可用于空间的SiCp/Al复合材料热物理性能研究

修子扬，刘 波，武高辉，姜龙涛，张 强，陈国钦

（哈尔滨工业大学金属复合材料与工程研究所，哈尔滨150080）

1 引言

SiCp/Al复合材料具有高的比强度、比模量、耐高温、耐磨损以及热膨胀系数小、尺寸稳定性好等特点，能够克服树脂基复合材料在航天领域中使用时存在的缺点，因此得到了令人瞩目的发展[1-6]，特别是在对材料性能和环境适应性要求严格的空间环境领域具有十分广阔的应用前景。

本文以空间应用为背景，设计并采用挤压铸造法制备了体积分数为45%颗粒粒径分别为10μm、20μm的SiCp/Al复合材料，并研究了材料的弯曲强度与热物理性能。

2 材料的设计制备与测试方法

2.1 材料的设计制备

挤压铸造主要是对液态金属施加较高的机械压力来提高铸件质量。能够消除液态金属凝固过程中因体积收缩而产生的有关缺陷，以获得晶粒细小、力学性能好、表面质量高的铸件，对液态金属必须施加足够的压力，才可以获得优质铸件。每种铸件均有一个临界压力，低于临界压力，无法获得优质铸件。通过挤压铸造，可以获得高体积分数的SiCp/Al复合材料。

采用挤压铸造法，在相同的压铸工艺条件下分别制备出颗粒粒径分别为10μm、20μm的SiCp/Al复合材料，材料的原始组织如图1所示。两种不同颗粒粒径的复合材料均分为铸态，根据Al-Si合金的规范，以2024Al为基体的复合材料试样固溶，在盐浴炉温度为495℃下加热时间均为1h，水冷。然后再在160℃的条件下时效10h。

2.2 测试方法

复合材料的三点弯曲试验在Instron 5569万能电子拉伸试验机上进行，压头位移速度为0.5mm/min，最大载荷500Kg，精度0.2Kg。样品尺寸为：3mm×4mm×36mm，跨距30mm。对受拉面进行抛光，并于该面的跨距中部贴应变片。

采用用德国产JK2型激光导热综合测试仪测量材料的热导率。测试样品尺寸为Φ12.7×2.6mm，两端面用金相砂纸磨光，测试温度为25℃、50℃、100℃，升温速度5℃/min。激光导热综合测试仪测量材料的热扩散率和比热的原理是应用闪光扩散法。平板形样品在炉体中加热到所需的测试温度后，由激光仿生器或闪光灯产生的一束短促（＜1ms)光脉冲对样品的前表面进行加热，热量在样品中扩散，使样品背部温度的上升。且用红外探测器测量温度随时间上升的关系。

图1 SiCp/Al复合材料的原始组织

采用德国NETZSCH公司生产的DIL402型热膨胀分析仪测定材料的热膨胀系数，测试温度范围选取-60℃～120℃，而考察温度范围为 20℃～120℃，升温速率为5℃/min，样品尺寸为Φ6×25mm。

热循环试验在德国DIL402型热效应在动分析仪上进行，温度测试范围-186℃～500℃。设备的分辨率是0.125nm（500μm测量范围)，测试精度可以达到 10-8。

3 结果与分析

3.1 SiCp/Al复合材料的弯曲性能

图2 SiCp/Al复合材料的弯曲性能

图2显示了增强体体积分数为45%的颗粒粒径分别为10μm、20μm的SiCp/Al复合材料在铸态下及固溶时效后的三点弯曲强度。

当基体合金中Si含量的相同以及热处理状态相同的条件下，随着增强体颗粒粒径的增大其弯曲强度减小。这是由于随着基体合金中增强体颗粒粒径增大，材料的脆性增加，当增强体SiC颗粒的粒径很大时，复合材料断裂的主要方式是脆断。基体中增强体颗粒粒径为20μm且未经过热处理的复合材料，其复合材料的脆性也最大，所以断裂时其强度也就最低。而颗粒粒径10μm且经过热处理的复合材料的塑性是最好的，对于体积分数为45%的复合材料而言，塑性越好其强度也就越高，所以增强体颗粒粒径为10μm且经过热处理的复合材料的强度也就是最高的。在增强体颗粒粒径相同的条件下，经过热处理后复合材料的强度也明显提高，由此可见，热处理可以提高复合材料的强度。

