铝熔体中碳质粒结构演变与原位生成SiC渐进式反应机制的研究

It is really difficult to produce SiC by in-situ synthesis method due to the extremely low solubility of C atoms in aluminum melt. Up to now, there is no report about the feasible technology for the in-situ synthesis of SiCp/Al composites. Based on the structural evolution and gradual reaction principle induced by doping carbon-bearing particles with dominant atoms (such as Al and Si, etal), a novel method to synthesize the in-situ SiCp reinforced aluminum matrix composites is proposed in the project. The structural evolution rule of the carbon-bearing particles and the subsequent gradual reaction process in Al melt are the main research objects, and the gradual reaction mechanisms of the in-situ synthesizing SiC particles in such situation will be systematically studied using a series of structural analysis means, such as the Liquid Metal X-ray Diffractometer (LMXRD) and so on. The influences of varietes of carbon-bearing particles, the Al melt state and technological parameters on the reaction process will be studied and then the reaction thermodynamics and the critical reaction conditions will be analyzed. The atom doping and migrating, the structural evolution mechanism in a carbon-bearing particle, and the structural correlation among carbon-bearing particles, transient phases and SiC particles will be revealed. It is an important aim of the project to establish a gradual reaction model of "atom doping→structural evolution→in-situ reaction", which is wide applicable to the synthesis of other compounds. The growth mechanism, atom doping and controlling technique of SiC in the Al melt will be mastered, which will provide key scientific basis for the preparation of SiCp/Al composites with high strength, excellent heat and fatigue resistant properties.

C在铝熔体中极低的溶解度使原位生成SiC极其困难，国内外还未提出简便有效的原位生成SiCp/Al复合材料制备工艺。本项目提出了一种通过主导原子（Si、Al等）掺杂碳质粒（固体含碳物）诱导其结构演变与渐进式反应来制备该复合材料的新方法，并以碳质粒在铝熔体中的结构演变规律与原位反应过程为研究对象，借助液态金属X射线衍射仪等系列结构分析手段深入系统地研究铝熔体原位生成SiC的渐进式反应机制。研究碳质粒种类、铝熔体状态及工艺参数对该反应过程的影响规律，分析其反应热力学和临界反应条件；研究碳质粒中原子掺杂与迁移以及结构演变规律，探明渐进反应过程中碳质粒、过渡相与SiC间的结构相关性；建立液-固原位反应生成SiC等物相的"原子掺杂→结构演变→原位生成"普适性渐进式反应模型；掌握SiC在铝熔体中的生长规律、原子掺杂及其调控技术，为研制高强耐热抗疲劳SiCp/Al复合材料提供科学依据。

本项目借助液-固多相反应原理，采用碳质体法在Al-Si合金熔体中原位合成了多尺度β-SiCp，并以此制备出SiCp增强铝基复合材料。研究了铝熔体中Si浓度、碳含量、反应温度以及保温时间等因素对Al-Si-C反应体系中β-SiCp合成的影响，研究了原位合成SiCp的临界反应条件。提出了原位合成多尺度SiCp的反应机制：即以Al4C3为中间过渡相的渐进式反应，由于受到Al4C3遗传效应的影响，由此获得的SiCp多为微米或亚微米尺度；另一种直接反应机制，即通过铝熔体中溶解态[Si]与[C]的直接反应，合成纳米尺度SiCp。系统研究了Al-Si-C体系中SiCp形貌的演变规律，即随着保温时间的延长，SiCp由六角薄片状逐渐演变成六棱台状，最终演变成不规则的多面体状。晶体结构分析表明，SiC三个晶面的生长速率依次为：V{110}＞V{100}＞V{111}，其平衡晶体形貌为表面自由能较低的六角薄片状，Si与C原子优先沿<110>和<100>晶向进行堆垛，其生长速率较快，而<111>晶向的生长速率最慢，最终被保留下来。 铝熔体中SiCp采用平行层状生长和定向吸附堆垛的机制进行生长。研究了碳质体的尺寸与种类对SiCp形貌的遗传效应，发现碳质体尺寸减小，有助于加快体系的反应速率，使其形貌更趋近于多面体形态；碳质体的形貌能够在一定程度上对合成SiCp形貌产生遗传影响。. 采用碳质体制备出多尺度SiCp增强铝合金复合材料，并测试了其硬度、耐磨性能以及热膨胀性能，提出了多尺度SiCp的协同强化机制。结果发现：热处理态SiCp复合材料在350℃的拉伸强度可达132MPa，提出了原位合成多尺度SiCp增强Al-Si基复合材料的协同强化机制以及高温骨架强化机制。该项研究不仅为新型高强耐热复合材料的设计和研究提供了重要的理论依据，而且原位生成SiCp增强铝合金复合材料为传统发动机活塞和汽缸材料的转型升级提供了直接支持，部分工作实现了成果转化。