衣愛麗，杜曉明，劉鳳國，王承志

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度、比模量、耐磨性、熱膨脹系數(shù)小、良好的高溫性能，以及優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性等許多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、電子等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［1］。但是由于SiC顆粒與基體的界面問題，使制備成的復(fù)合材料在性能上不夠穩(wěn)定［2］。目前制備SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料首先應(yīng)該考慮的問題是如何使SiC顆粒在鋁基體中均勻地分散，且與基體良好的結(jié)合［3－4］。通常采用的制備方法主要有:固態(tài)法(粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法等)、液態(tài)法(擠壓鑄造法、真空吸鑄、攪拌復(fù)合法等)、沉積法、原位反應(yīng)法和凝膠法［5］，但各有其局限性。本文采用凝膠法制備了SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。凝膠法是通過分散劑的作用，將有機(jī)單體、基體和增強(qiáng)體粉末均勻分散在分散介質(zhì)中，形成低粘度高固相的漿料，然后加入引發(fā)劑、催化劑誘使單體在非多孔模具中聚合，使基體和增強(qiáng)體粉末形成高度分散并具有一定形狀、硬度的坯體，通過干燥、燒結(jié)得到結(jié)構(gòu)致密的產(chǎn)品［6］。與其他復(fù)合工藝相比，凝膠法具有工藝簡單、對(duì)設(shè)備的要求低、增強(qiáng)顆粒在金屬基體中分散均勻、坯體缺陷較少強(qiáng)度較高、可以近凈成形等優(yōu)點(diǎn)［7］。本文通過對(duì)凝膠法混料工藝的研究，解決了SiC顆粒在鋁基體中分散不良的問題，獲得了微觀及宏觀都具有良好分散均勻性的復(fù)合粉體的最佳混料工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

復(fù)合材料的增強(qiáng)體選用平均粒度為15μm的市售α-SiC顆粒，其體積分?jǐn)?shù)為固相體積的12%;基體材料選用氣霧化法制得的純鋁粉，平均粒度為20μm;SiCp表面腐蝕試劑為濃度為95%的HCl，腐蝕過程中伴有超聲處理，并通過日立S-3400N掃描電子顯微鏡觀察腐蝕過程對(duì)顆粒表面的影響。表面改性劑為聚丙烯酰胺(PAM，由丙烯酰胺AM聚合制得)，分散劑為聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，分散介質(zhì)為去離子水。凝膠漿料制備過程為:AM、PVP溶解于去離子水中，分別加入SiC顆粒和鋁粉并進(jìn)行攪拌混合。膠體成分在催化劑(N，N，N'，N'-四甲基乙二胺)、引發(fā)劑(過硫酸銨)作用下在顆粒表面聚合，觀察涂覆程度。試驗(yàn)通過對(duì)漿料進(jìn)行干燥、腐蝕復(fù)合粉中基體成分、精確稱重的方法考察分散劑和分散介質(zhì)對(duì)漿料懸浮穩(wěn)定性的影響，此過程中用到試驗(yàn)設(shè)備主要為梅特勒-托利多電子天平、JJ-1精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 SiC粒度分布控制

SiC粒度的均勻性對(duì)凝膠法制備SiCp/Al復(fù)合材料的混料效果和后續(xù)的成形性能具有重要的影響，粒度差別大的SiC顆粒，由于小顆粒的團(tuán)聚效應(yīng)顯著，混料中很難使SiC顆粒均勻分散在鋁粉中。實(shí)驗(yàn)所用SiC顆粒中混雜的小粒徑SiC顆粒來源主要有兩種，其一是原料自帶的，可通過篩分將其去除;其二是濕法腐蝕后，表面層剝落而產(chǎn)生的，這部分小顆?？赏ㄟ^在SiC表面腐蝕過程中施加超聲處理將其最大限度減少。圖1給出了濕法腐蝕過程中超聲處理對(duì)SiC顆粒粒度分布的影響。

圖1 超聲對(duì)濕法腐蝕SiC粒度分布的影響

實(shí)驗(yàn)中鹽酸溶液的pH小于等于2，腐蝕時(shí)間為12h。由圖1a可見，濕法腐蝕中經(jīng)超聲處理的SiC顆粒度分布較為均勻。而未經(jīng)超聲腐蝕的SiC中混有許多粒徑小于5μm的小顆粒(見圖1b)。這些細(xì)小的SiC顆粒比表面積較大，表面能較高，會(huì)吸附在大顆粒SiC周圍或填充在大顆粒SiC間的空隙處。這會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)中SiC的表面能，使SiC顆粒更傾向于緊密堆積，造成團(tuán)聚并影響后續(xù)的成形性能。此外，濕法混料中表面改性劑更易于與表面能高的小SiC顆粒結(jié)合，從而減弱表面改性劑的作用，導(dǎo)致失活。

