热压烧结温度对SiCp/Al 复合材料性能的影响

蔡佳宁　乐晨　樊子民　李鑫　唐明强　赵放

关键词 SiCp/Al 复合材料；热压温度；力学性能；显微结构；热学性能

中图分类号 TB333 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）05-0546-07

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0105

收稿日期 2022-07-04 修回日期 2022-09-29

SiCp/Al 复合材料具有密度小、高比强度、高比刚度、高耐腐蚀性、良好的耐磨性和优异的热物理性能等[1]，被广泛应用于汽车领域[2]（如汽车制动盘[3]）、航空航天领域（如发动机风扇出口导流叶片[4]）、电子封装领域[5] （如微波管的载体、多芯片组件的热沉和超大功率模块的封装[6]）、精密构件[7] （如拖拉机、柴油机的活塞[8]）和光学仪器领域[9]（如超轻空间望远镜的主反射镜和次反射镜[4]）等。目前，制备SiC 颗粒增强Al 的复合材料制备工艺有粉末冶金法、反应熔渗法、搅拌铸造法、放电等离子烧结法、液相浸渗法[10] 等，这些制备方法各有优缺点[11-12]，如表1 所示。

为确保复合材料具备较好的性能，研究人员对其制备工艺做了大量的研究，部分SiCp/Al 复合材料的热性能相关数据对比如表2 所示。金鹏等[13] 研究了热压烧结温度对SiC 颗粒增强铝基复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明：烧结温度增加，材料致密度随之增加；但烧结温度过高时，材料的致密度则会下降；在620 ℃ 时复合材料生成MgAl₂O₄和Al4C3 脆性相，使得材料的强度、塑性降低。原国森等[14] 采用粉末冶金法制备了SiC 体积分数为30% 的SiCp/6061Al 复合材料，在烧结温度为600 ℃ 时，SiC 颗粒依然存在团聚现象。王海龙等[15] 采用真空热压烧结法大大提高了SiC/Cu-Al 复合材料的致密度，其硬度达到65 HRB，抗弯强度达到190 MPa。王晓阳等[16] 采用粉末冶金法制备SiCp/Al 电子封装材料，探究了SiC 颗粒体积分数的变化对复合材料性能的影响；但制备的SiCp/Al 复合材料存在致密性不高，SiC 颗粒与金属基体之间润湿性差，制备工艺复杂，导热率低，热膨胀系数较高等问题。

因此，采用热压法制备SiCp/Al 复合材料，研究烧结温度对SiC 颗粒增强铝基复合材料力学性能、相对密度、显微结构和热学性能的影响，以期优化SiCp/Al 复合材料的制备工艺，制备出性能优良的SiCp/Al 复合材料。

1 实验材料及条件

SiCp/Al 复合材料制备用原料有： （ 1） 2 种粒度的SiC，分别为SiC-1 和SiC-2，其基本颗粒尺寸（D₅₀）分别为14.22 μm 和94.95 μm，体积分数都为32%；（2）铝粉的体积分数为14%，其基本颗粒尺寸（D₅₀）为17.10μm；（3）镁铝合金粉的体积分数为20%，其基本颗粒尺寸（D₅₀）为32.34 μm；（4）硅粉的体积分数为2%，其基本颗粒尺寸（D₅₀）为12.86 μm。SiCp/Al 复合材料各组分含量及粉体相关参数见表3。

将2 种SiC 粉末、Al 粉、镁铝合金粉和硅粉混合后放入石墨磨具中，采用RYJ-2000P 型烧结压机（郑州磨料磨具磨削研究所有限公司生产）进行样品烧结，其烧结温度分别为600，650，700，750 和800 ℃，烧结压力为40 MPa，升温速率为100 ℃/min，保温时间为3 min，而后随磨具冷却至室温。

对烧结后的样品表面进行打磨并制备不同试样，抗弯强度测试试样尺寸为5 mm × 8 mm × 25 mm，热导率测量试样尺寸为?12 mm × 3 mm，材料热膨胀系数测试试样尺寸为3 mm × 25 mm × 4 mm。

用D8/Advance 型X 射线衍射仪（德国Bruker 生产）对样品的物相进行分析。依据阿基米德原理，测量试样的密度并计算其相对密度。用ZCDS-250KN 门式数显电子万能试验机（济南中创工业测试系统有限公司生产）三点弯曲法测量试样的抗弯强度。试样硬度用HR-150A 洛氏硬度计（北京时代光南检测技术有限公司生产）测量。用KYKY-EM6900 型扫描电子显微镜（北京中科科仪股份有限公司生产）观察原料、试样断口的形貌。用TC?7000H 型激光热导仪（弘埔技术（香港） 有限公司生产）测试试样的导热系数，用Netzsch DIL 402 Expedis Classic 热膨胀仪（德国耐驰生产）测定复合材料试样的热膨胀系数。

