文摘

内部开发的铋玻璃和 /铝复合材料不同体积分数的SiC颗粒(即60卷。%,65卷。%,70卷。%,75 vol. %)是由真空热压贴合过程。小说的材料可以用于空间镜像。SiCp缩写SiC颗粒。首先, /铝复合材料不同vol. %的SiC颗粒制造用渗透的过程。为了获得一个稳定的键合界面,preoxide层制作在这些复合材料的表面反应的铋玻璃。热膨胀系数(CTE)进行了描述复合材料之间的差异和铋玻璃。铋复合材料和玻璃的密封质量量化使用剪切强度测试。光学显微结构显示,颗粒均匀分布在矩阵。SEM照片表明,顺利生成的氧化层 /铝复合。CTE测试结果表明,较高的复合粒子的vol. %, CTE值越低。剪切强度测试结果披露 /铝复合CTE值有利于获得较低与高强度粘结界面。

1。介绍

航天光学系统的快速发展,越来越多的航空航天研究人员正在他们关注的材料应用于大规模太空镜(1]。作为一种重要的组件用于航天、天基镜子必须满足严格的和轻量级的功能需求,良好的尺寸稳定性,良好的热冲击阻力。此外,这镜子空间环境的可用性主要取决于粘结强度之间的密封质量的基质玻璃和镜子。在过去的几十年中,天基镜子最常用的材料是铍2],Zerodur [3],ULE [4]。这些眼镜通常安装到金属框架(例如,不胀钢或可伐合金)空间的镜子用特殊的胶水(5]。

为了降低成本和重量和增加这面镜子的强度和密封可靠性的玻璃衬底上的镜子, /铝复合材料已被视为候选人(6,7]。作为一个最受欢迎的铝基复合材料(资产管理公司), / Al SiC高体积分数具有polishability高、比强度高,低密度,低的热膨胀系数(CTE)。后准备氧化膜(可以通过使用自然氧化,阳极氧化或等离子体电解氧化过程) /铝复合,这镜子制造复合材料的密封可靠性和眼镜将会增强。在我们之前的研究8),一本小说空间反射镜是由使用预氧铋玻璃密封 /铝复合(70 vol. %原文如此)。这个composite-glass材料的剪切强度达到5.44 MPa是大约高出20%的受欢迎的硼硅酸盐glass-to-Kovar合金嵌缝材料(9]。

化学反应和扩散之间的界面元素铋玻璃和预氧丝 / Al有利于玻璃复合材料的界面性能。此外,CTE值 /铝复合也扮演着重要的角色在玻璃复合的结合。CTE值和氧化层的特征 /铝复合材料碳化硅体积分数相关。

然而,我们所知,很少有作品进行的微观结构之间的关系 /铝复合材料和铋玻璃的粘结特性 /铝复合材料。在这项研究中, 与不同的SiC /铝复合材料体积分数是准备和预氧铋联合与玻璃。CTE,这些复合材料的力学性能也检测评估的应用前景。

2。实验

2.1。制造碳化硅p/铝复合材料和复合材料的预氧化

表1显示了商业6061铝合金的成分作为矩阵的复合。绿碳化硅粉末与三个不同的平均粒径,2μ米,8μ米,128μ米,是由球磨混合过程和用于本研究。图1显示这些SiC颗粒的分布。它表明这些粒子的平均直径约为2μ米,8μ米,128μm。硅胶(由上海三工业有限公司,中国)SiC预成型的粘结剂。多孔碳化硅粒子的维度的Φ75 mm× 40毫米烧结在1600°C 2 h。

表1
6061 - al的化学成分。

图1
碳化硅颗粒的形态和大小分布。

的 与相对较高的碳化硅/铝复合材料体积分数通过渗透的过程。首先,商业6061合金石墨坩埚中熔化在750°C。当熔融铝合金的温度下降到700°C(由热电偶测试),它被钢容器(预热至500年)的液压压机(湖州机床厂,有限公司,中国)。之后,艾尔融化是由液压挤压机和渗透到SiC粗加工。挤压压力均匀地改变从8 MPa 90 MPa在复合材料的凝固过程(持续了大约20分钟)。

在我们的工作中, /铝复合制备了氧化膜在空气中大气在500°C的持有时间300分钟(见细节图2(一个))。表面氧化 /铝复合材料由SEM观察,如图2 (b)。很明显,这个氧化层的厚度约为2.01μm。的上部2O3层是SiCp /铝复合。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
制备氧化膜的高体积分数。(a)的流程准备复合的氧化层和(b)的氧化2O3层表面的复合材料。
2.2。密封的铋玻璃和碳化硅p/铝复合材料

