摘 要 本文采用無壓浸滲法制備了SiC/Al復(fù)合材料，研究了造孔劑含量對多孔預(yù)制體孔隙率的影響。結(jié)果表明：隨著造孔劑加入量的增加，孔隙率增加；但當(dāng)造孔劑含量大于20%時(shí)，多孔預(yù)制體的孔隙率趨于48%左右。

關(guān)鍵詞 多孔預(yù)制體，孔隙率，造孔劑

1前言

SiC/Al復(fù)合材料由于具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐磨性好、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異的性能而被廣泛應(yīng)用于航空、軍事武器、汽車、電子等領(lǐng)域。在用作電子封裝方面，與低體積分?jǐn)?shù)的SiC/Al復(fù)合材料相比，高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al復(fù)合材料具有更小的熱膨脹系數(shù)、更高的熱導(dǎo)率、尺寸穩(wěn)定性更好等優(yōu)點(diǎn)^[1]。

目前，關(guān)于成形工藝過程^[2]、骨料粒徑^[3～4]、顆粒形貌^[5]、燒成制度^[6～7]以及燒結(jié)添加劑^[8]對復(fù)合材料性能影響的研究都能見諸于文獻(xiàn)，但有關(guān)造孔劑對SiC/Al復(fù)合材料性能的影響，文獻(xiàn)中并未進(jìn)行系統(tǒng)地報(bào)道。丁祥金等^[9]人將造孔劑和粘結(jié)劑對預(yù)制體性能的影響分開考慮，但在預(yù)制體的制備過程中，通常造孔劑量的變化會引起相應(yīng)的粘結(jié)劑等有機(jī)添加劑量的變化，這些物質(zhì)燒結(jié)前在預(yù)制體中均占有一定的空間，對燒成后多孔預(yù)制體孔結(jié)構(gòu)的變化都有影響，因此將它們結(jié)合起來考慮更為合理。

本文以淀粉和有機(jī)添加劑為造孔劑，結(jié)合粒子堆積理論，研究了SiC/Al復(fù)合材料制備過程中造孔劑的含量對多孔預(yù)制體孔隙率的影響，為高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2實(shí)驗(yàn)

采用平均粒徑為20μm的SiC骨料，以淀粉等有機(jī)添加劑為造孔劑， 將SiC粉、淀粉按比例放于混料坩堝中混勻，按要求添加一定量的樹脂，再次混勻，通過冷壓成形制備預(yù)制體。預(yù)制體經(jīng)120℃烘干處理，隨后進(jìn)行真空燒結(jié)，在150～400℃除掉造孔劑獲得多孔預(yù)制體，然后在1150℃（保溫2h）用鋁液浸滲多孔預(yù)制體，獲得高體積分?jǐn)?shù)的SiC/Al復(fù)合材料。

材料的孔隙率利用阿基米德法（用水作為介質(zhì)）按照GB1966-80的方法測定。

3結(jié)果與分析

本文在配料中加入造孔劑（如淀粉等有機(jī)物），這些物質(zhì)在高溫下燃燒揮發(fā)后在預(yù)制體中留下孔隙，從而可制備出孔隙率接近50%的多孔預(yù)制體。多孔預(yù)制體中的孔隙最終被鋁所填充，其數(shù)量（體積分?jǐn)?shù)）、形狀與分布決定了復(fù)合材料中鋁的體積分?jǐn)?shù)與分布。因此，多孔預(yù)制體的孔隙率直接決定了復(fù)合材料的組織和性能。

