D01:10.133741.ism1001053x.2009.06.001 第31卷第5期 北京科技大学学报 Vol.31 No.5 2009年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2009 A203,A山3Zr颗粒增强A-12%Si基原位复合材料的 高温热膨胀性 李桂荣王宏明赵玉涛 陈刚戴起勋程晓农 江苏大学材料科学与工程学院.镇江212013 摘要以A-12%Si和Z(C03)2作为反应组元，通过原位反应法制备出Ah03,AlZr颗粒增强铝硅基复合材料，通过快速 凝固成型得到铸态试样.用热膨胀仪测试了材料在50~500℃范围内的膨胀位移与温度的关系，进而得出平均线膨胀系数. 结果表明：在同一温度条件下，随颗粒理论体积分数增加，复合材料的平均线膨胀系数减小.温度是影响平均线膨胀系数的重 要因素.当试样温度在50~300℃时，随温度增加，平均线膨胀系数逐渐增加：当试样温度在300~500℃时，随温度增加，平均 线膨胀系数逐渐减小：300C时平均线膨胀系数最大.用Rom,Tume和Kerner模型计算了理论热膨胀系数.比较发现，实测 值更接近Trer模型理论预测值.最后通过界面残余热应力分析指出具有高温低膨胀性的(Al203十AlZr)/A一12%S颗粒 增强铝基复合材料能有效防止材料高温时的塑性变形. 关键词原位复合材料颗粒增强；热膨胀性：计算模型；残余应力 分类号TB331:TG14621 High-temperature thermal expansion properties of Al2O3,Al3 Zr particulate rein- forced Al-12Si in situ matrix composites LI Gui-rong,WANG Hong-ming.ZHAO Yu-tao,CHEN Gang,DAI Qi-xun,CHENG Xiao nong School of Mateials Science and Techndlogy.Jiangsu Uriversity.Zhenjiang 212013.China ABSTRACT Al-12%Si and Zr(CO3)2 were selected as reactive components to synthesize Al203,AlsZr particulate reinforoed Al 12%Si matrix composites.The ascast samples were got via a rapid solidifying method.The relationship between thermal expansion displacement and temperature in the range of 50 to 500 C was tested using a thermal expansion instrument and the av erage linear co- efficient of thermal expansion(ALCTE)was also calculated.The results show that the ALCTE decreases w ith the increase in theo- retical volume fraction of particulates(TV FP)at the same temperature.Meanwhile temperature is an important factor to influence the ALCTE.At 50 to 300C the ALCTE increases gradually with the increase in temperature.while at 300 to 500 C it decreases gradually with the increase in temperature,and the value arrives maximum at 300C.Furthermore the theoretical ALCTE values were calculated with the Rom,Turner and Kerner models individually.The test results of A LCTE are similar to the values fom the Turner model.At last it is conduded by analyzing the residual thermal stress at interfaces that the (AlO3+AlZr)p/AF12%Si com- posite can prevent the materials from plastic deforming at high temperature because of its low thermal expansion. KEY WORDS in situ matrix composites particulate reinforced thermal expansion properties computation model residual thermal stress 颗粒增强铝基复合材料具有优异的综合使用性 相的铝基复合材料广泛应用于耐热领域，其热膨胀 能，广泛应用于航空航天、军事、汽车、电子和体育器 性能是一个重要使用指标，它衡量着材料是否能适 械等领域？.从20世纪80年代初开始，逐渐成为 用于高温工作环境.不管是在电子工业用材料 材料界研究的热点.特别地，高体积分数强化 中，还是在汽车工业中，材料优良耐热、低膨胀性都 收稿日期：200806-13 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(No.207AA032548):江苏省六大人才高蜂”计划资助项目(Na06D021):江苏大学高级专 业人才科研启动基金资助项目(Na07JDC084:教有部科学技术研究重点资助项目(Na207038) 作者简介：李桂荣(1976-），女，副教授，博士，E-maik:whm gr@ujs.cdn.cmAl2O3, Al3Zr 颗粒增强 Al-12 %Si 基原位复合材料的 高温热膨胀性 李桂荣 王宏明 赵玉涛 陈 刚 戴起勋 程晓农 江苏大学材料科学与工程学院, 镇江 212013 摘 要 以 Al-12%Si 和Zr( CO3) 2 作为反应组元, 通过原位反应法制备出Al2O3, Al3Zr 颗粒增强铝硅基复合材料, 通过快速 凝固成型得到铸态试样.