592 北京科技大学学报 第31卷 对设备的稳定运行至关重要刀.例如，作为封装用 物盐类是碳酸锆，表1是碳酸锆的质量指标.碳酸 电子材料，材料热膨胀性能差，将导致材料内部产 锆经烘烤预热后冷却、研磨，筛分得到粒度小于200 生较大热应力，从而使封装壳体开裂，损坏芯片： 目的粉末添加料.同时将铝合金锭在电阻炉中熔 汽车零部件中的活塞，工作环境也在200℃左右，如 化，用氮气作为保护气体，恒温在880℃除气精炼 果热膨胀性能差，将会导致卡缸现象.特别在铸造 后分批加入粉末，加入量分别为5%，10%，15%， 生产中，材料的膨胀性关系到凝固时体积变化，对铸 20%,25%(质量分数)，相应的颗粒理论体积分数 锭还是铸件都很重要，这些参数是合理设计结晶器 (theoretical volume fractions of particles TVFP) 或者铸型及铸件生产中冒口尺寸等的依据9. 表2计算，分别为5.5%，11.0%，165%，22.0%， 对于颗粒增强铝基复合材料热膨胀性能的研 27.5%.用石墨钟罩将粉剂压入熔体，原位反应开 究，目前主要集中在外加法制备的SiC、TB2等颗粒 始，用石墨棒进行机械搅拌，并用便携式测温仪测定 增强的复合材料方面9，而原位制备的Al03, 熔体温度，反应结束后除气、精炼并静置后进行水冷 A3Zr颗粒增强铝基复合材料热膨胀性能的研究尚 铜模快速凝固成型， 未见报道.本文主要利用线膨胀系数来表征固态条 表1碳酸锆的质量指标（质量分数） 件下颗粒增强复合材料的热膨胀性能，探讨不同颗 Table I Qualitative standards of zirconium catbonate 粒理论体积分数、不同温度条件下复合材料热膨胀 ZrCO)SiO,Fe,0 Na,0 AL2O3 S0 性能. ≥99.97≤001≤0002≤001≤0005≤0003≤0001 1实验方法 热膨胀性能测试在WTD一2型热膨胀仪上进 以A一12Si作为基体来制备复合材料，反应 行，图1是装置示意图.试样为圆柱形，长度15mm, 表2颗粒理论质量分数、体积分数的计算方法 Table 2 Calculating method of theoreical volume fractions of particles 反应物 生成物 项目 合计 13Al 3Zr(C03)2 2A203 3A lZr 式(2)中各相物质相 351 633 204 516 对分子质量 物质密度/(gcm一3 268(A-12%Si) 3.98 410 各相质量及总质量 总质量：12十836+设100gA1一12%Si设粉末收得率80%，204X88X5%/351=516X88X5%/351= 256+647=10463g合金，则A188g,Si则加入量：633×88 256g 6.47g 12g.假定参与反应35/80%=19838g 的铝比例为5%，则 剩余铝量836g 质量分数 (83.6+12)×100%/ 不计 256X100%/1046=647×100%310463= 10463=91.37% 244% 618% 各相体积，总体积 总体积：3567+064+(836+12)/268= 不计 256398=064cm3 647/4.1=158cm3 1.58=37.89m3 35.67cm3 各相体积分数 9414% 不计 1.70% 416% 总TVFP 170%+416%=5.86% 注：计算不同铝反应比例时对应各相质量分数、体积分数时只需将铝反应比例10%、15%、20%和25%代入即可.考虑到会有小部分颗粒 在精炼时损失所以总TVFP设定为5.5%（其他类推）. 界面直径65mm,实验温度区间为50~500℃升 石英管 陶瓷管 温速度为5℃min,氮气保护，用石英管校准. 一试样 在不同温度范围内材料的平均线膨胀系数α average liner coefficient of thermal expansion, ALCTE)可由下式计算： 图1铝基复合材料热膨胀系数测试装置示意图 △L Fig.I Schemat ic for testing the coefficient of heat expansion of alu a-LAT (1) minum matrix composi tes 式中，L为试样的原始长度，mm:△T为温度间对设备的稳定运行至关重要 [ 7] .例如, 作为封装用 电子材料, 材料热膨胀性能差, 将导致材料内部产 生较大热应力, 从而使封装壳体开裂, 损坏芯片 ; 汽车零部件中的活塞, 工作环境也在 200 ℃左右, 如 果热膨胀性能差, 将会导致卡缸现象.特别在铸造 生产中, 材料的膨胀性关系到凝固时体积变化, 对铸 锭还是铸件都很重要, 这些参数是合理设计结晶器 或者铸型及铸件生产中冒口尺寸等的依据 [ 8] . 