绿色低熔复合玻璃钎焊高体积碳化硅颗粒增强铝基复合材料的界面润湿及结合机理

To overcome nonwetting problem of conventional brazing alloy on the surface of high content SiC particle reinforced aluminum matrix composites caused by the large difference in surface properties and high interfacial energy, this project designs and fabricates a green low-melting composite glass to join the base composites. This idea is based on the composite glass having a good compatible with ceramic surface of the base composites. Basing on the research of the interface formation mechanism and influence factor, the behavior of interface elements diffusion and oxidation film disolution, and a dissolution thickness model of oxidation layer of the composites will be obtained. Basing on the research of the spreading procedure and interface energy change of molten glass on the surface of the base composites, the wetting mechanism and spreading dynamics equation will be found. In addition, the project also reveals the stress distribution and mechanical properties of the joints. Based on this project, the problem of bonding high content SiC particle reinforced aluminum matrix composites can be solved and an innovative thought for welding other ceramic and metal matrix composites can be offered.

本项目针对传统合金钎料与高体积碳化硅颗粒增强铝基复合材料表面物性差异大、界面能大以致不能有效润湿的难题，反利用复合材料表面碳化硅陶瓷颗粒以及铝基体表面氧化膜本身的陶瓷属性，设计并制备与复合材料表面相容性良好的绿色低熔复合玻璃钎料实现高体积碳化硅颗粒增强铝基复合材料的连接。通过对玻璃钎料与复合材料界面元素扩散、氧化膜溶解行为的研究，阐明界面形成机理，并建立复合材料表面氧化层溶解厚度数学模型；通过对低温玻璃钎料在复合材料表面润湿过程，界面能变化等研究，阐明润湿机理并建立润湿过程动力学方程。同时揭示复合玻璃钎料连接高体积碳化硅增强铝基复合材料接头的应力分布规律及其承载特征。本项目不仅可解决高体积碳化硅颗粒增强铝基复合材料的焊接问题，也可为其它陶瓷金属复合材料的连接提供一种创新思路。

本项目针对传统合金与高体积碳化硅颗粒增强铝基复合材料表面物性差异大、界面能大以致不能有效润湿的难题，通过氧化处理复合材料表面使得玻璃钎料与复合材料表面具有良好的化学相容性，从而实现高体积碳化硅颗粒铝基复合材料的良好连接。设计制备的SnO-ZnO-P2O5玻璃钎料在SiCp/Al复合材料表面实现了良好的润湿性。润湿界面微观组织中无新的界面化合物生成，界面处发生母材中合金元素向钎料溶解，并伴随着固溶体生成，揭示了其润湿机制为反应润湿中的溶解扩散润湿。采用将复合材料表面高温预氧化以及阳极氧化工艺，明显改善了玻璃钎料与SiCp/Al复合材料的润湿性能，为复合材料表面处理提供了新思路。通过对不同温度界面微观组织的研究，揭示了玻璃钎料与复合材料连接过程中的界面行为。低温复合玻璃钎料通过向低温玻璃钎料加入一定比例的晶体，实现了晶体颗粒在复合材料连接接头中的弥散分布，有效提高接头剪切强度至33MPa。以上研究为高体积碳化硅颗粒增强铝基复合材料的连接提供了新思路和奠定了理论基础。