用热膨胀仪测试了材料在 50 ～ 500 ℃范围内的膨胀位移与温度的关系, 进而得出平均线膨胀系数. 结果表明:在同一温度条件下, 随颗粒理论体积分数增加, 复合材料的平均线膨胀系数减小.温度是影响平均线膨胀系数的重 要因素.当试样温度在 50 ～ 300 ℃时, 随温度增加, 平均线膨胀系数逐渐增加;当试样温度在300 ～ 500 ℃时, 随温度增加, 平均 线膨胀系数逐渐减小;300 ℃时平均线膨胀系数最大.用 Rom 、Turner 和 Kerner 模型计算了理论热膨胀系数.比较发现, 实测 值更接近 Tur ner 模型理论预测值.最后通过界面残余热应力分析指出具有高温低膨胀性的( Al2O3+Al3Zr) p/ Al-12 %Si 颗粒 增强铝基复合材料能有效防止材料高温时的塑性变形. 关键词 原位复合材料;颗粒增强;热膨胀性;计算模型;残余应力 分类号 TB331 ;TG 146.21 High-temperature thermal expansion properties of Al2O3, Al3Zr particulate rein￾forced Al-12 %Si in situ matrix composites LI Gui-rong, WANG Hong-ming, ZHAO Y u-tao, CHEN Gang, DAI Qi-xun, CHENG Xiao-nong S chool of Materials S cience and Technology, Jiangsu Uni versit y, Zhenjiang 212013, China ABSTRACT Al-12 %Si and Zr( CO3 ) 2 were selected as reactive components to synthesize Al2O3 , Al3Zr particulate reinforced Al- 12 %Si matrix composites.The as-cast samples were go t via a r apid solidifying method.The relationship between thermal expansion displacement and temperature in the rang e of 50 to 500 ℃w as tested using a thermal expansio n instrument and the av erage linear co￾efficient of thermal expansio n ( ALCTE) was also calculated.The results show that the ALCTE decreases w ith the increase in theo￾retical volume fraction of particulates ( TVFP) a t the same temperature.Meanwhile temperature is an important factor to influence the ALCTE .At 50 to 300 ℃ the ALCTE increases gradually w ith the increase in temperature, while at 300 to 500 ℃ it decreases g radually with the increase in temperature, and the value arriv es maximum at 300 ℃.Furthermo re the theoretical ALCTE values w ere calculated with the Rom, Turner and Ker ner mo dels individually.The test results of ALCTE are similar to the values from the Turner model.At last it is concluded by analyzing the residual thermal stress at interfaces that the ( Al2O3 +Al3Zr) p/ Al-12%Si com￾po site can prevent the materials from plastic deforming at high temper ature because of its low thermal ex pansion . KEY WORDS in situ matrix compo sites;particulate reinfo rced;thermal expansion properties;computation model;residual thermal stress 收稿日期:2008-06-13 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目( No .2007AA03Z548) ;江苏省“六大人才高峰”计划资助项目( No.06-D-021) ;江苏大学高级专 业人才科研启动基金资助项目( No.07JDG084) ;教育部科学技术研究重点资助项目( No.207038) 作者简介:李桂荣( 1976—) , 女, 副教授, 博士, E-mail:whm lgr @ujs.edu.cn 颗粒增强铝基复合材料具有优异的综合使用性 能, 广泛应用于航空航天 、军事 、汽车、电子和体育器 械等领域[ 1-2] .从 20 世纪80 年代初开始, 逐渐成为 材料界研究的热点[ 3-4] .特别地, 高体积分数强化 相的铝基复合材料广泛应用于耐热领域, 其热膨胀 性能是一个重要使用指标, 它衡量着材料是否能适 用于高温工作环境[ 5-6] .不管是在电子工业用材料 中, 还是在汽车工业中, 材料优良耐热、低膨胀性都 第 31 卷 第 5 期 2009 年 5 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.5 May 2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.05.001