摘要
摘要
与传统单一材质的材料相比，复合材料具有轻质高强、热稳定性好、对恶
劣工况条件的适应性更好等优势。其中，陶瓷-金属双连续相复合材料作为一种
采用多孔陶瓷为增强相的复合材料，具有耐摩擦磨损、高抗热震性、低热膨胀
系数等特点，特别适合用于耐受瞬时高温冲击的零件。在双连续相复合材料可
选择的诸多增强相组元中，SiC陶瓷作为一种新兴的轻质陶瓷，其密度为
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3.17~3.47g/cm，维氏硬度高达28GPa，仅次于金刚石，具有高耐磨性的同时
还具有导热性与抗氧化性能好，高温下力学性能稳定等特点。未来有望与轻质
铝合金组成复合材料，取代现阶段以钢材为主的传统金属材质摩擦件。然而陶
瓷金属双连续相复合材料的实际应用目前仍然较少，且主要集中在小尺寸工件-
上，在大尺寸工件的应用上还有所欠缺。此外SiC陶瓷作为增强相在使用中亦
存在着润湿性较差的问题。
基于工程实际问题，利用工业级SiC磨料颗粒与多组元矿物烧结助剂制备
了高孔隙率的三维连续SiC多孔陶瓷，并制备了SiC/2A50双连续相复合材料。
随后利用AlO对SiC多孔陶瓷进行表面改性、制备了SiC-AlO复合多孔陶瓷
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预制体与SiC-AlO/2A50双连续相复合材料。在此基础上制备了大尺寸复合多
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孔陶瓷预制环，取代了传统38CrSi钢质耐磨圈，完成了复合材料局部增强2A50
铝合金轮毂整体液态模锻成形实验。制备的铝合金轮毂外形完整，无宏观缺陷，
轮毂本体金属部分的力学性能优异，复合材料部分与轮毂本体的结合牢固致密，
具有良好的热物理稳定性和耐磨损性能。
首先探究了工业级SiC磨料颗粒取代传统球形颗粒作为原料制备SiC多孔
陶瓷的技术方法。针对工业级SiC磨料颗粒难以烧结的特点，设计了多组元矿
物烧结助剂，并利用能量模型对烧结驱动力进行了理论计算，确定了实验的可
行性。在此基础上结合硅溶胶作为高温粘结剂，实现了SiC磨料颗粒的烧结。
利用XRD分析研究了烧结温度对SiC陶瓷微观组织成分与晶格结构的影响，掌
SiC1400℃SiC
握了陶瓷的烧结反应过程。结合后续的力学性能测试，发现时
陶瓷的抗压强度最高，达到了171.2MPa。之后采用有机泡沫浸渍-高温烧结工
艺，成功制备出了兼具宏观与微观孔隙结构的高通量三维连续结构SiC多孔陶
瓷。针对多孔陶瓷的抗压强度进行了研究，实验发现在平均孔隙率为72.77%
的条件下，SiC多孔陶瓷的平均抗压强度仍然达到了26.14MPa。
利用ProCast完成了复合材料预制件液态模锻成形过程的有限元模拟。随
后将SiC多孔陶瓷预制体作为增强相，成功制备了SiC/2A50双连续相复合材料。
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
经过T6热处理后，对复合材料进行了室温摩擦磨损实验与高温热膨胀实验。实
验结果表明，在不同摩擦条件下复合材料的磨损机制不同。当载荷条件为50N、
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摩擦盘转速为0.8m/s时，复合材料的磨损率为1.2×10mm/(N·min)，与38CrSi
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钢相比降低了2×10mm/(N·min)。除此之外SiC多孔陶瓷还显著降低了复合材
料的热膨胀系数与热膨胀率，提高了材料的高温热稳定性，降低了材料的尺寸
失效温度。针对SiC多孔陶瓷在浸渗实验过程中出现的偶发性浸渗不完全现象
进行了AlO表面改性研究，并就摩擦磨损性能与热物理特性两方面进行了对
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照实验，发现经过AlO表面改性后，铝合金熔体对SiC-AlO复合多孔陶瓷的