碳化硅增强铝基复合材料界面改善对力学性能的影响

碳化硅增强铝基复合材料界面改善对力学性能的影响3
徐金城1,邓小燕1,2,张成良1,田亮亮1
(1　兰州大学物理科学与技术学院,兰州730000;2　西北民族大学电气工程学院电子材料实验室,兰州730030)
摘要 用粉末冶金法制备了致密度较好的镀铜碳化硅增强铝基复合材料,并对碳化硅的表面化学镀工艺进行了分析。

通过化学镀前后复合材料力学性能的对比研究表明,碳化硅表面镀铜较好地解决了碳化硅与基体的相容性问题,使复合材料的力学性能得到明显提高。

关键词 粉末冶金法　碳化硅　复合材料　化学镀
E ffect of Improved Interface on Mechanic Properties of SiC Particles R einforced
Aluminum Matrix Composites
XU Jincheng 1,D EN G Xiaoyan 1,2,ZHAN G Chengliang 1,TIAN Liangliang 1
(1　School of Physical Science and Technology ,Lanzhou University ,Lanzhou 730000;2　Key Laboratory for Electronic Materials ,
College of Electrical Engineering ,Northwest University for Nationality ,Lanzhou 730030)
Abstract The SiC particles reinforced aluminum matrix composite is prepared by powder metallurgy.And the technology of electroless plating copper on SiC surfaces is investigated.The comparison of mechanic properties of com 2posites reinforced by coated and uncoated SiC particles indicates that the copper coating on SiC particles preferably im 2proves the compatibility between SiC particles and aluminum matrix and improves the mechanic properties of the com 2posite.
K ey w ords powder metallurgy ,SiC particles ,composite ,electroless plating
　3甘肃省自然科学基金资助项目(3ZS0512A252048)
　徐金城:男,1945年生,教授,目前主要从事金属材料、金属基复合材料及环境材料方面的研究　邓小燕:女,通讯作者,博士生,讲师,研究方向为金属材料、金属基复合材料　E 2mail :dengxy02@
0　引言
碳化硅颗粒增强铝基复合材料是金属基复合材料
(MMC )中最具应用前景的一种新型高技术材料。

由于其具
有优异的高温强度、高耐磨性、高比刚度等力学性能和良好的可加工性等优点[1-3],已在航空航天、汽车和其它制造业作为结构材料得到了应用。

由于碳化硅陶瓷颗粒与金属基体界面的结合强度低而恶化复合材料的性能,如果在陶瓷表面涂覆金属镀层,不仅可以促进陶瓷粒子在基体金属中的均匀分布,还能改善基体与增强体的界面结合强度,而且这种方法的成本低廉、工艺简单易行,因而成为增强颗粒表面处理中的一种常用方法[4,5]。

目前,国内外研究得比较成熟的包裹工艺有沉淀法、溶胶2凝胶法、溶胶法、醇盐水解法、非均相凝固法等[6],其中,化学镀法制备的包裹粉体包裹层与粉体基体结合比较紧密,包裹层厚度容易控制,采用的设备比较简单。

本文用传统粉末冶金方法和化学镀处理粉末的方法制备了SiC 颗粒增强Al 2Cu 2Mg 基复合材料,并研究了化学镀过程中粉末的形貌微观结构和性能的变化,以及它对复合材料力学性能的影响。

1　实验
1.1　原材料
实验中使用纯度为99.5%的Al 粉、Cu 粉和Mg 粉,粒
度均为200目,SiC 粉末为3～5
μm ,纯度为98.5%。

1.2　样品的制备
实验先将碳化硅进行化学镀铜处理,化学镀实验中HF
作为净化剂,氯化亚锡作为敏化剂,硝酸银作为活化剂,硫酸铜作为主盐,酒石酸钾钠作为络合剂,甲醛作为还原剂,用氢氧化钠调节镀液的p H 值进行化学镀铜[7]。

