【摘 要】
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随着飞行器加速度越来越大,需要承受更大的惯性力,对航空航天电子封装材料和光学封装材料的强度要求更高,同时应兼具良好的热性能。基于此,论文引入高压凝固法制备SiCp/Al-Si复合材料,其目的是探索复合材料组织调控新途径,丰富高压凝固组织演变机理,制备热性能和力学性能优异的SiCp/Al-Si复合材料。本文利用高压凝固法制备了Al-20Si合金和Al-40Si合金,并揭示了高压条件下初生α-Al相、
【基金项目】
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国家自然科学基金（项目批准号:51774105）:高压凝固SiCp/Al-Si复合材料界面微区调控及其失效机理研究；
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随着飞行器加速度越来越大,需要承受更大的惯性力,对航空航天电子封装材料和光学封装材料的强度要求更高,同时应兼具良好的热性能。基于此,论文引入高压凝固法制备SiCp/Al-Si复合材料,其目的是探索复合材料组织调控新途径,丰富高压凝固组织演变机理,制备热性能和力学性能优异的SiCp/Al-Si复合材料。本文利用高压凝固法制备了Al-20Si合金和Al-40Si合金,并揭示了高压条件下初生α-Al相、Al-Si共晶相和初生Si相的组织演变机理。利用高压凝固法,通过外加SiC颗粒制备了网状结构SiCp/Al-20Si复合材料,研究了SiC-Si网状结构对复合材料强度和热性能的影响规律。利用高压凝固法,通过在Al-40Si-x C（x=0.5、1和2）体系中原位自生3C-SiC,制备了原位SiCp/Al-40Si复合材料,研究了高压凝固原位自生3C-SiC的形成机制,并分析了原位3C-SiC颗粒和纳米级Si析出相对强度和热性能的影响规律。对高压凝固Al-20Si合金和Al-40Si合金的组织演变规律的研究表明,升高凝固压力会使凝固组织中初生α-Al相形态变化、Al-Si共晶间距减小以及初生Si相细化。Al-20Si合金在不同压力下凝固时,随过热温度降低,初生α-Al相形态变化为:树枝状→胞状→球状。建立了凝固压力和温度对Al-Si合金中初生α-Al相生长稳定性影响的函数:F（28）-G（10）（35）0TPf（P,T）-k PΓPf（P,T）~2。给定压力P,（?）F/（?）T=0时,初生α-Al相为树枝状;F=0时,初生α-Al相为球状。随着凝固压力由2GPa增加至3GPa,初生α-Al相能在更高的过热温度下保持为球状形态。随着凝固压力由1atm增加至3GPa,Al-20Si合金中Al-Si共晶层片的平均间距范围由2.4±0.2μm减小到1.0±0.1μm。Al-Si合金中Si溶质组元从液态到固态的体积变化为负,凝固压力增加使层片状Al-Si共晶间距减小。随着凝固压力由1atm增加至3GPa,Al-40Si合金中初生Si相发生细化。凝固压力升高使共晶点成分增大,溶质扩散系数指数式下降,初生Si相固液界面前沿Si溶质浓度更低,使初生Si相细化的同时抑制了初生Si相的小平面生长。对高压凝固SiCp/Al-20Si复合材料的研究表明,加热至1133K温度后3GPa压力下凝固时,Al-20Si合金中初生α-Al相以球状生长,共晶Si相在SiC颗粒上形核生长并桥接,从而形成SiC-Si网状结构。SiCp/Al-20Si复合材料中,SiC-Si网状结构完整,α-Al基体相互联通。SiCp/Al-20Si复合材料透射原位拉伸时,在外加载荷作用下,裂纹首先在层片状Al-Si共晶的Al/Si界面处萌生并扩展,SiC颗粒能有效阻止裂纹的扩展。SiC-Si网状结构使复合材料的热膨胀系数降低,连续α-Al相使复合材料具有较高的热导率和抗拉强度。对高压凝固原位SiCp/Al-40Si复合材料的研究表明,Al-40Si-x C（x=0.5、1和2）体系在3GPa压力和1373K温度下,Al-40Si熔体与C反应形成Al4C3相,Al4C3中间相与Si溶质反应形成Al5（SiC）3团簇和八面体3C-SiC晶核,Al5（SiC）3团簇堆砌于3C-SiC晶核{111}晶面使其生长。原位SiCp/Al-40Si复合材料中,原位SiC颗粒与初生Si相和Al-Si共晶结合良好,原位SiC颗粒主要分布于Al-Si共晶间,少量分布于初生Si相中。在外加载荷作用下,初生Si相中的原位SiC颗粒对裂纹的偏转和分支作用以及纳米级Si析出相的位错绕过强化机制提高了复合材料的强度。原位SiC颗粒的体积分数低（约1～5vol.%）,且纳米级Si析出相与α-Al基体形成半共格界面,减小电子和声子散射,改善了热导率。大量纳米级Si相的析出降低了复合材料的热膨胀系数。3GPa压力凝固制备的原位SiCp/Al-40Si复合材料综合性能良好,抗拉强度269MPa,298～373K平均热膨胀系数12.6×10-6/K,室温热导率149W/m?K。
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