短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料預(yù)制件制備工藝的研究

趙文俠 楊永順 郭俊卿

（河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，洛陽：471003）

1 前言

金屬基復(fù)合材料按增強(qiáng)相形態(tài)，可分為連續(xù)增強(qiáng)相增強(qiáng)和非連續(xù)增強(qiáng)相增強(qiáng)兩種金屬基復(fù)合材料，它以高強(qiáng)度、高比模量及可設(shè)計(jì)性等迅速脫穎而出[1]，廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)、汽車工業(yè)。非連續(xù)增強(qiáng)相包括短纖維、晶須和顆粒。又因?yàn)榉沁B續(xù)增強(qiáng)相在基體合金內(nèi)部分布各向同性，具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和比模量、良好的抗疲勞性和熱性能等優(yōu)異特點(diǎn)[2-4]。其中短纖維因與基體材料之間具有高的載荷傳遞能力使其更顯示出其優(yōu)越的機(jī)械性能和熱學(xué)性能[5-6]。

采用浸滲法制備短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料包括預(yù)制件的制備和基體合金浸滲兩個(gè)階段，其中高性能預(yù)制件是制備優(yōu)質(zhì)復(fù)合材料的關(guān)鍵。影響預(yù)制件性能的因素很多，如預(yù)制件裂紋、纖維折斷、纖維分布不均勻等缺陷[7]和后續(xù)烘干、燒結(jié)的工藝因素都對(duì)預(yù)制件性能產(chǎn)生直接的影響，從而影響到復(fù)合材料本身的性能。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

制備預(yù)制件的材料包括多晶氧化鋁纖維，無機(jī)粘結(jié)劑，10%淀粉溶液，分散劑，填充劑，消泡劑。選取硅溶膠作為無機(jī)粘結(jié)劑保證預(yù)制件高溫強(qiáng)度，淀粉溶液作為有機(jī)粘結(jié)劑保證預(yù)制件室溫強(qiáng)度，自配0.5%聚丙烯酸鈉為分散劑，石墨粉做為填充劑。

多晶氧化鋁纖維是結(jié)晶態(tài)耐高溫超輕質(zhì)絕熱材料。高溫下始終保持多晶體微晶粒結(jié)構(gòu)，從而保證了優(yōu)良的耐熱性和高強(qiáng)性；又因其良好的加工性能以及與基體合金較好的潤(rùn)濕性被廣泛應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)相。實(shí)驗(yàn)采用的多晶氧化鋁纖維為洛陽耐火材料研究院生產(chǎn)，其物理性能如表1所示。

2.2 纖維預(yù)處理

復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度以及韌性隨著短纖維長(zhǎng)徑比的增加而增加[8-9]，但長(zhǎng)徑比過大會(huì)影響纖維的分散，容易發(fā)生團(tuán)聚。因此，纖維尺寸應(yīng)在大于臨界尺寸Lc的條件下盡量短[10]。

表1 A l2O3sf物理性能Tab.1 Physical Properties of Al2O3sf

圖1 多晶氧化鋁短纖維預(yù)制件制備工藝流程Fig.1 The fabrication process for polycrystal alumina short fiber preforms

式中，纖維抗拉強(qiáng)度σf=1.3～2.1GPa；界面剪切強(qiáng)度τ 約為基體合金屈服強(qiáng)度的 1/2；纖維直徑d=20μm。

以ZL108為基體合金，其屈服強(qiáng)度為200MPa。通過上述公式得到臨界長(zhǎng)度Lc=260～420μm。纖維經(jīng)過預(yù)處理，實(shí)際測(cè)量得到的平均長(zhǎng)度1.5mm，長(zhǎng)徑比75。