由于碳化硅镀铜后干燥时间过长,铜膜易氧化,须在200℃下氢气还原3h 。

化学镀后SiC 与Cu 质量比为4∶1。

再将原始碳化硅和化学镀铜后的碳化硅分别与铝基合金粉料在研体中混合均匀,然后加入到模具中,制备出SiCp/Al 24%Cu 21.2%Mg (质量分数)复合材料。

碳化硅的体积分数依次取0%、3%、6%、9%、12%,同时,SiC 颗粒表面涂覆的Cu 质量计入合金元素百分比。

而后用Q Y L50250吨油压千斤顶加压到250MPa ,保压15min ,再将压力加到400MPa 保压30min ,卸载后得到条状试样60mm ×10mm ×3.5mm 。

在氩气保护下,先在400℃预烧60min ,然后升温到560℃进行烧结,保温1.5h ,炉冷得到试样。

将烧结试样在氩
・
52・碳化硅增强铝基复合材料界面改善对力学性能的影响/徐金城等
气气氛下500℃保温0.5h ,蒸馏水进行淬火,自然时效96h 。

1.3　材料的测试
采用阿基米德排水法测量其密度;采用HX021000TM
数字式显微硬度计测量硬度;采用CSS 244100型万能试验机测试试样强度。

用J SM 25600L V 型扫描电子显微镜观察SiC 镀铜前后的形貌和拉伸断口形貌,并对元素作出分析。

2　结果与分析
2.1　SiC 镀铜前后分析
SiC 颗粒化学镀铜后,
为确定包裹实验是否能够在SiC
表面上得到Cu ,用扫描电镜进行形貌观察并进行EDS 能谱
分析。

图1为镀铜前后的形貌。

从图中可以看出,SiC 颗粒在化学镀处理前表面光滑,处理后大部分颗粒表面有白色小颗粒分布,但也还有部分颗粒表面较为光滑。

图2(a )为SiC 处理前图1(a )的能谱分析结果。

图2(b )为对图1(b )中颗粒光滑部分进行EDS 能谱分析的结果,目的是确定化学镀后SiC 颗粒表面是否涂覆了铜。

从图中可
以看出,图1(b )中无明显小颗粒的碳化硅光滑表面上也存在着一定厚度的铜膜。

这层铜膜可以使陶瓷颗粒与合金基体之间的浸润性得到一定的改善。

2.2　材料的物理性能与力学性能
表1为复合材料的密度、硬度和拉伸试验结果。

其中,拉伸速率为1mm/min 。

表1　材料的密度、硬度、抗拉强度和延伸率Table 1　Densities ,hardness ,tensile strengt h and
elongation of material
SiC 体积分数/%
致密度/%镀前镀后硬度/HV
镀前镀后抗拉强度σb /MPa
镀前镀后延伸率/%
镀前镀后
098.3
97.1
26714.2397.898.010511030334312.512.3697.297.51211323363718.48.5995.395.6112
119
285311 5.7 5.612
92.793.299.7103
257
287
3.2
3.0
从表1中可以明显看出,随着SiC 颗粒含量的增加试样
的致密度和延伸率下降,而硬度和强度呈先增加后降低的趋势,在SiC 颗粒含量为6%左右达到最大,与基体相比提高了26%。

原因可能是在体积分数不大于6%时,SiC 颗粒充当基体金属不均匀形核的位置,形核位置增多可以得到细小的基体晶粒,而在晶界上的SiC 颗粒降低了晶界的可动性,也起到了强化作用,使合金强度增加;SiC 颗粒含量进一步增加时,SiC 颗粒发生团聚现象,在基体中分布不均匀,或者SiC 颗粒之间由于相互接触而发生架桥现象而不可避免地造成材料中空洞,加上SiC 颗粒自身存在裂纹部分抵消了SiC 颗粒的增强效果,从而使合金强度的增加趋势变缓。

硬度和强度在SiC 颗粒含量为6%左右时达到最大,与基体相比提高了26%。

而后,继续增加SiC 颗粒含量,硬度反而下降。

这是因为当SiC 颗粒加入过少时,增强效果甚微,但是当SiC 颗粒加入过多时,其陶瓷颗粒可能出现偏析[8],从而引起试样致密度下降,孔洞增多,试样变得疏松,硬度和强度自然下降。

