激光切割SiC/Al复合材料的温度场仿真分析

SiC/Al复合材料具有较高的强度、较低的热膨胀系数和较好的耐腐蚀性,使其在多个高技术领域中具有很大的应用潜力和价值。然而,由于SiC/Al复合材料的高硬度特性,使用传统切削技术对其进行加工时,刀具磨损严重,影响加工效率。而激光切割技术在SiC/Al复合材料加工方面具有显著优势。文章利用有限元分析软件对SiC/Al复合材料进行仿真分析,了解材料特性和激光切割去除机理,探究加热时间、光斑尺寸等对材料表面温度场的影响。

SiC/Al复合材料的显微组织与界面研究

通过无压浸渗工艺制备了体积分数为45vol%,颗粒粒径为80μm的SiC/Al复合材料,利用金相显微镜、扫描电子显微镜观察复合材料的显微组织。结果表明,SiC/Al复合材料中可观察到增强相颗粒在基体中均匀分布,局部组织中存在孔隙和界面结合不良的情况。基体中的Si元素会以共晶Si的形式析出;C元素分布较为均匀,主要是参与了和Al基体的界面反应;基体中存在Mg和Si的富集区域,主要是由于浸渗过程中析出了Mg2Si相;近界面处存在富Mg和O的反应产物,复合材料中各种组织和相的存在均会影响材料的力学性能。

SiC颗粒清洗介质对无压浸渗SiC/Al复合材料微观组织和力学性能的影响

选用国产磨料级SiC颗粒,平均粒径在60~80μm范围内,采用无压力渗透法制备了SiC/Al复合材料。采用不同的清洗方法对硅碳颗粒上的细颗粒和有机物进行了连续清洗,考察了它们对SiC/Al复合材料微观组织和力学性能的影响。结果表明,经去离子水和丙酮清洗的碳化硅颗粒表面整洁,所得复合材料内部缺陷显著减少,力学性能分别提升至(347.48±29.87)和(348.39±4.40)MPa。其中,丙酮可有效清除颗粒表面吸附颗粒和有机物,整体保证颗粒与熔融铝液的润湿性,复合材料内部缺陷最少,材料力学性能稳定性最好。

SiC和SiC/Al在TMA空间遥感器中的应用

简述了空间遥感器的空间应用环境和三反射镜消像散(TMA)轻型遥感器的特点,介绍了遥感器设计中材料选择的重要性及影响,在TMA轻型遥感器研制中选用了具有高导热性和高比刚度的SiC和SiC/Al复合材料。对SiC和SiC/Al复合材料与常用光机材料的空间应用综合品质因子进行了比较,SiC材料的综合品质因子为8072.92,是常用光学材料的3～8倍,高体分SiC/Al复合材料的综合品质因子为1687.50,为常用机械材料的5～9倍。对遥感器的主框架进行了模态分析和试验,验证了分析计算模型的正确性;对遥感器进行了空间环境下光机热的集成计算,得出了在空间环境下遥感器的光学传递函数。计算及实验证明,这些材料的应用提高了遥感器的机械性能和热性能,提高了TMA轻型空间遥感器的空间适应能力。

制备空间光机结构件的高体份SiC/Al复合材料

采用无压浸渗复合新方法和自行研制的专用工艺设备，低成本地制备了用作空间光机结构件的高体份（55％～57％）SiC／Al复合材料大尺寸坯锭，并对其微观结构特征、基本的力学及热物理性能和断裂机制予以表征。此外，还通过线切割、电火花成型等特种加工手段将该种复合材料制造成反射镜背板、焦面板等一系列空间光机结构用典型样件。研究结果表明，该材料既有优异的结构承载功能（弹性模量213GPa，而比模量则比铝合金、钛合金及钢高出近两倍），又有卓越的热控功能（其热膨胀系数比钛合金还要低，热导率接近纯铝，达到235W／m·K），若以其替代钛合金用于空间光机结构可望获得显著的轻量化效果并降低热控负荷、改善热控效果。

高体份SiC/Al复合材料在无人机载光电稳定平台中的应用

采用无压浸渗复合方法并利用自行研制的专用工艺设备,用高体份(55%～57%)SiC/Al复合材料制备了机载光电稳定平台的内框架,并将其作为有效载荷的主承力框架。由于该材料结构承载功能优异(弹性模量为213GPa,比模量比铝合金、钛合金及钢高出近2倍),热控功能好(其热膨胀系数低于钛合金,热导率接近纯铝,达到235W/(m·K),与常用的铝合金材料相比,整个内框架最大变形量减少了60%,基频提升了65%,轻量化效果的并减低了热控负荷。检测结果表明,系统的稳定精度达到20μrad。本项研究首次将SiC/Al复合材料应用于机载光电稳定平台,为航空新材料的应用做出了有效的探索。