3.2 SiCp/Al复合材料的热物理性能

3.2.1 SiCp/Al复合材料的热导率

本文的试验用的是非稳态导热系数测试法，即激光扩散法。该方法能直接测量材料的热扩散性能，然后在已知样品的比热和密度的情况下，通过计算求得导热系数的数值。即根据公式

表2 复合材料导热性能值

式中α为热扩散率；ρ为材料密度；C为比热容。

3.2.2 SiCp/Al复合材料的热膨胀性能

图3为不同粒径的SiCp/Al复合材料热膨胀系数。从图中可以看出，在相同的热处理状态下均表现出颗粒粒径为10μm的复合材料热膨胀系数高于颗粒粒径为20μm的复合材料。

图3 SiCp/Al复合材料热膨胀系数

颗粒增强体金属基复合材料的基体中残余应力的存在是复合材料的本质特征之一，且对复合材料的热膨胀性能产生较大的影响。这种残余应力是在复合材料制备过程中，由高温冷却到低温时由于基体和增强体的热膨胀系数不同而造成的。由于材料的连续性，并在界面的约束下，基体铝合金不能自由收缩，导致与SiC颗粒相邻的基体受残余拉应力的作用。同样地，当温度升高时，由于热膨胀的不同，为了确保材料协调变形，又会在材料的内部形成热错配应力。热错配应力随着增强体颗粒的尺寸的增大而增大，所以颗粒粒径为20μm复合材料在升高相同的温度时，其热错配应力要高于颗粒粒径为10μm的复合材料。由于材料的热错配应力为压应力，故其对复合材料的热膨胀系数的贡献为负值，颗粒粒粒径大的热其错配应力大，所以其热膨胀系数相对较小。

3.2.3 SiCp/Al复合材料的热循环尺寸稳定性

图4 SiCp/Al复合材料的热循环尺寸稳定性

为了评价材料的尺寸稳定性，将每次热循环后试样在20℃时的尺寸与热循环的起始测试点（20℃）的尺寸相减，可以得到圆柱试样轴向单位尺寸的变化与热循环次数的关系，如图4所示。从图中可以清楚的看出，经每次热循环处理后的尺寸变化规律和热循环15次的尺寸变化总量。由图可见，在每次热循环过程中，试样轴向尺寸的变化量都有一定程度的减小，最后基本接近平缓，但轴向尺寸变化总量随热循环次数的增加而增加。同时，也可以看出，两种增强体颗粒粒径的复合材料的尺寸稳定变化是有显著差异的。相比之下，颗粒粒径为20μm的复合材料其尺寸稳定性较好一些。颗粒粒径为10μm的复合材料其尺寸变化总量为8.7771×10-5，颗粒粒径为20μm的复合材料其尺寸变化总量为6.302×10-5。

4 结论与讨论

本文采用挤压铸造法制备了体积分数为45%颗粒粒径分别为10μm、20μm的SiCp/Al复合材料，并研究了材料的弯曲强度与热物理性能。

研究结果显示，SiCp/Al复合材料具有优异的弯曲性能与导热率、热膨胀系数及尺寸稳定性，是一种具有极大发展潜力的新型空间材料，在航天器结构、空间惯性器件、空间光学反光镜和航天器电子封装器件上有着广泛的应用。

颗粒粒径不同，复合材料的力学性能与热物理性能不同。可以通过材料的设计，获得不同性能的SiCp/Al复合材料。 ◇

［1］Zhang F，Sun PF.A comparative study on microplastic deformation behavior in a SiCpP2024Al Composite and its unreinforced matrix alloy［J］.Materials Letters，2009，（49）：69-74.

［2］黄强，顾明元.电子封装用金属基复合材料的研究现状［J］.电子与封装，2008，3（2）:22-25.

［3］郦定强，洪淳亨.增强体颗粒尺寸对SiCp/2124Al复合材料变形行为的影响［J］.上海交通大学学报，2010，3（2）：56-57.

［4］邹晋，张建云.光学级SiCp/Al复合材料尺寸稳定性研究［J］.热处理技术与装备，2010，8（2）：23-25.

［5］王秀芳，武高辉，姜龙涛，耿洪滨.冷热循环处理对SiCpP2024Al尺寸稳定性的影响［J］.材料热处理学报，2006，10（3）：78-79.

［6］张迎九，王志法，吕维洁，谢佑卿，姜国圣，周洪，徐桢.金属基低膨胀高导热复合材料［J］.材料导报，2007，11（3）：52-56.