应用程序的内部开发的铋玻璃的航空航天是通过使用试剂级Bi准备的2O3(72.7 wt. %), B2O3(15.0 wt. %),包(10 wt. %),和李2O (2.3 wt. %)如表所示2(8]。铋玻璃融化在石墨坩埚。此后,这种铋玻璃真空热压机结合捏造与四个不同的SiC复合材料体积分数(分别为60%,65%,70%,和75%)。为了精确地把玻璃和复合材料,他们两个都接地和抛光,分别进行真空热压复合过程之前。德国BMT (Breitmeier Messtechnik GmbH)测量粗糙度的测量进行了复合材料和玻璃的抛光面。的 /铝复合材料抛光Ra≈0.15的粗糙度μ米在JP06A单轴研磨抛光机(使用3000目金刚石砂轮),而酸铋玻璃抛光Ra≈0.025的粗糙度μ(使用500网氧化铈研磨)。表面氧化之前,氧化铝SiCp / Al完全被摩擦,抛光和超声波清洗然后呆板乏味。

表2
铋玻璃的化学成分。

扩散焊接结合玻璃和复合材料是由使用真空热压炉(HP-12×12×12)。根据扩散焊接过程的工艺流程如图3,真空度是~ 5×10−4Pa和扩散温度设定在400°C。扩散焊接过程的保持时间被设定为180分钟。原因是材料加热均匀和充分分散的元素。当扩散焊接完成后,结合材料的横截面加工的微观结构观察。


图3
真空热压扩散焊接的工艺流程。
2.3。玻璃和复合材料的热膨胀系数

铋玻璃的密封质量和制造复合材料应变可能恶化的不兼容的接口。受到不同的热膨胀系数(CTE)接口,产生的应变不兼容可能是在冷却过程中在完成密封的过程。因此,CTE值的玻璃和不同体积分数的复合材料制作是必要的。的NETZSCH DIL402PC(工作温度从0 ~ 1400°C)是CTE进行测试。玻璃和装配式复合材料都是加工圆柱形样本的维Φ6毫米×25毫米。自扩散焊接过程是由400°C, CTE值的测试范围设定在25 ~ 400°C的范围。

2.4。密封界面的剪切强度测量

为了知道玻璃/复合界面结合性能,剪切强度测试(基于标准GB / T 12830 - 91)是由英斯特朗3356万能试验机使用。尺寸的圆柱形玻璃Φ75毫米×15毫米的报道完全是捏造事实,密封通过扩散焊接过程 / Al矩阵。名义抗剪强度 可以确定通过测试样品 在哪里 和 的有效承载面积最大剪切和密封的圆柱形样本,分别。的有效承载面积 约为4.41×103米2。

3所示。结果

3.1。XRD分析和识别和显微组织观察

图4显示了x射线衍射模式的铋玻璃、复合矩阵,和捏造 / 6061 al复合。显然,没有顶点显示模式的铋玻璃。它表明,玻璃在融化过程中没有进行结晶和无定形的粉末样品。与基体相比,数量的元素(镁、硅、铁非常低。因此,的强度α过程的峰值比其他人更强的模式复合矩阵。所有的山峰在碳化硅粉末相匹配的模式与标准衍射卡。它也可以发现,相对应的峰值毫克2如果阶段中显示 / 6061 al复合。