2 结果及分析

2.1 原料粉体形貌

图1 是原料粉体的扫描电子显微镜形貌，从图1中可看到每种原料的颗粒形状和大致分布。如图1a和图1b 所示： SiC 颗粒是具有锐角的不规则多边形，SiC 颗粒表面光滑、清洁，无杂质颗粒附着。图1c 中的铝粉颗粒接近球形，颗粒粒度分布较为均匀，沒有不规则形状。图1d 中的硅粉中有较大颗粒，为不规则块状；而大部分为小颗粒，在混合过程中可有效填充在较大颗粒之间，使烧结体在烧结过程中更致密。图1e 的镁铝合金粉末呈长条状或三角形不规则形状。

2.2 复合材料物相分析

图2 是不同温度下烧结的SiCp/Al 复合材料试样的X 射线衍射图谱。从图2 中可以看出：烧结样品的物相组成主要为Al、SiC 和Mg₂Si。其中的Mg₂Si 相是SiCp/Al 复合材料烧结过程中Mg 与Si 反应形成的金属间化合物，其反应方程式为：

式（1）的化学反应过程会随着烧结温度的升高而加剧并产生更多的反应产物，因而反应产物Mg₂Si的衍射峰增强。一方面，该相的形成有利于Al 和SiC的结合，加入一定量的Mg 可以减少熔融金属铝表面的张力，降低SiC 颗粒和熔融金属铝的表面能，增加复合材料的流动性，从而提高熔融金属铝和SiC 颗粒之间的浸润性[22]；另一方面，可有效避免Al 和SiC 之间的反应。同时，金属基体中Mg2Si 的存在起到了强化铝合金基体的作用，从而提高了SiCp/Al 复合材料硬度和强度[23]。

由图2 还可以看出：在不同温度下均无A14C3 脆性相生成，可能是添加的Si 有效抑制了A14C3 的形成。但加入的Si 含量要适中，加入过多会对材料的强化机制产生影响，进而影响材料的整体性能。茅学志等[24]的研究证实了这一点。

2.3 复合材料的相对密度和力学性能分析利用式

（2）计算烧结后样品的相对密度值[25]：

表4 为不同温度下制得的SiCp/Al 复合材料的实测密度和相对密度。由表4可知：随着温度的升高，样品的实测密度及相对密度也随之提高。这是因为在较低的烧结温度下，金属基体的熔化量少，黏度高，流动性和填充能力差，SiC 颗粒之间的孔隙不能被完全填充，复合材料中会有较多残留的空隙，烧结体的致密性低；随着温度达到700～750 ℃，金属基体的熔化量增加，黏度降低，流动性和填充能力增加，样品的致密度增加。然而，当温度升高到800 ℃ 时，样品的实测密度及相对密度有所下降。这是因为复合材料界面反应增强，生成大量的Mg2Si，可阻碍Al 液浸渗，使烧结样品相对密度降低。

当材料的密度相同时， 其强度和硬度也相当[26]。图3 为不同热压温度下样品的硬度和抗弯强度。由图3可以看出：随着烧结温度从 600 ℃ 增加到700 ℃，样品的硬度从80 HRB 增加到98 HRB，抗弯强度从203 MPa增加到275 MPa。然而，当温度上升到800 ℃ 时，样品的硬度下降到84 HRB，抗弯强度下降到218 MPa。样品的硬度和抗弯强度随烧结温度的变化与相对密度的变化基本相同，表明相对密度是影响热压烧结制备的复合材料力学性能的主要因素。

2.4 复合材料热性能分析

SiCp/Al 复合材料中的热传导过程主要是通过金属基体的电子导热和SiC 颗粒的声子导热二者共同作用来完成的[27]。采用激光闪射法测量SiCp/Al 复合材料的热扩散系数，由式（3）计算其热导率[28]：

图4 显示了样品的热导率和热膨胀随热压温度的变化。从图4 中可以看出：随着热压温度升高，样品的热导率先增大后减小。在600 ℃ 时，样品的相对密度较低，导致孔隙引起的声子热运动散射增加，且孔隙中空气的热导率非常低[29]， 因此复合材料的热导率为163.800 W/（m·K）；在700 ℃ 时，样品的相对密度较大，复合材料的缺陷较少，界面结合最佳，内部缺陷最少，导热过程中散射对电子热传导或声子热传导的影响越小，热流损失最小，复合材料的热导率达到了218.187 W/（m·K）的最大值；当温度达到800 ℃ 时，复合材料的相对密度降低，热导率又降低到190.185 W/（m·K）。