2.3 制備工藝

采用濕法制備多晶氧化鋁短纖維預(yù)制件，其工藝流程圖如圖1所示。

圖2 短纖維預(yù)制件烘干升溫制度Fig.2 The heat drying schedule for short fiber preforms

2.4 工藝優(yōu)化

制備前必須對(duì)短纖維清洗（工具）二到三次，目的是清理掉纖維中的渣球，因?yàn)樵驀?yán)重降低了復(fù)合材料的抗疲勞性能（復(fù)合材料的疲勞性能有很大的影響）[11]。經(jīng)過清洗后，依次加入分散劑、有機(jī)粘結(jié)劑和填充劑攪拌2～3min，靜置一段時(shí)間使混合溶劑能充分與纖維混合均勻，然后將混合溶劑經(jīng)中速機(jī)械攪拌5min，再加入無機(jī)粘結(jié)劑高速攪拌15～20min，二次攪拌時(shí)間不宜過長(zhǎng)，因?yàn)樵诟咚贁嚢柽^程中混合溶液容易產(chǎn)生泡沫，泡沫中聚集了部分短纖維和填充顆粒，為了使得溶液混合均勻，預(yù)制件成型后不產(chǎn)生分層和偏聚，在高速攪拌結(jié)束時(shí)加入適量消泡劑，最后再低速攪拌3～5min，模壓成型。

2.5 烘干和燒結(jié)

預(yù)制件壓制成型后，放入微波爐中加熱烘干，目的是為了防止開裂，以及粘結(jié)劑偏聚預(yù)制件表面[12]。然后在干燥爐內(nèi)逐步升溫至120℃，保溫24h（如圖2所示）。烘干后的預(yù)制件放入燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)。要制備滿足浸滲條件的預(yù)制件，選擇合適的升溫制度最為關(guān)鍵，通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)及結(jié)合預(yù)置體燒結(jié)后的性能得到了較為合理的升溫制度（如圖3所示）。燒結(jié)時(shí)，在400℃保溫一段時(shí)間，使有機(jī)粘結(jié)劑和填充劑得到充分的氧化和揮發(fā)；在700℃保溫一段時(shí)間，是為了使預(yù)制件中無機(jī)粘結(jié)劑發(fā)生轉(zhuǎn)變，達(dá)到較好的粘結(jié)效果。

圖3 短纖維預(yù)制件燒結(jié)升溫制度Fig.3 The sintering schedule for short fiber preforms

表2 短纖維預(yù)制件制備正交實(shí)驗(yàn)表Tab.2 Orthogonal design table for short fiber preforms

表3 短纖維預(yù)制件制備正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Orthogonal experiment result for short fiber preforms

圖4 預(yù)制件表面形貌Fig.4 Surface morphology of the preform

采用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)短纖維預(yù)制件制備工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和篩選，選取纖維預(yù)制件制備工藝中4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：原料配比A（短纖維與填充劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、原料配比B（短纖維與無機(jī)粘結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間。每個(gè)因素選用5個(gè)水平，選擇正交表L25(56)來設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)（如表2，不考慮它們之間交互作用）。選取3個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)纖維預(yù)制件進(jìn)行打分[10]：其中包括，預(yù)制件空隙是否均勻，預(yù)制件是否存在分層、裂紋，預(yù)制件表面是否光潔平整等。

3 結(jié)果與討論

3.1 預(yù)制件制備工藝參數(shù)

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（如表3），燒結(jié)溫度對(duì)預(yù)制件影響最大，原料配比影響次之。其中纖維與填充劑之比對(duì)預(yù)制件的影響大于纖維與粘結(jié)劑之比，保溫時(shí)間影響最小，但是保溫時(shí)間過長(zhǎng)，預(yù)制件會(huì)出現(xiàn)開裂，甚至纖維脫落現(xiàn)象，還會(huì)導(dǎo)致無機(jī)粘結(jié)劑向預(yù)制件四周偏聚，使得燒結(jié)后的預(yù)制件中心強(qiáng)度偏低。出現(xiàn)裂紋是因?yàn)樘畛鋭┰诟邷貢r(shí)的迅速氧化揮發(fā)致使預(yù)制體內(nèi)部膨脹，隨著反應(yīng)的延續(xù)，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致預(yù)制體開裂；纖維脫落因?yàn)樵诟邷叵?，硅溶膠轉(zhuǎn)化為方晶石SiO2，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，SiO2析出過多，硅溶膠粘結(jié)效果降低，預(yù)制體表面纖維脫落。經(jīng)過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，得到預(yù)制件最佳工藝參數(shù)：原料配比A（纖維與填充劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)）9∶1，原料配比B（纖維與無忌粘結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)）1∶10，燒結(jié)溫度1050℃，保溫時(shí)間2.5h。