預(yù)制體中造孔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與多孔預(yù)制體孔隙率、密度的關(guān)系如圖所示。從圖可以看出，當(dāng)預(yù)制體中造孔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%時(shí)，隨著造孔劑量的增加，多孔預(yù)制體的孔隙率變化不明顯；當(dāng)預(yù)制體中造孔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15%增加到20%時(shí)，多孔預(yù)制體的孔隙率顯著增大；當(dāng)預(yù)制體中造孔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由20%增至25%時(shí)，多孔預(yù)制體的孔隙率變化不明顯，此時(shí)多孔預(yù)制體的孔隙率趨于48%；這是因?yàn)轭A(yù)制體中造孔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%時(shí)，造孔劑占有的空隙小于骨料SiC顆粒本身隨機(jī)堆積形成的孔隙，故造孔劑的增加對多孔預(yù)制體孔隙率的影響不明顯；當(dāng)預(yù)制體中造孔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時(shí)，骨料SiC顆粒間堆積而成的孔隙不足以容納造孔劑所需的空隙，造孔劑的分布向連續(xù)化過渡，因而多孔預(yù)制體孔隙率顯著增加；而當(dāng)造孔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%以上時(shí)，多孔預(yù)制體孔隙率的變化不明顯，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)等徑球體的隨機(jī)堆積理論，粒子堆積的孔隙率與粒子配位數(shù)之間的關(guān)系有很多表達(dá)式，其中以Ridgway和Tarbuck^[10]提出的關(guān)系式為代表，如下式所示：

ε= 1.072 - 0.1193n + 0.0043ln2

式中，ε為粒子堆積的孔隙率，n(在6～12之間取值)為粒子堆積時(shí)的配位數(shù)。根據(jù)上式，當(dāng)粒子的配位數(shù)n=8時(shí)，其堆積孔隙率ε=39.344%；當(dāng)粒子的配位數(shù)為6時(shí)，其堆積孔隙率ε=51.136%。因此，造孔劑含量對多孔預(yù)制體孔隙率的影響可以通過骨料SiC顆粒由配位數(shù)為8的堆積狀態(tài)向配位數(shù)為6的堆積狀態(tài)過渡來解釋：當(dāng)預(yù)制體中造孔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<15%時(shí)，骨料SiC顆粒的堆積配位數(shù)為8，造孔劑的量在此范圍內(nèi)改變時(shí)，多孔預(yù)制體的孔隙率無明顯變化；當(dāng)預(yù)制體中造孔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>20%時(shí)，骨料SiC顆粒的堆積配位數(shù)為6，此時(shí)多孔預(yù)制體孔隙率為堆積成孔方式的最大孔隙率。如果繼續(xù)增加造孔劑的量，會使多孔體在燒成過程中出現(xiàn)針孔、開裂等缺陷；當(dāng)造孔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于15%～20%時(shí)，SiC粒子的堆積狀態(tài)從8配位數(shù)向6配位數(shù)過渡，孔隙率顯著增大。多孔預(yù)制體的實(shí)際孔隙率小于理論的堆積孔隙率，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中采用的SiC粉料并不是等徑球體，而是具有一定的粒徑分布。這種情況會造成SiC粉料中存在的細(xì)小顆粒填充到較大顆粒堆積而成的空隙中，而且在燒成過程中，SiC顆粒之間存在部分燒結(jié)頸部，導(dǎo)致多孔預(yù)制體的實(shí)際孔隙率小于理論計(jì)算值。

4結(jié)論

以粒徑為20μm的碳化硅顆粒為骨料，以淀粉等有機(jī)添加劑為造孔劑，通過冷壓成形制備出預(yù)制體。研究表明，造孔劑含量的變化對復(fù)合材料性能有顯著的影響。

當(dāng)預(yù)制體中造孔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<15%時(shí)，造孔劑的量的改變不足以改變粒子的堆積狀態(tài)，多孔預(yù)制體的孔隙率沒有明顯的變化；當(dāng)造孔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%～20%時(shí)，多孔預(yù)制體的孔隙率隨造孔劑量的增加而顯著增大；當(dāng)造孔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>20%時(shí)，多孔預(yù)制體的孔隙率穩(wěn)定在48%左右。因此，可以通過調(diào)節(jié)造孔劑的添加量來控制多孔預(yù)制體的孔隙率，進(jìn)而控制復(fù)合材料的組織與性能。

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10謝洪勇.粉體力學(xué)與工程[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2003

Effect of Pore-making Agents Content on Porosity of Porous Preform Li feizhouLi hongchuan (Chang’an University Xi’an710064)

Abstract: The effects of the pore-making agents content on the porosity of SiC/Al porous preform produced by pressureless infiltration technique were investigated．The results showed that the porosity rised with the increasing of the content of pore-making agents，and the porosity tended to 48% when the pore-making agents content was above 20%.

Keywords: porous preform，porosity，pore-making agent