高体份SiC/Al反射镜在空间光学应用可行性的分析

简述了空间遥感器设计中反射镜材料选择的重要性及影响。对SiC和SiC/Al复合材料与常用光学材料的空间应用综合品质因子进行了比较,SiC材料的综合品质因子为8072.92,高体分SiC/Al复合材料的综合品质因子为1 687.50。并对高体分SiC/Al复合材料应用在反射镜上的光学性能进行了检测。检测结果得出材料的表面粗糙度能够达到1.49 nm,小于5 nm;反射率达到95%以上,能够满足反射镜的性能要求。对采用高体分SiC/Al复合材料作为反射镜和背板材料的相机结构进行分析。分析结果得出整体结构前三阶模态为115 Hz,120 Hz,203 Hz,满足空间遥感器大于100 Hz的技术要求,各反射镜的面形精度满足RMS≤1/50λ(λ=632.8 nm)的技术要求。各项测试数据和有限元分析结果表明,高体份SiC/Al复合材料作为反射镜在空间光学中应用是可行的。

空间遥感器高体份SiC/Al复合材料反射镜组件设计

为消除反射镜与支撑结构材料线胀系数差异产生的热变形对反射镜面形精度、系统成像质量的影响,采用高体份Si C/Al复合材料作为新型反射镜组件的材料。首先,通过合理的结构设计及有限元分析比较,确定了Ф600 mm口径反射镜结构参数,然后,对反射镜组件进行了静力学和动力学分析,在1 g重力载荷作用下,反射镜X、Y、Z方向去除刚体位移后的镜面变形RMS值分别为12.6,12.7,12.6 nm,达到了λ/50(λ=632.8 nm)。最后,为了验证高体份SiC/Al复合材料反射镜组件的结构性能及检验结构在振动条件下的抗干扰能力,对反射镜组件进行了力学试验,反射镜组件的一阶谐振频率为556.6 Hz。力学试验前后,反射镜镜面面形误差RMS分别为0.021λ、0.025λ,没有明显变化。实验结果表明:高体份SiC/Al复合材料反射镜达到了与SiC材料反射镜相同的设计指标要求,能够满足空间应用。

Microstructure and thermophysical properties of SiC/Al composites mixed with diamond

The thermophysical properties of the SiC /Al composites mixed with diamond（SiC-Dia/Al） were studied through theoretical calculation and experiments. The thermal conductivity and the thermal expansion coefficient of the SiC-Dia/Al were calculated by differential effective medium（DEM） theoretical model and extended Turner model, respectively. The microstructure of the SiC-Dia/Al shows that the combination between SiC particles and Al is close, while that between diamond particles and Al is not close. The experimental results of the thermophysical properties of the SiC-Dia/Al are consistent with the calculated ones. The calculation results show that when the volume ratio of the diamond particles to the SiC particles is 3：7, the thermal conductivity and the thermal expansion coefficient can be improved by 39% and 30% compared to SiC/Al composites, respectively. In other words, by adding a small amount of diamond particles, the thermophysical properties of the composites can be improved effectively, while the cost increases little.

基体合金元素对SiC/Al界面结合影响的第一性原理及实验研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理及实验相结合的方法,探讨了Al基体中分别掺杂Mg、Si、Cu合金元素对SiC/Al界面结合的影响,重点考察了合金元素在界面偏聚时的电子结构和成键情况。研究表明:在未掺杂Al/SiC体系界面结构优化时,以Si原子为终止面的Brigde结构是最稳定的结合方式;当合金元素分别替换界面处的Al原子后,界面处原子的分波态密度、Muliken电荷及成键原子集居数等电子结构参数均有不同程度的变化,这不仅增加了界面处Si与Al原子结合,同时也增强了界面处和亚界面处的Al基体和SiC增强相原子之间的相互作用,使体系更加稳定,界面黏着功均有不同提升;其中掺Mg提升效果最明显,其次为掺Cu和掺Si;利用第一性原理计算的掺杂Al/SiC体系黏着功和实验值较为接近且变化规律相同。

高体份SiC/Al复合材料在星载遥感器中应用

高体份SiC/Al复合材料因其性能优良而成为新一代星载遥感器的理想结构材料。因星载遥感器设计中材料选择的重要性,对高体份SiC/Al复合材料与常用遥感器结构材料的空间应用综合品质因子进行了比较,高体份SiC/Al复合材料的综合品质因子为1 687.8,为传统遥感器结构材料的5~80倍。对遥感器的调焦机构支架进行力学分析和测试以及热分析,结果表明,高体份SiC/Al复合材料是星载遥感器理想的结构材料,为星载遥感器的设计提供了坚实的保障。

