碳化硅增强铝基航空材料金属基复合材料的制备与性能研究

摘要

现代科学技术领域的发展对许多先进的工程材料产生了需求。近年来，与铝相关的金属基复合材料可能成为许多应用的材料，如运输、航空航天、海洋和汽车应用。为了提高母材的性能，碳化硅增强铝基复合材料的生产一般采用搅拌铸造法。本研究的目标是航空航天材料用碳化硅增强铝基金属基复合材料的制备和物理力学性能表征。采用搅拌铸造法制备了不同质量分数的碳化硅颗粒增强金属铝基复合材料(碳化硅:5质量%、7质量%和9质量%)，并通过实验对材料的物理力学性能进行了表征。对5083铝和复合材料样品进行了表征研究以进行评估。用洛氏硬度仪对其硬度进行了测定。采用计算机接口的INSTRON万能试验机进行拉伸强度测试。在球状指示器的所有直径处，硬度随碳化硅%值的增加而增加。也高于航空航天材料中使用的标准铝。 Ultimate tensile strengths for 5 weights%, 7 weight%, and 9 weight% particulate-reinforced Aluminium metal matrix composites had 275 MPa, 287.77 MPa, and 296.96 MPa, respectively. Young’s modulus of elasticity was highest for specimen 3 (Silicon carbide 9% and Aluminium-5083 91%). Tensile strength and hardness of Aluminium metal matrix composites are enhanced by the increment of the weight fraction of the reinforcing phase (Silicon carbide).

关键字

铝;硬度;金属基复合材料;碳化硅;搅拌铸造法;抗拉强度

简介

金属基复合材料是金属(基体)和硬颗粒或陶瓷(增强)的工程组合，以获得量身定制的性能。设计金属基复合材料的目的是将金属和陶瓷的理想属性结合起来。铝基复合材料具有轻质、高强、高比模量、低热膨胀系数和良好的耐磨性等优点，是一种新型的先进材料。这些特性的组合在传统材料中是不可用的。在航空航天工业中，碳化硅增强铝基复合材料最重要的特性是其强度重量比，比低碳钢大三倍[1］．此外，与许多其他材料相比，含有碳化硅(增强材料)和铝(基体)的复合材料具有高模量、强度值、耐磨性、高热稳定性、重量轻和更有效的承载能力[2，3.］．该复合材料还有望表现出良好的腐蚀/氧化性能，因为碳化硅在1200°C时会形成一层氧化硅保护涂层[4]，铝也会有类似的反应。因此，很明显，这种材料为航空航天工业提供了相当大的优势，特别是在需要良好的热性能和拉伸性能的应用中。对碳化硅纳米线/环氧树脂复合材料的制备进行了实验研究。这种材料具有优异的机械性能，如硬度、耐磨性和重量轻，使其成为汽车金属部件的理想替代品。采用超声搅拌和铸造工艺制备了SiC NWs/环氧树脂复合材料。研究了复合材料试样的密度、抗拉强度、硬度及磨损性能等物理力学参数。

由导电聚合物和非导电PU基质组成的纳米复合材料引发了人们对当前技术的兴趣。电子器件、执行器、电池、化学/生物传感器和其他纳米复合材料的应用正在上升。有利的聚合物被用来创造具有突出的机械特性、可加工性和导电性的高分子材料。目标是制造具有强机械质量和可加工性的导电聚合物材料，同时具有高导电性或电致色性。导电聚合物在PU基体中的集成可以以共价或非共价方式进行，从而提高导电性。

研究的目标是碳化硅增强铝基金属基复合材料的制备和物理力学性能的表征。

材料与方法

制造方法

对于制造方法，采用搅拌铸造布置。搅拌浇铸装置借助预热器、电炉和搅拌装置完成。采用三相电阻式共12kw容量的电炉。预热器的温度范围约为850℃，加热炉的温度范围为1000℃。铝的熔化范围为750°C-850°C。在实验前设置搅拌器时，首先将转子放入坩埚中。它的高度被精确地调整，以在出口形成部分密封，以便在搅拌期间保持同心。只允许出口的部分密封，以确保从转子-坩埚相互作用的扭矩可以忽略不计。附在批量铸造台车上的外部塞子在出口处提供了完全密封。多孔性，较差的润湿性和不适当的增强颗粒分布都是金属基复合材料制造的问题。 For the composite, achieving a homogeneous reinforcing distribution is critical. Stir casting is a common fabrication processing technology that is both affordable and versatile in terms of materials and processing conditions. Because particles are stirred into the melt, it provides superior matrix particle reinforcement.

