金刚石–SiC/Al复合材料的构型设计与导热性能

以SiC和镀钨金刚石增强体为原料制备预制体,通过气压浸渗技术在800℃,5 MPa条件下制备金刚石–SiC/Al复合材料。利用扫描电镜、红外热成像仪、激光导热仪等对复合材料性能进行分析,研究SiC和金刚石的含量与粒径比对复合材料构型的影响,从而优化复合材料导热性能。结果表明:在相同的SiC粒径下,金刚石体积分数的增加将使复合材料的导热性能明显提升。当金刚石体积分数为30%时,含F100 SiC的复合材料导热性能最佳,其热导率为344 W/(m·K)。当金刚石体积分数相同,粒径比从0.07增大到0.65时,复合材料导热性能依次提升;且在金刚石体积分数为15%时,复合材料的热导率增幅最大,从174 W/(m·K)增大到274 W/(m·K),增长了57%。通过改善金刚石–SiC/Al复合材料中增强体的含量和粒径比可以调控复合材料构型,充分发挥复合材料的导热潜力。

Cu-Sn、Ni-Cr、Co烧结助剂对Ni_(3)Al基金刚石复合材料性能的影响

采用真空热压法制备了Ni_(3)Al基金刚石复合材料,研究了不同烧结助剂对复合材料力学性能和微观结构的影响,并对Ni_(3)Al基金刚石钻头的钻孔性能进行了测试。结果表明,在添加0~30vol%的Cu-Sn、Ni-Cr、Co烧结助剂后,Ni_(3)Al基金刚石刀头的致密度、抗弯强度、硬度得到提高。Ni3Al基金刚石复合材料的抗弯强度随着Ni-Cr、Co烧结助剂含量的增加而提高。Cu-Sn、Ni-Cr烧结助剂中的Cr元素在金刚石的表面出现了富集现象。将添加Cu-Sn、Ni-Cr烧结助剂的Ni_(3)Al基金刚石复合材料制备成工具进行钻削测试,发现Ni_(3)Al基金刚石复合材料的失效形式可以分为微破碎、磨耗、宏观破碎3种形式,钻削试验中并没有发现整颗金刚石脱落的现象,表明Ni_(3)Al基对金刚石的把持力较大,强度较高。

电镀金刚石钻头钻削高体积分数SiCp/Al复合材料入口棱边缺陷的研究

采用电镀金刚石钻头对碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)进行了实验研究,分析了入口棱边缺陷形貌及形成机理。通过钻削实验,研究了切削速度对孔入口棱边缺陷的影响。结果表明:钻孔入口棱边缺陷主要有宏观断裂缺口、颗粒脱落、颗粒断裂及破碎、塑性凸起等。切削速度越小,宏观断裂缺口和颗粒脱落造成的缺陷越明显;切削速度越大,颗粒断裂及破碎造成的缺陷越明显,且更容易出现多种破损形式的组合。

单颗金刚石磨粒划擦2D SiC_(f)/SiC复合材料实验

为了揭示2D SiC_(f)/SiC复合材料的磨削去除机理,根据2D SiC_(f)/SiC复合材料的编织结构特点,分别在2D SiC_(f)/SiC纤维的编织表面(woven surface,WS)和叠加表面(stacking surface,SS)沿0°、45°和90°方向开展单颗金刚石磨粒划擦实验,测量其划擦力和划痕深度,并观察划痕表面形貌。结果表明:在WS0(纤维编织表面的0°方向)上SiC_(f)/SiC材料的去除方式主要为纵向纤维(纤维轴向与进给速度方向一致)的剪切、拉伸、弯曲断裂和横向纤维(纤维轴向与进给速度方向垂直)的剪切、弯曲断裂;在WS45(纤维编织表面的45°方向)上主要为纤维的剪切、弯曲、拉伸断裂;在SS0(纤维叠加表面的0°方向)上主要为法向纤维(纤维轴向垂直于划擦表面)的延性去除、剪切、弯曲断裂,纵向纤维的剪切、拉伸、弯曲断裂;在SS90(纤维叠加表面的90°方向)上主要为法向纤维的延性去除、剪切、弯曲断裂和横向纤维的剪切、弯曲、拉伸断裂。由于SiC纤维的各向异性,不同方向、不同断裂形式有不同的力学性能,剪切断裂所需要的力最小,拉伸断裂所需要的力最大。在相同划擦深度下,因WS0、WS45、SS0、SS90方向上断裂形式的不同和剪切、弯曲、拉伸断裂所占的比例不同,其划擦力大小依次为FSS0>FWS45>FSS90>FWS0。且磨粒切入复合材料后随着裂纹的扩展和相互贯通,SiC基体会一起被剥离去除,部分基体受到挤压去除后再次被磨粒划擦去除形成延性划痕。2D SiC_(f)/SiC复合材料切削时宜选择WS0方向,而尽量避开SS0方向。

单颗金刚石磨粒磨削SiCp/Al复合材料的仿真研究

利用有限元分析软件Abaqus对单颗金刚石磨粒磨削SiCp/Al复合材料的加工过程进行了模拟仿真,分析了磨削速度和磨削深度对磨削力的影响,研究了工件被磨削后的表面形貌、残余应力分布情况,为优化金刚石砂轮磨削SiCp/Al复合材料的工艺参数提供参考。