2.2 SiC表面腐蝕

圖2為超聲濕法表面腐蝕后的SiC顆粒表面形貌的SEM圖像，可清晰看到腐蝕后SiC顆粒的表面的最大腐蝕深度約為2μm。由此可知，經(jīng)超聲處理后的SiC顆粒產(chǎn)生了新表面，且部分顆粒表面以下幾個(gè)原子半徑距離內(nèi)的晶體缺陷能轉(zhuǎn)變?yōu)樾律砻娴谋砻婺?。通常顆粒的表面能越高，顆粒的團(tuán)聚效應(yīng)越明顯，吸附作用也越強(qiáng)烈。對(duì)于用作金屬基復(fù)合材料的無機(jī)非金屬增強(qiáng)相而言，表面能越高，越難在金屬基體中分散。但新表面也為表面改性劑提供了附著和反應(yīng)的場(chǎng)所，為下一步SiC顆粒表面涂覆提供有利條件。

圖2 超聲濕法腐蝕后SiC顆粒表面形貌

2.3 復(fù)合粉體的表面涂覆

表面涂覆法是用無機(jī)化合物或者有機(jī)化合物對(duì)顆粒表面進(jìn)行覆蓋的處理。由于顆粒表面包覆物產(chǎn)生的空間位阻斥力，能減小或屏蔽顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，從而達(dá)到表面改性的目的。

實(shí)驗(yàn)中AM用量為固相質(zhì)量的2%，通過引發(fā)劑、催化劑作用在固相顆粒表面聚合生成PAM。圖3a為表面涂覆處理后的SiC顆粒。與圖2未經(jīng)涂覆處理的SiC顆粒相比，表面缺陷完全由表面改性劑(PAM)包裹，SiC顆粒的棱角已經(jīng)不明顯。同樣對(duì)于鋁顆粒其涂覆效果與SiC顆粒相似(圖3b)。

2.4 復(fù)合粉凝膠體系中SiC顆粒的分散性

實(shí)驗(yàn)取凝膠體系的總質(zhì)量為20g，固相質(zhì)量為13.97g，其中SiC顆粒為7.24g，AM 為固相質(zhì)量的1%，在機(jī)械攪拌下達(dá)到完全懸浮的狀態(tài)，來研究分散劑PVP對(duì)漿料中固相顆粒分散性的影響。

圖3 顆粒表面涂覆的SEM圖

圖4為漿料中固相含量隨攪拌時(shí)間的變化規(guī)律。由圖4a可見，無分散劑時(shí)隨攪拌時(shí)間增加，漿料中懸浮的固相總量在15min時(shí)出現(xiàn)明顯增加，35min時(shí)固相總量達(dá)到最大值(11.88g)，但仍小于理論值13.97g。繼續(xù)增加攪拌時(shí)間，漿料中懸浮的固相含量達(dá)到穩(wěn)定值。當(dāng)加入固相質(zhì)量的2%的分散劑PVP時(shí)，漿料中懸浮的固相總量明顯增加，且漿料達(dá)到穩(wěn)定懸浮狀態(tài)的時(shí)間由30～40min減小到10～20min。穩(wěn)定懸浮狀態(tài)的固相總量增加8.8%，且固相總量更接近于初始加入量。表明分散劑的加入能夠使固相達(dá)到完全均勻懸浮。試驗(yàn)中采用的分散劑PVP為陽離子型分散劑，漿料攪拌過程中分子在固相顆粒表面附著，陽離子之間的靜電位阻效應(yīng)使顆粒間保持一定距離，達(dá)到懸浮穩(wěn)定。漿料中SiC隨攪拌時(shí)間的變化及分散劑的影響規(guī)律(圖4b)與固相總量的量變化規(guī)律相似。

為了考察不同分散介質(zhì)中懸浮固相的分散情況，實(shí)驗(yàn)中的凝膠體系的用量與配比與圖3中相同，分散介質(zhì)分別為去離子水、無水乙醇、丙酮，為保持基體材料不與分散介質(zhì)反應(yīng)，漿料的pH為7。圖5給出了不同分散介質(zhì)對(duì)固相懸浮性的影響。由圖5可知，以去離子水、無水乙醇為分散介質(zhì)對(duì)漿料中固相含量及攪拌時(shí)間的影響規(guī)律與PVP的相同，但以去離子水分為散介質(zhì)時(shí)漿料中固相含量均大于無水乙醇為分散介質(zhì)時(shí)。表明去離子水對(duì)漿料中固相的分散效果最好。這是由于去離子水分子為極性，液體狀態(tài)下有較高的離子強(qiáng)度，無水乙醇分子極性小，不足以使陽離子分散劑大量、穩(wěn)定的存在，因此去離子水為分散介質(zhì)時(shí)分散效果更佳。當(dāng)以丙酮為分散介質(zhì)時(shí)，由于丙酮的劇烈揮發(fā)，在有效的攪拌時(shí)間內(nèi)無法使?jié){料達(dá)到穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。

圖4 漿料中固相總量及SiC含量隨時(shí)間的變化

圖5 不同分散介質(zhì)時(shí)漿料中固相含量

3 結(jié)論

(1)濕法腐蝕中超聲處理可得到粒徑均勻的SiC顆粒。

(2)經(jīng)表面涂覆處理后的復(fù)合粉體顆粒，表面缺陷完全由表面改性劑(PAM)包裹，顆粒形狀趨于球狀，可有效減小或屏蔽顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象。

(3)以PVP為分散劑、去離子水為分散介質(zhì)時(shí)，漿料中懸浮的固相總量最大，漿料達(dá)到穩(wěn)定懸浮狀態(tài)的時(shí)間最短，可使固相顆粒達(dá)到完全均勻懸浮。

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