在铸轮安装完成后，金属在感应炉中熔化，并转移到电阻保持炉中，在比液体温度高25°C的温度下稳定。然后将熔体倒入搅拌浇注炉，该炉已预热至575°C至590°C，用于铝-5083-重量%碳化硅。介绍了铝-5083金属基复合材料的不同铸造成分表1。

表1。化学成分(重量%)金属基复合材料

搅拌浇注布置方法

采用一台容量为12kw的三相电阻式电炉。预热器的温度范围约为850℃。炉温范围为1000℃。铝的熔化范围:750°C-850°C。

金属基复合材料的表征

硬度:采用ASTM E18-03洛氏硬度计，硬度标度为B。

抗拉强度:采用计算机接口的INSTRON万能试验机(UTM)进行拉伸强度测试。试验采用ASTM E8标准。采用液压加压系统加载试样。在屈服点和断裂点的载荷读数被记录下来。伸长率用伸伸计测定。载荷-挠度曲线也得到了与机器连接的计算机的帮助。

杨氏模量:它是衡量材料在纵向拉伸或压缩下承受长度变化的能力。它测量材料在负载下的弹性(可恢复)变形的阻力。刚性材料具有很高的杨氏模量，在弹性载荷下只会轻微改变其形状。柔性材料的杨氏模量很低，形状变化很大。为了确定杨氏模量，我们使用了如式(1)所示的通用公式:

杨氏模量=应力/应变(1)

结果

硬度

硬度随碳化硅%值的增加而增加。碳化硅增强铝基复合材料的耐磨性高于铝氧增强金属基复合材料(表2)．

表2。硬度的测量。

抗拉强度

极限抗拉强度随碳化硅%值(表3)．试样3(碳化硅9%，铝-5083 91%)的极限拉伸强度最高;图1)．

表3。拉伸试验结果。

杨氏模量

样品3的杨氏弹性模量也最高(碳化硅9%，铝-5083 91%)。这意味着，以最高碳化硅质量百分比增强的试样具有较高的抗拉强度和刚度。各试样的应力应变关系如图所示图2 - 4,分别。

讨论

目前的研究对铝碳化硅金属基复合材料的使用提出了一些建议。然而，人们认为铝碳化硅金属基复合材料作为高性能飞机机身蒙皮的材料很有前途。考虑它的主要原因是它的高强度重量比和良好的拉伸性能。根据现有文献[5]，纯铝的抗拉强度lS 13000 S1 (89.6 N/mm²)，这比铝碳化硅金属基复合材料的值要低，从大多数研究中，对于9%的碳化硅，从我们的研究结果中，我们计算出的值为286.56 N/mm²。铝碳化硅更好的强度重量比使其成为航空航天用途的更有效的选择[6］．

此外，这些金属基复合材料还具有良好的耐腐蚀/耐磨性和热稳定性(这在超音速应用中变得非常重要)。然而，必须指出的是，其他关键性能，如疲劳和断裂韧性的数据是不可用的。因此，在对其应用做出任何具体预测之前，也必须努力确定这些指标。7，8］．

结论

尽管Chou等人已经讨论了几种制造方法。搅拌铸造被推荐为最可行的工艺，因为它简单且能够大批量生产。这种方法的另一个优点是，原则上，它允许使用传统的金属加工路线，因此降低了产品的最终成本。增强材料的均匀分布是一个挑战，但搅拌铸造更容易生产均匀分布的复合材料。从力学性能来看，铝碳化硅金属基复合材料是航空航天应用的一种更有效的选择。

参考文献

1. Devi NC，等。铝碳化硅复合材料的力学特性。国际应用工程学报，2011;1:793-799。

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2. 阿瑟罗RJ。用纤维和血小板碳化硅强化6061铝合金。科学与工程学报，2004;

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3. 戴夫M等。复合材料-铝硅合金研究进展。印度J res 2013;2:148-150。

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4. bopathi MM，等。碳化硅-粉煤灰混合金属基复合材料增强2024铝合金的力学性能评价。应用科学学报，2013;

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5. 会员。物理冶金学概论。第二版，新德里:Tata McGraw-Hill。1997:481 - 497。

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6. 周涛，等。纤维增强金属基复合材料。复合材料1985;16:187 - 206。

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7. Skibo D，等。在金属基体中含有非金属颗粒的复合材料的制备方法，以及由此制成的复合材料。美国专利号4,786,467,1988。

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8. Tham L，等。有限基体-增强界面反应对增强铝-碳化硅复合材料力学性能的影响。学报学报2001;49:3243-3253。

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