3.2 預(yù)制件表觀形貌與顯微組織

圖4是燒結(jié)后預(yù)制體表觀形貌,從圖中可以看出預(yù)制件表面光潔平整，孔隙分布均勻，沒有出現(xiàn)纖維脫落、分層和裂紋；圖5是預(yù)制件內(nèi)部顯微組織結(jié)構(gòu),可以看出纖維呈無規(guī)則分布，沒有明顯的各向異性，纖維、孔隙分布比較均勻，且纖維間沒有發(fā)生明顯的團(tuán)聚和偏聚現(xiàn)象。

圖5 預(yù)制件S E M照片F(xiàn)ig.5 SEM photo of the preform

4 結(jié)論

⑴從正交實(shí)驗(yàn)得出，采用濕法制備多晶氧化鋁短纖維預(yù)制件，燒結(jié)溫度對(duì)預(yù)制件的性能影響最大，原料配比的影響次之，保溫時(shí)間的影響最小。最佳工藝參數(shù)：原料配比A9∶1，原料配比B1∶10，燒結(jié)溫度1050℃，保溫時(shí)間2.5h。

⑵采用混合粘結(jié)劑+填充劑制備短纖維預(yù)制件時(shí)，燒結(jié)升溫速率對(duì)預(yù)制件性能影響很大，為了保證預(yù)制件良好的性能，不同溫度段應(yīng)采取不同的升溫速率。通過實(shí)驗(yàn)獲得如圖3所示較為合適的升溫制度。

1 Srivatasan T S,Ibraim I A,Mohamed F A,et al.Processing techniques for particulate-reinforced metal aluminum matrix composites.J.Mater.Sci.,1991,26:5965～5978

2 Jiang C H,Wu J S and Wang D Z.Relaxation of residual stress in 20%SiCw/6061Al composite as extruded at high temperature. Trans.Nonferrous Met.Soc.China,2001,11(5):729～732

3 Dong S L,Mao J F,Yang D Z,et al.Age-hardening behavior of a SiCw/Al-Li-Cu-Mg-Zr composite.Materials Science and Engineering A,2002,327:213～223

4 Yuan W H,Chen Z H,Xu H Y,et al.Properties and microstructures of 7075/SiCp composites prepared by spray deposition.Trans.Nonferrous Met.Soc.China,2003,13(5): 1160～1163

5 Jiang C H,Wu J S and Wang D Z.Elastic modulus of SiCw/6061Al alloy composites as-squeeze-cast. Trans. Nonferrous Met.Soc.China,2001,11(6):900～903

6 Momdal D P,Basu K,Narayan S P,et al.Effect of processing history and aging temperature on age-hardening kinetics of 2014-Al alloy-SiC whisker composite.Journal of Materials Science Letters,1994,13(24):1797～1799

7王春艷,吳昆.鎂基復(fù)合材料預(yù)制塊制備工藝的研究.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào),2003,17(1):42～44

8張亞芳,齊雷,張春梅.增強(qiáng)短纖維長(zhǎng)徑比對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,7(4):32～34

9 Hine P J,Lusti H R f and Gusev A A.Numerical simulation of the effects of volume fraction,aspect tatio and fiber length distribution on the elastic and thermoelastic properties of short fiber composites.Compos.Sci.Tech.,2002,62:1445～1453

10李正佳,李賀軍,齊樂華等.(AlBO)w/Al復(fù)合材料制備工藝研究.材料科學(xué)與工藝,2007,15(6):761～766

11楊川.Al2O3短纖維增強(qiáng)Al基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度預(yù)測(cè).哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,1999

12張學(xué)習(xí),王德尊.非連續(xù)增強(qiáng)相預(yù)制塊的研究進(jìn)展.材料導(dǎo)報(bào), 2003,17(5):62～64