發(fā)布時間：2018-11-25 22:28

【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Al基復合材料成為研究熱點。采用液相制備工藝時，增強體與基體間的潤濕性及界面化學是復合材料制備的關鍵因素。盡管很多學者對Al/SiC體系的潤濕性進行過研究，但結果卻很分散，且他們對該體系真實潤濕性、潤濕動力學以及反應性等問題所持的觀點也存在分歧。對于Al/碳納米管體系，目前幾乎未有人對其潤濕性進行過專門的研究。鑒于此，本文采用先進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進行了較深入的研究，獲得的主要結果如下： (1) SiC表面極性對Al/SiC體系的潤濕性及反應性有顯著的影響。與熔融Al接觸時，6H-SiC單晶C終結面化學穩(wěn)定性遠高于Si終結面，這可能與兩極性面表面微觀結構存在差異有關。Al與Si終結面反應非常迅速，，鋪展先受基板表面的去氧化控制，后受Al4C3產物層的生成控制，最終為Al[ Si]([ Si]為界面反應生成)熔體在Al4C3產物層上的潤濕，平衡接觸角為56o。C終結面去氧化相對緩慢，且界面反應較微弱，最終(2h)為Al[ Si]熔體在SiC和Al4C3復合界面上的潤濕，但潤濕性卻好于Si終結面。 (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終結面，界面上Al4C3的生成不一定真正促進了該體系的潤濕。傳統(tǒng)上認為Al/SiC體系潤濕性差、界面生成Al4C3促進潤濕的觀點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Al/SiC固/液界面建立的影響。 (3) SiC晶體結構(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終結面上的潤濕動力學過程類似，最終的固/液界面也均為Al[ Si]/Al4C3界面，雖產物層形貌不同，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終結面，Si含量決定了固/液界面性質，從而決定最終潤濕性，即當Si含量低于臨界含量(完全抑制Al4C3生成的Si含量)時，添加Si對最終潤濕性無影響；Si含量達到或超過臨界含量時，界面反應幾乎被完全抑制，同時潤濕性得到顯著改善。對于C終結面，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體系屬于界面反應驅動潤濕體系，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體系反應性與CNTs結構完整性密切有關。與熔融Al接觸時，高結晶程度碳管管壁有非常高的穩(wěn)定性，即便溫度高達1173K，也不易與鋁發(fā)生反應或反應緩慢。存在結構缺陷的部位穩(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，短時間內(10min)管狀結構不會嚴重破壞。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，加速碳管管狀結構的破壞。
[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