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第卷第期复合材料学报. .
年月Ⅱ
挤压浸渗金属基短纤维复合材料
浸渗压的理论分析及应用

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于思荣何镇明
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吉林工业大学,长春
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摘要本文根据方程及流体力学的基本原理建立了挤压浸渗法制备金属基复合材料的
浸渗压模型,应用该模型对/。复合材料的浸渗过程进行了理论分析。此为指导制出了
性能优良的/复合材料
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前言
短纤维增强金属基复合材料有优良的耐磨、耐热性,是近年来发展较快的一种复合材料,
国内外已成功地将其用于汽车发动机的活塞上“。该复合材料主要采用挤压浸渗法制作,其关
键在于工艺参数的控制。这些参数包括预制块及模具的预热温度,金属液的浇注温度及所加浸
渗压力等。其中浸渗压是个重要参数,压力太小,攫渗不完全;压力太大,则增加设备投资及引
起不必要的能源浪费因此,浸渗压的合理选择对制得结构完整、性能优良的金属基复合材料
有重要意义。
关于浸渗过程的理论分析,近年来已引起国内外复合材料研究者的广泛重视。现有的研究
主要分两大类,一类是根据方程求复合材料的临界浸渗压,不考虑浸渗过程阻力
的影响;一类是对复合材料压力浸渗过程进行动力学分析~ ,忽略了因纤维接触产生的微小
孔隙咆难充填现象。
本文以。。短纤维强化合金复合材料为研究对象,对其浸渗过程所需的压力进
行深入的理论分析,以期对该复合材料的制作提供理论指导。
漫渗过程压力模型的建立
复合材料的加压提渗可分四个步骤:金属液所受压力逐渐升高并开始浸渗预制块;
金属液在预制块中流动;金属液在高压下进一步填充预制块微小孔隙;渗入预制块中的
金属液在压力下凝固形成复合材料。
. 临界浸渗压
临界提渗压指金属液开始提渗预制块时所需的压力,根据方程,对非润湿体系,
车文于年月日收到第次修改稿,年月日收到初稿; 国家自然科学基金资助项目
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复合材料学报第卷
临界浸渗压为:

‘赢走
式中‰为液态金属表面张力;、分别为液体弯月面的两个主曲率半径。
对预制块来说,短纤维呈三维随机取向分布。空隙呈不规则形状,因此有必要求其等价毛
细管半径。
设预制块由根长为、半径为砖的短纤维组成,每根短纤维体积为:
一
预制块总体积为:
,

式中为预制块纤维体积分数。预制块空隙体积与纤维总表面积之比为
。· 一一

如果每根等价毛细管半径为,长为,则根毛细管的体积与表面积之比为:
⋯
一
一
如果二者等价,则一,由此可得等价毛细管半径为:
一

可见,增强剂体积分数越大,预制块越致密,其等价毛细管半径越小。
如果金属液与纤维润湿角为,式中,则临界浸渗压为:

—
外加压力抵消大气压力只有高于,金属液才能渗入预制块。当⋯一定时,随
增大,临界浸渗压增大。
. 金属液在预制块中流动
当金属液开始向预制块中流动后,随浸渗距离的增加,所受阻力也增大。为使问题简化,作
如下假设:
.预制块内有若干平行于浸渗方向的毛细管道,金属液通过这些管道进入预制块见图
。
因预制块