图4
x射线衍射模式的铋玻璃、碳化硅粉、6061 al矩阵,编造的 / 6061复合材料。
3.2。微观结构的碳化硅p/ 6061铝复合材料

光学微结构的制作 / 6061 al复合材料用不同体积分数(即60%、65%、70%和75%,分别)碳化硅粒子在图5。很明显,部分地区增援的微观结构与SiC体积分数的增加增加。不同大小的增援显示在这些微观结构,因为使用碳化硅粉的复合材料所制作的中值直径在2μ米,8μ米,128μm。相比之下,图5 (d),数据5(一个),5 (b),5 (c)显示增援的分布相对均匀。小颗粒的聚集现象可以在图中找到5 (d)。的形态 / 6061 al复合的特点是SEM / EDS在图6。很明显,只有少数裂缝揭示边界的大SiC颗粒(直径> 100μ米)。但一些空洞仍然可以找到矩阵和一些地方的边界。显然,小颗粒(直径< 10μ米)分布矩阵和边界的大SiC颗粒(见细节图5)。它可以推断这个空洞导致较低的粒子的聚集中值直径。凝聚粒子的结合是弱于SiC /基体界面的结合性能。它可能会导致在抛光过程中粒子的剥落 / Al接口(10]。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图5
光学显微结构 SiC颗粒/铝复合材料具有不同添加:(a) 60卷。%,(b) 65卷。%,(c) 70卷。75 vol. % %, (d)。
(一)
(一)
(b)
(b)
图6
的形态 / 6061 al复合和6061矩阵。(一)形态矩阵的阶段 / 6061 (b)和艾尔金属间化合物相的矩阵 / 6061 al复合。
3.3。密封界面铋玻璃和碳化硅p/ 6061铝复合材料

图7显示的形态 / Al composite-bismuthate玻璃材料在放大(1000 x)。微观结构可分为三个区域。从微观结构,地区是我 /铝复合揭示了SiC增援和艾尔矩阵。在这个地区,如果元素的浓度高,因为是碳化硅颗粒的均匀分布。区域二世是过渡层,因为Bi元素的浓度逐渐变化的各种距离。地区III是铋玻璃。在这个地区,Si的浓度降低,但Bi元素的浓度是稳定的。此外,它表明,过渡层的厚度(区域2)大约是9μm。这些过渡层的扩散距离是显而易见的 / Al composite-glass材料界面,表明强烈的化学亲和力之间存在玻璃和复合11]。

(一)
(一)
(b)
(b)
图7
界面显微图和x射线线扫描获得的高体积分数 铋/铝和玻璃。
3.4。CTE的碳化硅p铋/铝复合材料和玻璃

CTE值(测试25°C)的铋玻璃和 / 6061复合材料为60%,65%,70%,和75%粒子表中列出3。它表明铋玻璃制成的内部的CTE值接近SiC颗粒的复合材料有不同的分数。然而,CTE值的差异之间的铋玻璃和复合材料,由的象征 在图8的增加,扩大CTE测试温度。与复合材料与SiC分数相对较低(如60% / Al),更大的一部分碳化硅导致较低的 价值。CTE关系75年vol. % /铝复合铝和SiC如图9。特定的值在表4。

表3
铋玻璃和CTE值 / 6061 al复合材料具有不同vol. %(测试25°C)。
表4
CTE值 / 6061 Al复合铝和SiC(测试25°C)。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图8
热膨胀系数比较高的体积分数 / Al(60%, 65%, 70%,和75%)和铋玻璃。

图9
75 vol. %的关系 /铝复合铝和碳化硅。
3.5。抗剪强度铋/复合界面

剪切强度的测试样品的示意图如图10。这些密封铋玻璃的抗剪强度 /铝复合材料样品(60%,65%,70%,和75%)总结在图11,这显示了显著增加的趋势。60%和75%样品的抗剪强度值是4.01和4.23 MPa,分别。当SiC分数 /铝复合材料增加到70%,抗剪强度突然增加到5.34 MPa,高于26%的65% / Al样本。抗剪强度的75% / Al示例5.53 MPa,接近70%的价值 / Al样本。


图10
原理图的剪切强度的测试样本。

图11
抗剪强度的形态 / Al composite-glass材料。

断裂表面的观察有助于披露剪切强度样本的断裂机理。图12(一个)显示样品的断裂表面组装指出复合矩阵的接口。与区域的复合矩阵图12(一个),相应的区域图12 (b)比较大。此外,这个区域在图12 (c)比图吗12 (b)。图12 (d)是捏造的断裂表面的样品密封铋玻璃和75% / Al样本。在这种断裂模式,大部分地区的复合矩阵。SiC复合是卷的内容。60%,vol. % 65%, vol. % 70%, vol. % 75%的数字12(一个),12 (b),12 (c),12 (d),分别。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图12
composite-glass材料的断裂形态。

4所示。结论

铋玻璃和 /铝复合成功密封在500°C -复合后的保持时间600分钟在空气中获得一个半岛2O3层。

线扫描结果表明Bi元素铋玻璃已经扩散到 /铝复合矩阵。

颗粒含量越高,CTE值越低,导致密封界面的结合强度高。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国的国家重大项目(JCKY2016208A002)。所有调查进行的实验室在华南理工大学先进材料加工。