无压浸渗制备的SiC/Al复合材料的微观组织研究

利用 XRD,OM,SEM,TEM等微观结构分析手段 ,对无压浸渗制备的 Si CP/ Al复合材料的微观结构进行了研究。结果表明 ,Si CP/ Al复合材料中存在 Si C,Al,Mg Al2 O4,Si和 Mg2 Si诸相。在组织中没有粗大的铝硅共晶体针条 ,铝基体被众多 Si C颗粒分割 ,成为细小的连续的空间网络。在铝基体中分布着 Si相及 Mg2 Si相。透射电子显微镜高分辨像表明 ,在 Si C与铝合金的界面上存在镁铝尖晶石 (Mg Al2 O4)相 ,没有出现 Al4C3相。

SiC/Al界面剪应力的原位表征

本文采用自行研制的界面强度原位测试仪(ISISTI)对SiC/Al中选定的单纤维进行顶出测试。并用剪滞方法对界面摩擦剪应力进行了分析。发现:SiC/Al复合材料的界面剪切强度与复合工艺条件之间具有明显的对应关系。本文为进一步定量评价界面化学反应程度、指导材料工艺提供了新的手段。

SiC/Al复合材料界面反应的热力学分析

为有效控制SiC/Al复合材料制备过程中的界面反应,分析了SiC/Al复合材料可能发生的界面反应,并基于Gibbs-Helmholtz方程式和化学反应的热力学平衡条件,应用基本热力学数据,计算了反应标准Gibbs自由能随温度的变化值.根据化学平衡理论,进一步分析了在界面上生成的Al4C3和MgAl2O4的热力学稳定性.结果表明:当界面上硅活度大于某一临界值A0Si时,界面上不能生成稳定的Al4C3,且A0Si随温度的升高而下降,在1000K时有一个跳跃;AS0i界面上生成MgAl2O4的反应过程以及生成物的比例,受界面Mg、Al活度的影响较大,存在临界AM0g,AA0l和A1Al值,且这些值随温度的升高而升高.

SiC/Al基电子封装复合材料的无压浸渗法制备与热性能研究

用网格堆积法制备SiC多孔陶瓷,以此作为增强体,用无压浸渗工艺制备45%～65%体积分数的SiC/Al基电子封装复合材料,测定25～300℃热导率和热膨胀系数。实验结果表明,增强体经高温氧化处理后能显著的改善SiC/Al的浸润性能;提高浸渗温度和延长浸渗时间可以改善浸渍效果,浸渗温度在1050℃,浸渗时间5h浸渗效果最好;Mg是促进浸渗的有利因素,可有效改善铝在增强体内的渗透深度。该工艺制备的SiC/Al复合材料,热膨胀系数较经典模型计值低,热导率达189W(m.K),可以较好的满足电子封袋材料的要求。

无压浸渗SiC/Al复合材料的摩擦磨损性能研究

采用无压浸渗法制备不同碳化硅粒度和体积分数的SiC/Al复合材料,利用销-盘摩擦磨损试验机考察了碳化硅的粒度和体积分数等对SiC/Al复合材料干摩擦磨损性能的影响,采用扫描电子显微镜观察磨损表面形貌并分析其磨损机理.结果表明,SiC/Al复合材料的磨损率随碳化硅体积分数增加而降低.与灰铸铁配副时,材料的摩擦系数与磨损率明显依赖于碳化硅粒度,二者均随碳化硅粒度增加而降低.复合材料的磨损机制以碳化硅颗粒的碎裂、脱落和表面犁沟为主要特征.

SiC/Al双面焊的残余应力分析

运用有限元软件ANSYS对SiC/Al的双面焊过程进行了数值分析.采用高斯圆柱热源模型模拟激光焊源,利用APDL编写循环程序实现热源的移动,得到SiC/Al双面焊过程的温度场分布和冷却后的残余应力场.从平行焊接方向陶瓷侧靠近焊缝处的横向和纵向残余应力分布曲线可见:第一道焊表面(正面)的纵向残余应力在其边缘端均为压应力,并迅速向内转变为拉应力;而第二道焊表面(反面)的纵向残余应力却正好相反,其边缘端均为拉应力,并迅速向内转变为压应力.而横向残余应力均为压应力,最大值分布在两侧.在焊缝两侧,横向与纵向残余应力均发生跳跃变化.

