【摘要】：對于高性能、輕量化材料的迫切需求使傳統(tǒng)的SiC陶瓷和新興的碳納米管增強(qiáng)Al基復(fù)合材料成為研究熱點(diǎn)。采用液相制備工藝時(shí)，增強(qiáng)體與基體間的潤濕性及界面化學(xué)是復(fù)合材料制備的關(guān)鍵因素。盡管很多學(xué)者對Al/SiC體系的潤濕性進(jìn)行過研究，但結(jié)果卻很分散，且他們對該體系真實(shí)潤濕性、潤濕動力學(xué)以及反應(yīng)性等問題所持的觀點(diǎn)也存在分歧。對于Al/碳納米管體系，目前幾乎未有人對其潤濕性進(jìn)行過專門的研究。鑒于此，本文采用先進(jìn)的改良座滴裝置和測試方法，對Al在(0001)單晶α-SiC、碳納米管兩種基板上的潤濕性和界面化學(xué)進(jìn)行了較深入的研究，獲得的主要結(jié)果如下： (1) SiC表面極性對Al/SiC體系的潤濕性及反應(yīng)性有顯著的影響。與熔融Al接觸時(shí)，6H-SiC單晶C終結(jié)面化學(xué)穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于Si終結(jié)面，這可能與兩極性面表面微觀結(jié)構(gòu)存在差異有關(guān)。Al與Si終結(jié)面反應(yīng)非常迅速，，鋪展先受基板表面的去氧化控制，后受Al4C3產(chǎn)物層的生成控制，最終為Al[ Si]([ Si]為界面反應(yīng)生成)熔體在Al4C3產(chǎn)物層上的潤濕，平衡接觸角為56o。C終結(jié)面去氧化相對緩慢，且界面反應(yīng)較微弱，最終(2h)為Al[ Si]熔體在SiC和Al4C3復(fù)合界面上的潤濕，但潤濕性卻好于Si終結(jié)面。 (2)純凈的Al與潔凈(表面無氧化膜)的SiC之間很可能具有很好的潤濕性，尤其是C終結(jié)面，界面上Al4C3的生成不一定真正促進(jìn)了該體系的潤濕。傳統(tǒng)上認(rèn)為Al/SiC體系潤濕性差、界面生成Al4C3促進(jìn)潤濕的觀點(diǎn)在很大程度上是受到了Al和SiC表面存在氧化膜以及界面上Al4C3的快速生成阻礙真實(shí)Al/SiC固/液界面建立的影響。 (3) SiC晶體結(jié)構(gòu)(4H、6H)對Al/SiC體系的潤濕性影響較小。純Al在4H和6H-SiC上的潤濕動力學(xué)及最終潤濕性基本無差異。純Al在多晶SiC和單晶SiC的Si終結(jié)面上的潤濕動力學(xué)過程類似，最終的固/液界面也均為Al[ Si]/Al4C3界面，雖產(chǎn)物層形貌不同，但最終潤濕性相同。 (4)合金元素Si對Al/SiC體系的潤濕性有顯著的影響。對于Si終結(jié)面，Si含量決定了固/液界面性質(zhì)，從而決定最終潤濕性，即當(dāng)Si含量低于臨界含量(完全抑制Al4C3生成的Si含量)時(shí)，添加Si對最終潤濕性無影響；Si含量達(dá)到或超過臨界含量時(shí)，界面反應(yīng)幾乎被完全抑制，同時(shí)潤濕性得到顯著改善。對于C終結(jié)面，添加Si則會惡化該體系最終潤濕性，且Si含量越大惡化作用越大。 (5) Al與碳納米管(CNTs)間的本征潤濕性很差，甚至比Al/多晶石墨體系差，其本征潤濕角大于140o。Al/CNTs體系屬于界面反應(yīng)驅(qū)動潤濕體系，因CNTs穩(wěn)定性高于多晶石墨，Al/CNTs體系界面反應(yīng)比Al/多晶石墨體系更慢，致其鋪展速度慢于后者。Al/CNTs體系反應(yīng)性與CNTs結(jié)構(gòu)完整性密切有關(guān)。與熔融Al接觸時(shí)，高結(jié)晶程度碳管管壁有非常高的穩(wěn)定性，即便溫度高達(dá)1173K，也不易與鋁發(fā)生反應(yīng)或反應(yīng)緩慢。存在結(jié)構(gòu)缺陷的部位穩(wěn)定性則低得多。開口端部在較低溫度(973K)下就會發(fā)生溶解，但溶解速度比較緩慢，短時(shí)間內(nèi)(10min)管狀結(jié)構(gòu)不會嚴(yán)重破壞。而高溫下(T≥1073K)開口端部溶解速度很快，且碳管管壁缺口處(石墨片層不連續(xù))、大曲率彎曲部位易被熔融Al侵蝕，加速碳管管狀結(jié)構(gòu)的破壞。
[Abstract]:The urgent need for high performance and light-weight materials has made the traditional SiC ceramic and the new carbon nanotube-reinforced Al-based composite material become the hot spot. In the process of liquid phase preparation, the wettability and interface chemistry between the reinforcement and the matrix are the key factors in the preparation of the composite. Although many scholars have studied the wettability of the Al/ SiC system, the results are very dispersed, and their views on the real wettability, wetting kinetics and reactivity of the system are different. In the case of the Al/ carbon nanotube system, no special research has been carried out on the wettability of the Al/ carbon nanotube system. In view of this, this paper studies the wettability and interface chemistry of Al in (0001) single-crystal silicon-SiC and carbon nano-tube, and the main results are as follows: (1) The surface polarity of SiC is significant to the wettability and reactivity of the Al/ SiC system. The chemical stability of the C-terminated surface of the 6H-SiC single crystal is much higher than that of the Si-terminated surface when in contact with the molten Al, which may be different from the microstructure of the two-polar surface. 鏈夊叧.Al涓嶴i緇堢粨闈㈠弽搴旈潪甯歌繀閫

本文編號：2357551