研究表明，金属基体和增强体的界面结构、残余孔隙、残余应力等都是影响材料热膨胀系数的主要因素[30]。SiC 颗粒的热膨胀系数很低，仅是纯 Al 的 1/6 左右（室温下SiC 颗粒的热膨胀系数为3.5 × 10^?6K^?1， 纯Al 的热膨胀系数为21.8 × 10^?6K^?1），因此，SiC 通过界面对基体热膨胀的限制和金属基体的热膨胀共同决定样品的热膨胀系数[31]。由图4 还可以看出：随着温度的升高，样品的热膨胀系数呈先降低后增加的趋势。在700 ℃ 时，复合材料的相对密度达到98.1%（表4），此时样品界面的结合相对较好，对热失配应力有较好的限制作用，其缺陷膨胀源减少，样品热膨胀系数最低为8.6 × 10^?6K^?1。在较高温度和较低温度下烧结的样品，相对密度较低、界面结合较差、存在孔洞等，其中孔洞成为热膨胀过程中重要的膨胀源，则样品的热膨胀系数较高。

2.5 复合材料断口形貌分析

图5 为不同热压温度下样品的断口SEM 形貌。图5 中的热压烧结样品的宏观断裂为脆性断裂，其深灰色不规则状颗粒为SiC，浅灰色为金属基体，且SiC颗粒嵌入金属基体中，分布较为均匀，无明显团聚现象。同时， 由于使用了2 种粒径的SiC 颗粒（ D50 分别为14.22 μm 和94.95 μm），图5 中的样品断口上的SiC 粗颗粒相对较多，SiC 细颗粒很少。这是由于细SiC 颗粒表面积较大，其和金属基体之间具有良好的化学结合。因此，当样品在应力作用下断裂时，材料的失效沿着基体进行，小颗粒不会暴露在断裂表面上。此外，细SiC颗粒可在应力作用下与金属基体协调变形，其解理断裂的可能性较小；而粗SiC 颗粒处容易出现应力集中，且其内部缺陷较多，更易导致粗SiC 颗粒的解理断裂而失效 [6]。

在600 ℃ 时，图5a 的断面上有许多小而不规则的空隙，这些空隙集中在SiC 颗粒和SiC 颗粒之间以及SiC 颗粒和金属基体之间的界面处。这是因为温度较低时，金属基体发生相应的塑性变形，但颗粒间相对位置没发生改变，所以还有部分SiC 颗粒之间的空隙未被金属基体填充。随着温度升高，样品断面上的空隙明显减少（图5b、图5c、图5d）。因为Mg 元素增加了SiC 和Al 液之间的润湿性，使浸渗更加充分，SiC 和铝基体界面的结合进一步增强，样品相对密度增加，抗弯强度提高。然而，当烧结温度过高到达800 ℃ 时，如图5e 所示：样品断面出现大量的液相铝形成颗粒团聚区，由于颗粒堆积，在颗粒团聚区形成许多孔隙。因此，过高的热压温度会使界面反应加剧，影响铝基体的渗透，反而增加复合材料的孔隙。

3 结 论

（1）采用热压烧结法制备SiCp/Al 復合材料，其相对密度最高达98.1%。在制备过程中，基体和增强体反应生成Mg₂Si 金属间化合物，未生成A1₄C₃脆性相。

（2）SiC 颗粒均匀分布在金属基体中，没有团聚现象。随着热压温度的升高，复合材料的硬度和抗弯强度先升高后降低。在700 ℃ 时烧结的SiCp/Al 复合材料性能最好，其抗弯强度最高为275 MPa，硬度最大为98 HRB。SiCp/Al 复合材料的热导率和热膨胀系数都与复合材料的相对密度有关，在700 ℃ 时相对密度较高时的热导率最大为218.187 W/m·K，热膨胀系数最低为8.6 × 10^?6K^?1。

（3）SiC 与铝基体界面结合良好，烧结致密SiCp/Al复合材料的断裂方式主要为粗SiC 颗粒的解理断裂。

作者简介

樊子民，男，1977 年生，副教授。主要研究方向：先进陶瓷及复合材料。

E-mail：fanzimin@126.com

通信作者： 乐晨，男，1986 年生，中级工程师。主要研究方向：金属制粉研究。

E-mail：metallc@sina.com

（编辑：周万里）