SiC 镀铜以后材料的拉伸强度提高较为明显,比未处理的SiC 直接加入基体合金提高了11%,其他各项力学指标也有适当的提高。

2.3　SiC 的分散性和拉伸断口
SiC 的分散性对材料的性能影响至关重要,直接影响复
合材料的性能。

如果SiC 偏聚明显,颗粒之间由于相互接触而发生架桥现象,就会不可避免地造成材料中的空洞,SiC 颗粒自身存在的裂纹部分抵消了SiC 的增强效果,从而使材料的强度受到影响。

实验中采用工艺简单的手工研磨,从微观上看,所用的200目铝粉远大于SiC 粉末,如果铝粒子间隙中几颗SiC 颗粒聚集在一起,同时粒子间填充并不紧密,将有大量的孔隙存在,分布的不均匀会严重影响复合材料的性能。

图3为SiC 含量为6%时样品的表面形貌。

从图中看出,在较高放大倍数下样品表面看不出有明显的气孔等缺陷存在,说明镀铜SiC 与基体结合良好,SiC 分布均匀。

图4为
・62・材料导报:研究篇 2009年1月(下)第23卷第1期
200倍下对试样表面随机区域进行Si 元素面扫描,可以看
出,SiC 镀铜后能较均匀地分布于金属基体中,无大面积的Si
元素聚集区域。

对试样拉伸断口进行的分析如图5所示。

从图5(a )中
可以看出,未化学镀铜的试样断口存在二次裂纹。

这是由于SiC 的分散性较差,特别是SiC 的尖角在试样断裂过程会起破坏作用。

试样的延伸率随着SiC 体积分数的增加而减少。

SiC 含量越多,下降得越明显。

因为SiC 颗粒与基体不能形成共格界面,在变形时不会随基体变形,所以导致延伸率下降。

SiC 粒子增强铝基复合材料的断裂过程为:在试样缺口根部高应力应变作用下,SiC 颗粒与基体界面发生脱粘开裂及沿基体晶界析出的脆性相与基体界面开裂或自身开裂形成的微裂纹扩展进入基体材料,并相互连通形成较大尺寸的裂纹,在外加应力的作用下失稳扩展,导致脆性断裂[9]。

由于SiC 硬且脆,可以认为SiC 颗粒在拉应力作用下不发生塑性变形,理论上应该在外加拉伸应力达到SiC 颗粒的拉伸强度时颗粒断裂,而有一定塑性的合金基体在SiC 断裂之前要发生一定的塑性变形。

SiC 镀铜后改善了与金属基体的浸润性,使结合强度增强,但材料断裂时SiC 与周围基体间发生了相互作用力,
使断口更加显示为脆性。

图5　未化学镀(a)和化学镀后(b)试样的断口Fig.5　Appearance of fracture before electroless plating(a)
and after electroless plating(b)
3　结论
(1)在碱性条件下化学镀可以使SiC 表面镀上一定厚度
的铜膜。

(2)随着SiC 颗粒体积分数的增加,复合材料的致密度下降,硬度和抗拉强度呈现先增大后减小的规律。

(3)SiC 镀铜后能明显改善陶瓷颗粒与金属基体之间的浸润性,提高界面的结合强度,使复合材料的强度明显增加。

参考文献
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copper/SiCp composite prepared by spark plasma sintering [J ].J Am Ceram Soc ,2004,87(2):302
7　李宁.化学镀实用技术[M ].北京:化学工业出版社,20048　赵伟,罗兵辉,柏振海.6066PSiCp 复合材料最佳SiCp 体积
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9　王国珍,丁雨田,陈剑虹,等.SiC 粒子增强铝基复合材料的
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(责任编辑　何　欣)
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72・碳化硅增强铝基复合材料界面改善对力学性能的影响/徐金城等。