对于颗粒增强铝基复合材料热膨胀性能的研 究, 目前主要集中在外加法制备的 SiC 、TiB2 等颗粒 增强 的复合材料方 面[ 9] , 而 原位制备 的 Al2O3, Al3Zr 颗粒增强铝基复合材料热膨胀性能的研究尚 未见报道 .本文主要利用线膨胀系数来表征固态条 件下颗粒增强复合材料的热膨胀性能, 探讨不同颗 粒理论体积分数 、不同温度条件下复合材料热膨胀 性能 . 1 实验方法 以 Al-12 %Si 作为基体来制备复合材料, 反应 物盐类是碳酸锆, 表 1 是碳酸锆的质量指标 .碳酸 锆经烘烤预热后冷却、研磨, 筛分得到粒度小于 200 目的粉末添加料 .同时将铝合金锭在电阻炉中熔 化, 用氮气作为保护气体, 恒温在 880 ℃, 除气精炼 后分批加入粉末, 加入量分别为 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %(质量分数) , 相应的颗粒理论体积分数 ( theoretical volume fractions of particles, TVFP) 按 表 2 计算, 分别为 5.5 %, 11.0 %, 16.5 %, 22.0 %, 27.5 %.用石墨钟罩将粉剂压入熔体, 原位反应开 始, 用石墨棒进行机械搅拌, 并用便携式测温仪测定 熔体温度, 反应结束后除气 、精炼并静置后进行水冷 铜模快速凝固成型 . 表 1 碳酸锆的质量指标( 质量分数) Table 1 Qualitative standards of zirconium carbonat e % Zr( CO3 ) 2 SiO2 Fe2O3 Na2O TiO2 Al 2O3 SO4 ≥99.97 ≤0.01 ≤0.002 ≤0.01 ≤0.005 ≤0.003 ≤0.001 热膨胀性能测试在 WTD-2 型热膨胀仪上进 行, 图 1 是装置示意图.试样为圆柱形, 长度15 mm, 表 2 颗粒理论质量分数、体积分数的计算方法 Table 2 Calculating method of theoretical volume fractions of particles 项目 合计 反应物 生成物 13Al 3Zr( CO3 ) 2 2Al 2O3 3Al 3Zr 式( 2) 中各相物质相 对分子质量 — 351 633 204 516 物质密度/ ( g·cm -3) — 2.68( Al-12%S i) — 3.98 4.10 各相质量及总质量 总 质量:12 +83.6 + 2.56+6.47=104.63 g 设 100 g Al -12%Si 合金, 则 Al 88 g, Si 12 g, 假 定参与反 应 的铝比例为 5%, 则 剩余铝量 83.6 g 设粉末收得率 80%, 则加入量:633 ×88/ 351/ 80%=198.38 g 204×88×5%/ 351= 2.56 g 516×88×5%/ 351= 6.47 g 质量分数 — ( 83.6+12) ×100%/ 104.63=91.37% 不计 2.56×100%/ 104.63= 2.44% 6.47 ×100%/ 104.63= 6.18% 各相体积、总体积 总体积:35.67+0.64+ 1.58=37.89 cm 3 ( 83.6 +12 )/2.68 = 35.67 cm 3 不计 2.56/ 3.98=0.64 cm 3 6.47/4.1=1.58 cm 3 各相体积分数 — 94.14% 不计 1.70% 4.16% 总 TVFP — — — 1.70 %+4.16%=5.86% — 注:计算不同铝反应比例时对应各相质量分数、体积分数时只需将铝反应比例 10%、15%、20%和 25%代入即可.考虑到会有小部分颗粒 在精炼时损失, 所以总 TVFP 设定为 5.5%( 其他类推) . 图 1 铝基复合材料热膨胀系数测试装置示意图 Fig.1 Schematic f or testing the coeffi cient of heat expansion of alu￾minum matrix composites 界面直径 6.5 mm, 实验温度区间为 50 ～ 500 ℃, 升 温速度为 5 ℃·min -1 , 氮气保护, 用石英管校准 . 在不同温度范围内材料的平均线膨胀系数 α ( average liner coefficient of thermal expansion, ALCTE) 可由下式计算 : α= ΔL L ΔT ( 1) 式中, L 为试样的原始长度, mm ;ΔT 为温度间 · 592 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