AlSi7Mg合金基复合材料中加入SiC颗粒（p）和碳纤维（GCp）后，对其微观结构及热物理性能进行了表征

《Thermochimica Acta》：Microstructure and thermophysical properties characterisation of theAlSi7Mg alloy matrix composite reinforced with SiC p and GC p particles

【字体：大中小】 时间：2026年09月12日 来源：Thermochimica Acta 3.6

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　　摘要本文介绍了基于铝硅合金（EN-AC 42,200 AlSi7Mg0.6）的铸造金属复合材料的微观结构和热物理性能的研究结果。该复合材料采用碳化硅粒子（SiCp）和玻璃态碳粒子（GCp）的混合物作为混合增强材料。通过扫描电子显微镜（SEM, EDS）方法对增强材料的分布进行了微

摘要

本文介绍了基于铝硅合金（EN-AC 42,200 AlSi7Mg0.6）的铸造金属复合材料的微观结构和热物理性能的研究结果。该复合材料采用碳化硅粒子（SiC_p）和玻璃态碳粒子（GC_p）的混合物作为混合增强材料。通过扫描电子显微镜（SEM, EDS）方法对增强材料的分布进行了微观结构观察。热物理性能的研究包括使用差示扫描量热法（DSC）测定比热容、通过推杆膨胀法测定线性热膨胀系数，以及利用激光闪蒸分析法测定热扩散率。根据获得的参数和估计的复合材料密度，计算了其热导率。此外，还通过三点弯曲法进行了动态力学分析（DMA），以进一步表征材料的性能。测试所用的频率分别为0.1、1和10 Hz。研究结果不仅提供了这种新型合金的热物理数据，还揭示了综合考虑各性质之间相互关系的综合数据分析方法的优势。

引言

基于铝合金的金属基复合材料（MMCs）由于具有低密度（约2.7 g/cm3）、高强度、良好的耐腐蚀性、高热导率以及优异的铸造性和可加工性，成为最重要的轻质工程材料之一。通过添加不同的增强相，可以调整其机械性能、摩擦学性能和热物理性能，以满足先进工程应用的需求[1]。例如，碳化硅（SiC）或氧化铝（Al₂O₃）等陶瓷增强材料可以有效提高铝硅合金的硬度、耐磨性、刚度和抗蠕变性[[2], [3], [4]]。然而，这些材料的相对较高脆性和硬度可能导致金属基体的二次磨损[5]。相反，石墨等碳质增强材料由于其自润滑特性可以降低摩擦系数[6]。最近的研究还表明，纳米级陶瓷增强材料以及先进的混合增强概念（如纳米陶瓷颗粒与高熵合金相的结合）能够显著提升铝基复合材料的机械性能[[7], [8], [9]]。铝合金基复合材料（AlMCs）应用于汽车工业（如连杆、气缸套、刹车盘[7]）和航空航天领域（如机体部件、旋翼[10,11]）。

特别值得关注的一类AlMCs是混合铝基复合材料（HAlMCs），这类复合材料包含至少两种增强相。与单一增强类型的材料相比，HAlMCs的主要优势在于能够实现增强效果和润滑效果的协同作用[12,13]，例如通过使用碳化硅（SiC_p）和石墨（GR_p）或玻璃态碳（GC_p）颗粒[14]。HAlMCs可通过粉末冶金工艺（固态烧结）或搅拌铸造法（液态技术）生产，实际应用包括活塞、发动机缸体和套筒[[15], [16], [17]]。

现有文献主要关注复合材料的制造技术、机械性能（尤其是摩擦学性能）的评估以及微观结构分析。关于AlMCs的热物理性能研究主要集中在热导率和热膨胀系数的测定[8,[18], [19], [20]]。然而，关于密度、热膨胀系数、热扩散率、比热容与热导率之间关系的信息相对较少[21]。

在本研究中，采用了综合实验方法对铸造状态下添加了SiC_p和GC_p增强的AlSi7Mg合金复合材料的热物理性能进行了表征，特别关注了首次加热循环和热历史对测量结果的影响。测量内容包括称重、膨胀、热扩散、量热以及动态力学分析，热导率则是根据实验获得的热物理数据计算得出的。大多数测量是在两个连续的加热-冷却循环中进行的，具有较高的温度分辨率，从而能够评估测量参数的重复性和热稳定性，并识别复合材料中发生的温度诱导变化。这些全面的实验数据还使得分析各热物理参数及其对热传输的综合影响成为可能，从而更全面地理解了HAlMCs的热导率机制。

部分摘要

材料表征与样品制备

本研究针对一种混合复合材料（AlSi7Mg/SiC_p+GC_p）进行了热物理性能研究，其中增强材料由尺寸约为40 μm、形状不规则的碳化硅（SiC_p）颗粒和尺寸约为90 μm、形状规则的玻璃态碳（GC_p）颗粒组成。基体材料为AlSi7Mg（EN AC 42,200，AlSi7Mg0.6）铝合金（见图1）。陶瓷颗粒的总体积分数为10%，其中7%来自...

热物理研究方法

热物理测试在空军技术学院和军事技术大学的实验室进行。

所有样品的称重测量（见图6）均使用Mettler-Toledo公司的AT261 Delta Range分析微天平完成，其分辨率为0.01 mg。该天平配备了密度测量附件，用于在室温下测定AlSi7Mg/SiC_p+GC_p复合材料的密度ρ₀=ρ(T₀)，其中T₀表示...

称重测量

每个样品共进行了五次单独的称重测量（见图6）。测量温度分别为：20.5 °C；21.0 °C（两次测量）；21.3 °C（两次测量）。密度计算结果的算术平均值及标准偏差见表3。AlSiMg/SiC_p+GC_p复合材料的参考密度值是根据各组分的体积分数加权密度估算得出的，即依据混合规则计算的。

讨论

对比上述定量测量数据可以看出，这些结果相互补充，不仅有助于确定热导率，还证实了一些定性现象。特别是200 °C以上发生的不可逆变化得到了验证。在这种情况下，差示扫描量热法（DSC）、动态力学分析（DMA）和膨胀测量的结果是一致的。这种现象可能是由于所测试材料的基体特性所致...

总结

本研究采用互补的热物理技术对混合金属基复合材料进行了综合多参数表征，特别关注了首次加热循环和热历史对测量性能的影响。热物理和热力学性能的研究结合了其微观结构的观察。所研究的复合材料微观结构基于AlSi7Mg铝合金基体...

资助

本研究由空军技术学院的科研资金资助。

原创性声明

本手稿是原创的，尚未在其他地方发表，也未被其他机构考虑出版。所有作者均已批准手稿的最终版本。

CRediT作者贡献声明

Andrzej Jaros?aw Panas：撰写、审稿与编辑、验证、方法论设计。Anna Krupińska：监督、研究工作。Krzysztof ??czycki：初稿撰写、可视化处理、形式分析、数据整理。Maciej Starczewski：研究工作。Anna Janina Dolata：审稿与编辑、验证、概念化。Maciej Dyzia：资源协调。

波兰华沙Ksi?cia Boles?awa 6号，空军技术学院飞机与直升机部门

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