SiC颗粒预处理及SiCp/A390复合材料的界面特征研究

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SiCp/A390复合材料具有轻质、低膨胀、高的比强度等优良性能,成为航空、航天及装配制造业精密结构件。SiC颗粒形态及表面状态对SiCp/A390复合材料的界面结构及性能起到至关重要作用。  论文采用高温氧化、稀HCl浸洗、饱和NaOH浸洗、高能球磨四种方式对SiC颗粒进行预处理;利用粉末冶金法制备了质量分数为20%的SiCp/A390复合材料试样,并对其进行固溶+时效处理。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)、X射线光电子谱(XPS)、详细表征预处理前后 SiCp的微观形貌、表面物质的化学状态、复合材料的微观组织及界面结构;采用万能拉伸试验机等设备检测了复合材料的力学性能;分析了预处理对复合材料微观组织及性能的影响。研究结果表明:SiCp经HCl或饱和 NaOH浸洗后,颗粒表面干净,但颗粒依然呈尖角状的多面体,酸或碱浸洗仅起清洗作用;高能球磨后 SiCp表面形貌无明显变化,絮状小颗粒变得更加细小。高温氧化处理使 SiCp尖角状边缘钝化,且 SiCp表面有致密的SiO2层形成。四种预处理方式中高温焙烧处理后的 SiCp在 SiCp/A390复合材料组织中分布最为均匀,界面结合最佳,性能最好;其抗拉强度达到310 MPa,比原始态的SiCp/A390复合材料的抗拉强度提高了39%;伸长率则由原始态的1.524%提高到1.950%,提高了0.426%;实测密度达到2.6863 g/cm3。  分析了SiCp高温氧化后表面氧化层及复合材料界面反应层形成的热力学机理;研究了 SiCp的氧化行为;建立了 SiCp的氧化动力学模型;构建了理想条件下 SiC颗粒表面氧化层厚度计算模型,并进行了实验验证;阐明了高温氧化态SiCp/A390复合材料界面结构的演变机制。  SiCp的氧化行为研究表明:SiCp的氧化热力学显示SiC与O2的相关氧化反应在不考虑速率的情况下是可自发进行的。SiCp的氧化反应分为前期和后期,前期的氧化速度主要由 SiC与 O2的化学反应速度决定,单位面积增重与氧化时间呈线性关系;后期的氧化速度受 O2及反应产物 CO2等在 SiCp表面氧化层中的扩散速率影响,单位面积增重的平方值与氧化时间呈线性关系。  SiCp/A390复合材料界面特征研究表明:SiCp高温氧化后,SiCp/A390复合材料中 SiCp/Al界面主要为非晶型界面和少量反应型界面,干净型界面几乎未发现。SiCp氧化处理对SiC/Si界面及Si/Al界面影响甚小。并讨论了界面形成的择优机制。
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