摘要
摘要
铝基复合材料的性能取决于基体合金和增强物的特性。SiC具有强度高、硬度
高、耐磨性好、热膨胀系数小、热导率大等诸多优异特性，SiC颗粒作为增强体已
被广泛应用于铝基复合材料中。但SiC颗粒也有脆性大、韧性差等局限。SiC纳米
线不仅保持SiC本身的各种优异性能，而且还具有远高于SiC颗粒或者SiC晶须
强韧性。因此，以SiC纳米线作为增强体制备铝复合材料，期待可以获得远高于微
米级增强体的增强效率，获得更优异性能的铝复合材料。
本文以SiC纳米线作为增强体、以1A99、2024、6061和7075四种不同强度
等级的铝合金作为基体，采用压力浸渗法成功地制备SiCnw/Al复合材料，研究了
SiC纳米线体积分数、排布方式、基体强度以及热处理状态对SiCnw/Al力学行为
的影响及强化效果。在此基础上，采用有限元的方法建立了可以模拟和预测
SiCnw/Al复合材料力学性能的微观尺度RVE模型。
研究表明，压力浸渗方法制备的SiCnw/Al复合材料，SiC纳米线在基体中分
布均匀、界面结合良好、没有界面反应。通过在基体合金两相区的热挤压，可以消
除铸态中存在少量的孔洞，致密度可提高至99.9%以上。热挤压变形后SiCnw/Al
复合材料中95%以上SiC纳米线轴向[111]晶向沿着挤压方向定向排列，垂直于挤
压方向的试样的P参数接近1，平行于挤压方向的P参数只有0.03左右。
SiC纳米线可显著提升复合材料的强度，但提高的幅度随SiC纳米线的加入量
的增加而逐渐减小，并不呈线性的增加关系。随着SiC纳米线体积分数增加，挤压
变形过程中SiC纳米线之间的相互干涉交织，导致SiC纳米线的断裂趋势增加。
挤压后三种体积分数(10%、15%和20%)的SiCnw/6061Al复合材料，SiC纳米
线平均长度由原始10–50μm分别降为为9.2μm,8.7μm和7.9μm。SiC纳米线增
强铝基复合材料的强化因子f最高达到283%,强化效率R最高达12，优于SiC颗
粒和晶须增强的铝基复合材料。
SiCnw/Al复合材料的断口扫描，宏观上都呈脆性断裂；而微观上，存在大量
韧窝，也有一些解理台阶，同时具有脆性断裂和塑性断裂的双重特征。SiC纳米线
在复合材料中的断裂方式有三种，直接断裂、从基体中拔出或脱粘。铸态的复合材
料断口SiC纳米线以从基体中拔出和从基体上脱粘为主，经过热挤压，复合材料
的断口主要是SiC纳米线的直接断裂。
本文采用线性强化本构模型，准确模拟了基体大变形过程的真实应力应变响
应；基体断裂模拟采用Bao-Wierzbicki损伤准则，通过延性损伤破坏理论，考虑损
伤因子衡量材料在损伤过程中的强度及刚度退化，准确模拟了基体的弹/塑性应变
-I-
哈尔滨工业大学工程博士学位论文
及断裂过程，模拟数据与真实试验情况相符。SiC纳米线采用Griffith强度准则和
损伤后的刚度衰减，准确模拟了SiC纳米线断裂过程；为SiCnw/Al复合材料设计
提供了理论依据。在此基础上，建立了三维SiCnw/Al复合材料的微观尺度RVE模
型，研究发现Halpin-Tsai模型能够更为准确模拟SiCnw/Al复合材料弹性模量，
Shin修正的剪滞模型能够更准确模拟复合材料屈服强度。
本文利用SiCnw增强铝的高强韧化特性，将SiC纳米线加入到C/Al复合材
f
料层间，使碳纤维的层间形成了SiCnw/Al复合材料，有效地提高了C/Al复合材
f
料层间剪切强度和C/Al复合材料的弯曲强度。并采用这种材料制备了某飞行器精
f
密基座，