电子能量损失谱对碳化硅颗粒增强铝基复合材料界面特征的研究

　　碳化硅颗粒增强铝基复合材料(以下简称为SiCp/Al)具有比强度和比刚度高,高温强度和耐磨性好,生产成本较低等一系列优点,因而近年来日益引起世界许多国家的极大重视并竞相进行深入研究。众所周知,复合材料的性能不仅取决于基体和增强体各自的性能,在很大程度上还依赖于基体和增强体间的相容性,即界面结合状况。而在SiCp/Al复合材料研究中所遇到的两个主要问题为:(1)高温下碳化硅与铝反应,导致在SiC/Al界面上形成反应产物,降低增强体的性能。(2)低温下SiC与液态铝间润湿性差,通常造成凝固后SiC与铝结合力较弱。

　　对此,人们提出了许多方法来设法解决,其中采用较多的便是将碳化硅颗粒进行表面氧化处理,即将碳化硅颗粒在高温下焙烧,这样既可除去碳化硅颗粒中的杂质,污染物以及晶内、晶间的水分,同时又能形成纯净的稳定的SiO2表面层。对于此SiO2氧化层的作用,一般人们普遍认为有两条,一是保护SiC免遭铝的侵蚀,二是改善铝液对SiC的润湿性[1,2]。也有部分研究者认为SiC表面的SiO2层并不能改善浸润性[3]。但是无论哪一种看法都还没有微观实验的佐证。本文将对比未经和经过氧化处理的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的力学性能,断裂特征,界面的显微成分和显微结构,以探讨氧化处理的作用和影响机制。

　　材料和方法

　　实验所用复合材料以纯铝(A00号)为基体,分别以原始态和氧化态的绿色α-SiC磨料碳化硅为增强体,其平均尺寸都是60μm。这里,原始态指只经过200℃烘烤的碳化硅,氧化态指将碳化硅在1100℃加热10小时后所得到的碳化硅。采用挤压铸造工艺制备了SiCp/Al复合材料,为降低碳化硅的体积分数并保证碳化硅颗粒在基体中分布均匀,在两类复合材料中都混杂了相同体积百分数的莫来石(其成分为72%Al2O3和28%SiO2)短纤维。采用美国New810MTS试验机测试了三点弯曲性能,用S-515型扫描电镜观察了弯曲试样断口,用菲利普CM12型透射电镜对原始态和氧化态SiCp/Al复合材料界面进行了观察研究,该仪器上配有GATAN666型并行探测电子能量损失谱仪(Parallel Detection Electron Energy Loss Spectroscopy,简称PEELS)和EDAXPV9900X射线能谱仪。

　　实验与结果

　　三点弯曲试验结果表明,经碳化硅增强后的复合材料的强度比纯铝的强度(109MPa)有较大提高,而氧化态SiCp/Al(纯)的强度(218MPa)高于原始态SiCp/Al(纯)的强度(156Mpa),这也说明氧化处理对铝与碳化硅之间的润湿结合有一定的帮助作用。弯曲试样的断口观察表明,原始态SiCp/Al(纯)和氧化态SiCp/Al(纯)的断口都表现为平直,但原始态碳化硅颗粒多在与基体结合处产生裂纹(如图1a),而氧化态碳化硅颗粒则多半表现为受力后发生破碎(如图1b),同样说明氧化处理的确有利于促进碳化硅与铝基体的结合,下面将从微观机制入手来分析其原因。