其形貌更趨近于多面體形態(tài);碳質體的

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系合金復合材料強化行為的研究
　　本文采用特種碳質體制備了多尺度SiCp增強鋁合金復合材料，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)同強化機制。采用熱等靜壓技術對復合材料進行改進，由此制備出組織致密的SiCp/ZL111復合材料，其硬度和高溫強度均提高較大。
　　采用合金型碳質體制備了SiCp/Al-