SiC/Al基复合材料界面调控

界面润湿性和界面反应极大地限制了SiC/Al基复合材料的制备和性能提升。虽然通过实验、计算机模拟计算等研究揭示了Al-SiC的高温润湿行为和界面反应机理,得到了界面润湿和界面反应的理论模型,但调控润湿性的因素多且复杂,一些因素相互影响,尚未系统地提出SiC/Al基复合材料界面润湿性的影响因素,调控界面润湿性和界面反应的关键因素仍不明确,SiC/Al基复合材界面的相关研究仍存在争议。为了探索控制界面润湿性的关键因素,本文归纳了影响界面润湿性的实验因素:(1)SiC基体(纯度、表面粗糙度、气孔率、游离Si含量等)及表面极性(C端、Si端);(2)合金和基体的氧化层及其厚度(氧分压);(3)合金元素种类及含量;(4)接触温度和时间;(5)界面反应;(6)测试方法(座滴、挤出等);(7)液滴重量或尺寸及蒸发速率等。其中,除了(6)和(7)外,其他因素对调控SiC/Al基复合材料的界面润湿性具有重要意义,对复合材料的制备、性能提升和应用有重要指导价值。纯Al和SiC在650℃就能发生界面反应,其产物Al_(4)C_(3)在室温下与H_(2)O发生反应,该反应会破坏界面结合,使得复合材料性能急剧降低。根据密度泛函理论和热力学计算建立了界面反应的热力学、动力学模型,通过大量实验验证和显微结构分析,阐明了温度、反应时间、合金元素、SiC表面极性等因素对界面反应的影响,建立了抑制或消除有害界面反应的边界条件。与润湿性相比,界面反应严重制约了SiC/Al复合材料的性能提升及使用寿命的延长。但可通过简单工艺调控,通过向熔体中引入合金元素、改性SiC及过渡层和特殊制备工艺等能有效抑制界面反应,实现与润湿性协同调控。本文分析了界面反应和界面润湿性的研究进展,归纳了SiC/Al基复合材料的界面调控的三个途径。一是添加合金元素进行有限的调控,在特定工艺中,添加一定量的合金元素能够提高润湿性,减弱或消除界面反应;二是设计界面反应和界面过渡层,获得预期的界面组成和结构,提高润湿性的同时消除有害界面反应;三是采用新制备工艺,利用现有的界面研究成果和模型,调控界面反应温度和时间直接获得性能优异的体材料,如累积辊压、喷射沉积、原位自生等。虽然上述途径能够调控SiC/Al基复合材料的界面,但仍存在各自的局限性,所得复合材料的性能和预期性能还有较大的差距。因而,对SiC/Al基复合材料的界面设计和调控仍然需要在理论计算的基础上,深入地研究和探索其界面反应、组成和结构,减小接触角,缩短达到平衡接触角的时间,从而降低制备工艺难度,提升材料性能。

星载激光通信载荷高体分SiC/Al主镜及支撑结构设计

为了降低激光通信载荷在轨工作中空间环境对于光学系统的影响,提高通信质量以及跟踪精度,使用综合性能较好的高体分Si C/Al作为主镜材料,并通过有限元分析确定了主镜结构的几个重要优化参数。提出了一种一体式主镜柔性支撑,该结构避免了使用不同材料支撑组件线膨胀系数不匹配而产生的应力集中,提高了主镜面形的温度稳定性,并在此基础上降低了主镜及其支撑的总体质量,实现了光学系统的轻量化。仿真分析表明,该结构在重力释放条件下,主镜面形误差PV值为λ/52,RMS值为λ/275。工作环境发生±4℃温度变化的情况下,主镜面形误差PV值为λ/11,RMS值为λ/71。主镜及其一体化支撑基频为208 Hz,主镜单独轻量化率为55.3%,进行一体化设计后主镜及支撑相比传统设计轻量化率为19.87%,能够满足总体指标要求。

冷喷涂SiC/Al纳米复合涂层的组织结构与性能

为制备基体相晶粒细小、增强相均匀分布的SiC/Al纳米复合涂层,以Al、SiC为原料,采用高能球磨法获得SiC颗粒弥散分布的纳米晶Al基复合材料粉末,利用冷喷涂技术低温成型制备了SiC/Al纳米复合涂层,分析了SiC含量对复合涂层相结构、晶粒尺寸、微观结构、硬度及磨损性能的影响规律。结果表明:冷喷涂可实现球磨纳米晶复合粉末结构的原位移植,所制备SiC/Al纳米复合涂层组织致密,微米及亚微米级SiC弥散分布在纳米晶Al (约80 nm)基体之上;SiC颗粒对Al基体有明显强化作用,冷喷涂SiC/Al纳米复合涂层的硬度随SiC体积分数的增加而显著增加,50%SiC/Al纳米复合涂层的硬度高达515 HV0.3,约为Al块材的13倍;冷喷涂SiC/Al纳米复合涂层的耐磨损性能随着SiC含量增加而显著提高,涂层磨损失效机制为磨粒对基体的切削犁沟变形。