机械球磨与烧结联用原位合成Al-Si/SiC纳米复合材料的创新工艺及性能研究

本研究针对传统铝基复合材料中SiC界面结合弱、分布不均等问题，开发了通过Al4C3中间相两步球磨结合低温烧结的原位合成新策略。研究人员采用纯铝、石墨和硅粉为原料，通过机械活化-烧结-二次球磨工艺，成功制备出具有清洁共格界面的SiC纳米颗粒增强Al-Si复合材料。结果表明，24小时球磨后材料硬度达415 HV，较初始值提升25.7%，为航空航天轻量化结构材料提供了可规模化制备的高性能解决方案。

　　

在追求轻量化的航空航天和汽车工业领域，铝基复合材料(AMCs)因其优异的强度重量比备受关注。其中碳化硅(SiC)增强铝硅合金因其高硬度、耐磨损和热稳定性成为研究热点。然而传统工艺面临两大瓶颈：外源添加SiC易产生界面污染导致结合力弱，而直接原位合成又难以控制颗粒尺寸和分布。更棘手的是，高温反应易生成有害的Al₄C₃相，遇水分解会严重损害材料耐久性。如何通过可控工艺获得界面清洁、纳米级分散的SiC增强体，成为突破性能天花板的关键挑战。

为破解这一难题，德黑兰大学的Ali Nourozi团队在《Heliyon》发表创新研究，提出"机械活化-中间相转化"的梯度反应路径。区别于传统直接合成法，该工作巧妙利用Al₄C₃作为反应前驱体，通过三步工艺实现SiC的原位合成：首先将铝粉与5wt%石墨球磨7小时，经750°C烧结生成Al₄C₃；随后与硅粉二次球磨6-24小时；最终在1000°C烧结完成SiC转化。研究采用XRD、SEM-EDS、HRTEM等多尺度表征手段，结合显微硬度测试，系统评估了材料演化规律与性能提升机制。

关键实验技术

研究团队采用高能球磨(350rpm，球料比20:1)实现石墨在铝基体中的纳米级分散，通过差热分析确定750°C/1.5h的优化烧结参数。二次球磨阶段(300rpm，球料比10:1)引入0.18wt%硬脂酸控制冷焊，每1.5小时间歇冷却避免过热。采用1.2GPa冷压成型和氩气保护烧结(1000°C/1h)确保致密化，通过Williamson-Hall方程计算晶粒尺寸和晶格应变演化。

3.1 球磨混合粉末的形貌演变

SEM分析显示，7小时球磨使片状铝粉转变为近球形，石墨颗粒被嵌入铝基体形成紧密复合结构。值得注意的是，XRD未检测到Al₄C₃衍射峰，表明球磨仅实现物理混合而非化学反应。这一发现颠覆了传统认知，证明机械能本身不足引发碳化反应，但为后续烧结储备了足够的活化能。

3.2 烧结诱导的碳化反应

750°C烧结后XRD图谱出现明显Al₄C₃特征峰，碳峰完全消失。热力学计算证实该温度下反应吉布斯自由能ΔG=-172kJ，推动液态铝与石墨生成直径<12μm的棒状Al₄C₃。光学显微镜显示增强相呈典型罗德斯托克分布，为后续SiC转化奠定结构基础。

3.3 硅添加后的机械化学转化

二次球磨18小时后首次检测到SiC衍射峰，HRTEM揭示其具有0.264nm(110)晶面间距的六方结构。随着球磨时间延长至24小时，SiC含量增加使材料硬度呈单调上升趋势，符合Orowan强化机制。特别值得注意的是，球磨产生的晶格畸变（铝晶格应变从0.21%增至0.38%）显著降低了后续反应活化能。

3.4 高温烧结的相变调控

1000°C烧结后Al₄C₃完全转化为SiC，伴随少量Al₂O₃生成。TEM证实SiC纳米颗粒(<100nm)与铝基体形成共格界面，这种"核-壳"结构有效缓解了热膨胀失配问题。最终复合材料硬度达415HV，比常规粉末冶金工艺提升3倍以上，创造了同类材料的性能纪录。

该研究通过"机械活化-中间相转化"的创新路径，实现了三大突破：首先，利用Al₄C₃作为反应媒介，在相对低温下(1000°C)获得纳米级SiC；其次，通过梯度球磨工艺控制颗粒尺寸分布，避免传统方法常见的团聚问题；最重要的是，清洁的相界面使复合材料兼具高强度(硬度415HV)和良好延展性。这种可扩展的制备方法为航空航天制动系统、电子封装散热基板等应用提供了新材料解决方案，同时为其他金属基复合材料的界面设计提供了普适性策略。未来研究可进一步探索SiC多型体(3C/6H)的调控机制，以及该工艺在复杂构件近净成形中的应用潜力。