鋁基碳化硅工件

一、力學特性：高強度與高剛度的平衡

• 高強度與高比強度：
  室溫下抗拉強度可達 300-600 MPa（遠高于純鋁的 100-200 MPa），彈性模量為 100-200 GPa（是純鋁的 2-4 倍），且隨 SiC 含量增加（通常體積分數 10%-60%）顯著提升。密度僅 2.6-3.0 g/cm3，比強度（強度 / 密度）優于多數金屬合金（如鋼、鈦合金），適合輕量化且高承載場景（如無人機機架、汽車傳動軸）。

• 優異的耐磨性與抗疲勞性：
  SiC 增強相硬度極高（莫氏硬度 9.5，僅次于金剛石），可顯著提升材料耐磨性，磨損率僅為純鋁的 1/10-1/50，適合滑動摩擦部件（如發動機活塞、軸承座）。同時，增強相可抑制疲勞裂紋擴展，循環載荷下抗疲勞性能優于基體鋁合金，使用壽命延長 3-5 倍。

• 低膨脹與尺寸穩定性：
  熱膨脹系數（CTE）可通過 SiC 含量調控（通常 4-12×10??/℃），能匹配陶瓷、玻璃等低膨脹材料（如電子封裝中與芯片、陶瓷基板的熱匹配），在溫度變化時尺寸變形小（遠低于純鋁的 23×10??/℃），保證精密部件的穩定性（如雷達天線骨架）。

二、物理與熱學特性：功能適配性突出

• 高熱導率與低導熱各向異性：
  基體鋁的高導熱性（純鋁導熱率 237 W/(m?K)）與 SiC 的良好導熱性（約 200 W/(m?K)）結合，使材料導熱率可達 150-250 W/(m?K)，遠超多數聚合物復合材料，且導熱性能接近各向同性（顆粒增強型），適合需要高效散熱的場景（如 LED 散熱基板、電子芯片封裝殼）。

• 優異的高溫力學穩定性：
  相比純鋁，高溫下（150-300℃）強度衰減更緩慢。例如，含 40% SiC 的 Al/SiC 復合材料在 250℃時抗拉強度仍保持室溫的 70% 以上（純鋁僅為 50% 以下），適合發動機艙等高溫環境部件。

• 低塑性與可控的脆性：
  隨 SiC 含量增加，材料塑性（延伸率）下降，通常延伸率為 0.5%-5%（純鋁可達 20%-40%），呈現 “高強度 - 低塑性” 的特點。但通過優化增強相尺寸（如納米 SiC 顆粒）和分布，可在強度與塑性間取得平衡（如延伸率提升至 5%-10%）。

三、化學與環境特性：耐蝕性與工藝適應性

• 良好的耐腐蝕性：
  基體鋁合金（如 6061、2024）本身具有一定耐蝕性，SiC 增強相化學穩定性高（耐酸、堿及有機溶劑侵蝕），整體耐蝕性優于純鋁（尤其在磨損 - 腐蝕耦合環境中）。

• 可加工性與工藝兼容性：
  可采用鑄造、粉末冶金、攪拌摩擦焊等常規金屬加工工藝制備，適合批量生產。盡管 SiC 增強相硬度高，對刀具磨損較大，但通過專用刀具（如金剛石刀具）可實現精密加工（如銑削、鉆孔），滿足復雜零件成型需求。

• 熱匹配性優異：
  熱膨脹系數可通過 SiC 含量精確調控（如電子封裝領域需匹配硅芯片的 CTE≈4×10??/℃），減少因溫度變化產生的界面應力，提升電子器件可靠性（如 5G 基站功率器件封裝）。

四、功能特性：多場景適配的靈活性

• 功能可調性強：
  通過調整增強相類型（顆粒、晶須、纖維）、尺寸（微米級或納米級）及含量，可定向優化性能。例如：

  • 高 SiC 含量（50%-60%）材料側重高強度、高耐磨性，用于制動盤；

  • 中低含量（20%-40%）材料側重導熱性與低膨脹，用于電子封裝；

  • 納米 SiC 增強材料可兼顧強度與塑性，用于結構件。

  
  

• 電磁屏蔽性：
  鋁基體的導電性賦予材料一定電磁屏蔽能力，可用于需要抗電磁干擾的部件（如軍工電子設備外殼）。

局限性

• 成本較高：SiC 增強相原料及復合工藝（如粉末冶金）成本高于純鋁，限制了部分民用領域的大規模應用。

• 各向異性（纖維增強型）：若采用 SiC 纖維增強，力學性能（強度、導熱性）隨纖維方向呈現明顯各向異性，需通過設計纖維排布優化性能分布。

• 低溫脆性：在 - 50℃以下環境中，塑性進一步下降，可能影響低溫工況下的可靠性。

總結