YT类硬质合金金刚石涂层成形刀具对高体积分数SiC_P/Al复合材料的铣削特性研究

采用热丝化学气相沉积法在B212型YT15硬质合金成形铣刀片上制备了微米级金刚石涂层,并以65%SiC颗粒增强铝基复合材料为试件材料进行铣削试验。通过与未涂层硬质合金铣刀进行对比,评价了金刚石涂层硬质合金成形铣刀的涂层效果。结果表明：在相同的切削参数下,金刚石涂层硬质合金刀具各种铣削力比未涂层硬质合金刀具的降低50%-65%;所涂覆金刚石薄膜在铣削过程中具有良好的膜-基附着强度,且经酸碱预处理的涂层硬质合金刀具较适合于高体积分数SiCP/Al复合材料的粗加工,醇碱预处理的涂层硬质合金刀具较适合于其半精加工;涂层硬质合金刀具持续加工的工件表面质量优于未涂层硬质合金刀具所加工,且所铣槽的成形精度较未涂层硬质合金刀具所铣槽提高约30%。

金刚石涂层刀具钻削高比分SiC_p/Al复合材料试验研究

SiC_p/Al复合材料与传统的金属材料相比,具有优异的物理和热学性能。但在孔加工中,棱边加工缺陷成为影响其在高端产品中使用的主要问题之一。开展金刚石涂层刀具钻削SiC_p/Al复合材料的试验研究,对试验力学信号进行分析,对出入口棱边缺陷形成机理及形貌特征做出了解释。结果表明:使用金刚石涂层刀具钻削SiC_p/Al复合材料时,每步钻削深度、进给速度和主轴转速对轴向力的作用依次减弱;出口处质量明显优于入口处,入口缺陷形成机理主要是Al基体的断裂和SiC颗粒脱落;金刚石涂层钻头适合用于加工SiC_p/Al复合材料。对于SiC_p/Al复合材料的实际加工应用有一定的参考价值。

放电等离子烧结法制备高导热金刚石/Al复合材料

以金刚石颗粒和铝粉为原料,通过放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)制备高导热金刚石/Al复合材料,在烧结前采用真空微蒸发镀钛工艺对金刚石颗粒进行表面金属化,以降低复合材料的界面热阻。研究SPS工艺参数、铝粉粒度搭配以及复合材料中金刚石含量(体积分数)等对该复合材料致密度及热导率的影响。结果表明,将平均粒度为17μm和100μm的铝粉按1:3的质量比搭配,再与表面镀钛金刚石颗粒按2:3的体积比混合,采用50 MPa的先加压后送热的加压方式在610℃下进行放电等离子烧结,可获得致密度达99.7%的金刚石/Al复合材料。与匀速加压相比,采用先加压后送热的加压方式可使材料致密度提高近3%。对金刚石颗粒进行真空微蒸发镀钛,能使复合材料的热导率从125.3 W/(m.K)提高到486.3 W/(m.K),可以很好地满足大功率电子器件对封装材料的散热要求。

金刚石盐浴镀覆温度对Al/金刚石复合材料导热性能的影响研究

采用盐浴镀对金刚石颗粒进行表面镀Ti,并采用放电等离子烧结制备高导热Al/金刚石复合材料,探讨了镀覆温度对金刚石表面镀Ti层结构、成分以及Al/金刚石烧结体导热性能的影响。结果表明,在较低的温度(700℃)镀覆30min即能够使金刚石表面包覆一层较为均匀的镀Ti层,镀层表面光滑平坦。当镀覆温度升高,金刚石不同类型表面呈现不同的镀层形貌。Ti在金刚石(100)面沉积速率要高于(111)面,表明金刚石(100)面比(111)面活性更高。随着金刚石镀Ti温度的提高,Al/金刚石复合材料的热导率逐步下降。相比之下,700℃镀覆温度下所得金刚石表面镀层较薄,而且镀层与金刚石之间结合力较强,SPS烧结过程中金刚石与Al基体能够实现较为紧密的结合,因而复合材料热导率优于其它更高镀覆温度条件下所制备的Al/金刚石复合材料。

熔渗反应法制备金刚石/SiC复合材料

为制备金刚石/SiC复合材料,采用熔渗反应法,在真空环境和烧结温度为1 500~1 600℃的条件下进行制备。分析了复合材料的致密度、硬度和在不同温度下的干摩擦磨损性能。结果表明,熔渗反应工艺制备的复合材料致密度高,烧结温度为1 550℃时得到的复合材料的硬度最高。反应烧结金刚石/SiC复合材料常温下的耐磨损性较好,但600℃下的磨损性能显著恶化。

