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。

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。

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。

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。

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.

造孔剂含量对SiC/Al复合材料抗弯强度的影响

采用无压熔浸法制备SiC/Al复合材料,并利用颗粒堆积和毛细管力的静力学理论研究造孔剂含量对SiC/Al复合材料抗弯强度的影响。通过扫描电镜对试样的断口形貌进行分析,发现造孔剂含量为20%(质量分数)时,残余孔隙较小,而造孔剂含量为10%和15%时,残余孔隙较大。造孔剂含量对抗弯强度产生影响,随造孔剂含量增加,抗弯强度先增大后减小,造孔剂为20%时,抗弯强度出现最大值343.63 MPa。

SiC/Al复合材料在机载光电稳定平台中的应用

采用无压浸渗复合新方法,用高体份(55%～57%)SiC/Al复合材料制备了机载光电稳定平台内有效载荷的主承力框架。并对其微观结构特征、基本的力学及热物理性能予以表征。由于该材料优异的结构承载功能及卓越的热控功能,利用有限元分析工具并结合试验研究表明:相较于常用的铝合金材料,整个内框架最大变形量减少了65%以上,基频提升了70%,取得了显著的轻量化效果并改善了结构动态响应。检测结果表明:系统的稳定精度达到20 rad。经外场试飞考核,系统性能稳定可靠。成功地将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。

高体积SiC/Al复合材料的热处理与力学性能

采用气压浸渗法制备高体积分数的SiC/Al复合材料,测试了其SiC预制型经过1200℃高温氧化4 h得到的该复合材料的抗弯强度,最高可达422 MPa,分析了界面产物以及结合状况;同时,对复合材料进行T2态和T6态热处理,T2态处理后,该复合材料抗弯强度降低,T6态处理后,其抗弯强度最高可达462 MPa,约提高9%。采用激光拉曼光谱分析了两种不同热处理后的力学性能变化的原因,T2态处理消除了复合材料的内应力,而T6态复合材料中仍然存在内应力;对比分析了两种不同热处理下的断口形貌,进行了该复合材料不同强度的评析。

SiC/Al复合材料的热导率研究

用无压浸渗法制备了高导热的SiC/Al电子封装材料。采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜和激光热导仪对复合材料导热率、晶体结构和微观形貌进行了分析,研究了SiC颗粒大小、形状、体积分数、基体中Mg的含量和预氧化等参数对SiC/Al复合材料的导热率的影响。结果表明,选择适当的原料参数和工艺参数可制得导热率高达172.27 W/(m·k)的SiC/Al复合材料,满足电子封装材料的要求。

多孔预制体对SiC/Al复合材料孔隙率的影响

采用无压浸渗法制备了SiC含量较高的SiC/Al复合材料,分析了造孔剂添加量对多孔预制体孔隙率的影响,利用铝液浸渗多孔体理论分析了多孔预制体孔隙结构对复合材料孔隙率的影响。结果表明:通过添加造孔剂可以调节多孔预制体的孔隙结构,使预制体的孔隙率增加;多孔预制体的孔隙结构的变化可以调节复合材料的孔隙率。多孔预制体的孔隙率越高、孔隙尺寸越大,则铝液浸渗畅通,复合材料的孔隙率越小。

造孔剂含量对无压浸渗法制备SiC/Al复合材料性能的影响

采用无压浸渗法制备了SiC/Al复合材料,研究了造孔剂含量对SiC/Al复合材料性能的影响。实验结果表明:不同含量的造孔剂对残余气孔率的影响不同,随着造孔剂加入量的增加,残余气孔率先减小后增大,但试样抗弯强度呈先增加后减小。在SiC/Al复合材料中加入质量分数为20%的造孔剂时,SiC/Al复合材料的抗弯强度出现最大值,其残余气孔率达到最小值0.9%左右。