C/SiC复合材料微孔的电镀金刚石钻头钻削加工

用金刚石基本颗粒尺寸分别为20~30,36~54和63~75μm,直径在0.280~0.440 mm范围的6种电镀金刚石钻头,钻削三维针刺毡基C/SiC复合材料微孔,测试6种钻头的最佳加工工艺参数,分析工艺参数及金刚石基本颗粒尺寸、钻头直径等对微孔加工质量、加工效率的影响。结果表明:在相同钻削速度条件下,进给速度越低时,加工的微孔质量越好;钻头电镀的金刚石磨粒基本颗粒尺寸越大,其钻削效率越高;在6种钻头中,直径为0.300 mm的基体上电镀63~75μm的磨粒,直径为0.200 mm的基体上电镀36~54μm的磨粒,能够获得更优的钻孔性能。

金刚石颗粒增强铝基复合材料的力学性能

采用压力熔渗法制备Al/金刚石复合材料,探讨金刚石粒度对复合材料微观形貌、力学性能和断口形貌的影响。结果表明复合材料的力学性能随金刚石粒径的减小逐渐升高,金刚石粒度为400/500目时,Al/金刚石复合材料的抗拉强度为145MPa,抗压强度为1020MPa,抗弯强度达到310MPa。

切割Al_2O_3-TiC复合材料用高效率薄刃金刚石砂轮的开发

利用流涎成型工艺和脉冲电流烧结制作了气孔率达28Vol%的高效薄刃砂轮。在烧结过程中,金刚石磨粒和母材之间形成WC和W2C,金刚石磨粒与母材的结合强度得到提高。利用恒负荷进给,切割机在3.0N恒负荷进给条件下,对厚度0.09mm的新制作薄刃砂轮和市售薄刃砂轮进行了评价。切割试样为厚度1.2mm的Al2O3-TiC复合材料。新制作薄刃砂轮和市售薄刃砂轮的切割速度分别为6.2mm/s和2.9mm/s,切割长度为750mm。新制作薄刃砂轮表面的金刚石磨粒数在切割试验前后保持不变,而市售薄刃砂轮的表面金刚石磨粒数则减少50%。新制作薄刃砂轮和市售薄刃砂轮的比磨削能分别为133GJ/m3和213 GJ/m3。研究结果表明,通过引入气孔和提高金刚石磨粒与母材的结合强度,可生产出高效薄刃切割砂轮。

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_p氧化处理对SiC_p/Al复合材料润湿性和界面结合的影响

通过对SiCp在不同温度下的氧化处理,研究了颗粒氧化对搅拌铸造法制备的SiCp增强铝基复合材料的润湿性和界面结合的影响。结果表明,氧化处理后的颗粒表面形成了具有一定厚度的SiO2氧化层,该氧化层在高温下与铝熔体发生界面反应,从而有效地改善了颗粒与基体间的润湿性,提高了界面结合强度;所制备的复合材料颗粒分布均匀,界面结合良好;界面处有MgAl2O4、Mg2Si生成,没有发现有害界面反应产物Al4C3;复合材料的断裂方式为颗粒的断裂和颗粒从基体中的拔出。

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。

不同SiCp预处理的SiCp/Al复合材料界面特征及耐蚀性

采用无压渗透法制备了经不同SiCp表面预处理的SiCp/Al复合材料,研究了SiC颗粒表面预处理对SiCp/Al复合材料界面特征及其腐蚀行为的影响。结果表明,高温氧化处理使SiC颗粒边界钝化,颗粒表面形成均匀SiO2氧化膜,复合材料界面结合良好,而未表面处理和酸洗的复合材料界面孔隙多,界面结合较差。经高温氧化SiC颗粒表面预处理的SiCp/Al复合材料耐腐蚀性能最好,酸洗次之,未表面处理最差。高温氧化处理形成的SiO2氧化膜对SiC颗粒起着保护作用,抑制了SiCp/Al界面Al4C3相形成,对复合材料耐腐蚀性能有利。

SiC颗粒表面处理对6066 Al基复合材料力学性能的影响

分别对SiC颗粒进行高温氧化、酸洗和高温氧化后再酸洗等表面处理,采用粉末冶金工艺制备了SiC颗粒增强的6066Al基复合材料。金相显微照片、扫描电镜照片和室温拉伸性能分析结果表明采用氧化和酸洗表面处理工艺能使SiC颗粒产生明显钝化,且随着氧化时间的延长,钝化效果提高,SiC颗粒分布更均匀;随着氧化时间的延长,复合材料的抗拉强度σb和断裂韧性KIC提高,且酸洗态的性能优于相应氧化态的性能;6066Al基复合材料的力学性能除与SiC颗粒分布的均匀程度有关外,还与颗粒的形状以及复合材料的界面状况有关。

SiC含量对SiC/6061Al基复合材料性能的影响

采用粉末冶金法制备了三种SiC体积分数分别为25%、30%、35%的SiC/6061Al基复合材料。利用金相显微镜观察材料的显微组织,检测材料的物理性能和力学性能,运用Turner、Kerner理论模型对复合材料的热膨胀系数进行分析,研究SiC含量对复合材料组织和性能的影响。结果表明:随着SiC含量的增加,增强体出现团聚倾向,复合材料的致密度和热膨胀系数均降低;复合材料的抗拉强度随着SiC的增多先增大后降低,成非线性关系。