高体分SiC/Al复合材料微磨削表面粗糙度试验研究

SiC/Al复合材料是一种以铝为基体,碳化硅为增强颗粒的复合材料。由于材料的高硬度特性,导致已加工表面出现裂纹和磨损等现象,采用PCD刀具对SiC/Al2024进行微磨削试验,基于响应曲面法,设计实验数据,根据试验结果,建立主轴转速、进给速度和切削深度的回归方程。通过响应曲面图,分析主轴转速、进给速度和切削深度交互作用对表面粗糙度的影响程度,其从大到小依次为:主轴转速、切削深度和进给速度。主轴转速和进给速度交互影响显著,获得最小粗糙度为0.51μm。

SiC/Al复合材料电火花加工间隙流场分析

为解决SiC/Al复合材料电火花加工蚀除产物排除不畅引起加工效率低、积炭等问题,以10%SiC/Al材料为研究对象,提出采用外冲液、内冲液两种供液方式,建立了电火花加工间隙流场模型,分别对加工间隙流场分布、蚀除产物浓度进行模拟仿真,研究了冲液压力、加工深度对材料去除率和电极相对损耗率的影响.进行试验验证,结果表明:采用内冲液方式蚀除产物排除效果较外冲液方式好,可显著提高加工效率和表面质量.增大冲液压力能有效的减少蚀除产物的堆积,提高了加工效率;加工深度越小,产物排除效果越好.

填料中锌含量和焊接温度对SiC/Al复合材料接头性能的影响

通过烧结铝粉和碳化硅微粒制备SiC/Al复合材料,以组成(质量分数/%)分别为Al-20SiC、Al-20SiC-20Zn、Al-20 SiC-40Zn的填料作为中间层材料,在420,520,600℃焊接温度下对复合材料进行扩散焊接,研究了填料中锌含量与焊接温度对复合材料接头性能的影响。结果表明:在420℃焊接后,接头附近的锌呈明显团聚状态,而在520,600℃焊接后,接头附近未见锌团聚现象,较高的焊接温度有助于锌的均匀扩散;采用Al-20SiC-40Zn填料并在520℃焊接后,接头发生了氧化,形成明显的裂纹;采用Al-20SiC-20Zn填料焊接后试样的剪切强度大于采用Al-20SiC和Al-20SiC-40Zn填料的,且随着焊接温度的升高而增大;随着填料中锌含量的增加,接头的硬度提高,且均高于母材的;接头的硬度随着焊接温度的升高而增大,但增幅减小。

热处理对SiC/Al复合材料摩擦磨损性能的影响

采用热压法制备了SiC(10～30wt%)/Al复合材料,并研究热处理前后复合材料与钢球对磨的摩擦磨损规律。结果表明:热处理显著降低了复合材料的摩擦系数,平均降幅为25%;同时还减少了复合材料的磨损率,低(15wt%以下)、高(20wt%以上)SiC含量的复合材料的平均降幅分别为38%和60%。载荷超过5 N后,高SiC(20wt%以上)含量的复合材料热处理后的磨损率大幅降低,7 N时,30wt%SiC/Al复合材料的磨损率可达到1.14×10-3 mm3/m,说明高含量SiC/Al复合材料在大应力作用下的耐摩擦磨损场合具有良好的适应性。

高能球磨法制备SiC/Al复合材料

采用高能球磨法制备了SiC颗粒增强Al基复合材料,研究了SiC含量对该复合材料力学性能的影响。结果表明,SiC/Al复合材料的硬度、屈服强度以及抗拉强度随SiC含量的增加而增大,而伸长率随之减小;SiC/Al复合材料呈延性断裂和脆性断裂混合断裂;随着SiC含量的增加,材料延性断裂特征减少。

SiC/Al复合材料的组织与力学性能研究

采用无压浸渗法制备了SiC/Al复合材料,研究不同颗粒大小的复合材料的抗弯强度、金相组织和断裂机理。结果表明:颗粒尺寸为20μm的SiC/Al复合材料抗弯强度最高;小颗粒复合材料的断裂以沿晶断裂为主,局部有韧性撕裂的特征,而大颗粒还伴有穿晶解理特征。

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.

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。