鋁基復合材料的發(fā)展現(xiàn)狀和設(shè)計研究

1、范文范例參考指導鋁基復合材料的發(fā)展現(xiàn)狀與研究摘要：隨著現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對材料的性能要求越來越高，目前，鋁基 復合材料由于其優(yōu)良的性能已經(jīng)成為現(xiàn)時研究的熱點。闡述了鋁基復合材料的基 本性能及應用情況，總結(jié)了近幾年關(guān)于鋁基復合材料的主要研究成果與發(fā)展趨 勢。關(guān)鍵詞：鋁基復合材料，材料性能，研究成果，趨勢Development and progress of aluminiummatrix compositesTang nong-jAbstractW讓h the development of modern manufacturing technology, The material perfor

2、mance requirements more and more high,The development of aluminum matrix composite materials was reviewed with their properties. Espectively in accordance with the classes to which they belong. The fundamental property and application field of aluminum matrix composite were briefly introduced. The m

3、ain research achievements and development were summarized in recent years. Meanwhile, the outlook of its development was put forward.Key wordsaluminium matrix composites,material properties,research findings,trendword格式整理復合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法， 在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。復合材料包括三類：聚合物基復合材 料（PMC）、金屬基

4、復合材料（MMC）和陶瓷基復合材料（CMC）1o在金屬基復合材 料中，鋁基復合材料具有比基體更高的比強度，比模量和低的熱膨脹系數(shù)，尤其是彌散增強的鋁基復合材料不僅具有各向同性特征，鋁基復合材料是以金屬鋁及其合金為基體，以金屬或非金屬顆粒、晶須或纖維為增強相的非均質(zhì)混合物。在金屬基復合材料中占主導地位。而且具有可加工和價格低廉等優(yōu)點。1鋁基復合材料的基本性能鋁基復合材料的結(jié)構(gòu)主要由基體、 增強材料、中間相和界面組成，其性能取 決于基體合金和增強物的特性、含量和分布等。與基體合金相比 ，鋁基復合材料 具有許多優(yōu)良的性能2。1.1 強度、模量與塑性增強體的加入在提高鋁基復合材料強度和模量的同時，降低

5、了塑性。大量研究表明，SiC增強的鋁基復合材料較相應的鋁-硅合金具有較高的強度，并隨著 SiC體積分數(shù)的增大，其強度和模量均有較大程度的提高，而塑性卻降低，且在 SiCp/Al復合材料中加入更為細小的彌散質(zhì)點 A14C3和AI2O3可以明顯提高復合材 料的強度3。另外增強相的加入又賦予材料一些特殊性能4,這樣不同金屬與合 金基體及不同增強體的優(yōu)化組合，就使金屬基復合材料具有各種特殊性能和優(yōu)異 的綜合性能。表1是不同的鋁基復合材料的力學性能。表1不同鋁基復合材料的力學性能Tab.1 The mechanical properties of aluminum matrix composite增強相

6、/基體增強相含量V vol%）拉伸強度/Mpa彈性模量/GPa伸長率（）Al 2O3/Al-1.5Mg20226955.9SiC/Al-4Cu15476922.3SiCp/ZL101203751011.64CF/Al26387121.2 疲勞與斷裂韌性鋁基復合材料的疲勞強度和疲勞壽命一般比基體金屬高，這與剛度及強度的 提高有關(guān)，而斷裂韌性卻下降。影響復合材料疲勞性能和斷裂的主要因素有增強 物與基體的界面結(jié)合狀態(tài)、基體與增強物本身的特性和增強物在基體中的分布等。界面結(jié)合狀態(tài)良好，可以有效地傳遞載荷，并阻止裂紋擴展，提高材料的斷 裂韌性4 0目前對復合材料疲勞斷裂過程的研究分為疲勞裂紋的萌生和擴展

7、兩個 方面?，F(xiàn)有的研究工作在實驗的基礎(chǔ)上得出疲勞裂紋萌生于SiC附近。SiC與鋁合金界面或SiC晶須端部附近的基體中，也觀察到基體中大塊夾雜物破碎導致裂 紋萌生。再者，由于使用的絕大部分顆粒是在加工過程中從大的顆粒上碎裂下來 的，碎裂的顆粒存在于復合材料中， 從而提供了裂紋萌生的位置。裂紋的擴展取 決于裂紋尖端的微結(jié)構(gòu)和宏觀上最大應變方向5 o1.3 熱性能增強體和基體之間的熱膨脹失配在任何復合材料中都難以避免，為了有效降低復合材料的熱膨脹系數(shù)，使其與半導體材料或陶瓷基片保持熱匹配， 常選用低 膨脹的Al-Si合金作為基體和采用不同粒徑的顆粒制備高體積分數(shù)的復合材料。 張強等人5選用粒徑為20

8、和60小的o-SiC顆粒，基體用LD11鋁硅共晶合金， 采用擠壓鑄造的方法實現(xiàn)了 70%的體積分數(shù)。結(jié)果表明，SiCP/Al復合材料的導 熱率達到151W/mC,高于基體的導熱率（基體的導熱率為140W/mC）,并且他 們在等比表面積的基礎(chǔ)上，引入等效顆粒直徑的概念（EMA ） 6,基于EMA方法, 可以較為準確地預測兩種粒徑顆?；旌显鰪婁X基復合材料的導熱率，這為以后進行鋁基復合材料導熱率的研究奠定了基礎(chǔ)。2制備工藝金屬基復合材料的制備工藝較復雜。由于金屬熔點較高，需要在高溫下操作， 同時，不少金屬對增強體表面的潤濕性很差在高溫下很活潑， 易于多種增強體發(fā) 生反應。鋁基復合材料可用固態(tài)擴散法壓

9、制，也可用粉末冶金和鑄造等如下幾種 方法制造。2.1 固態(tài)擴散法這是制造連續(xù)纖維增強鋁基復合材料的傳統(tǒng)方法。這方法主要有二步，第一 步是先把纖維或經(jīng)過預浸處理因而包覆有鋁的復合絲與基體合金的箔片細絲有 規(guī)則地排列和堆疊起來。第二步是通過加熱加壓使他們緊密地擴散結(jié)合成為整 體。為了防止鋁合金在加熱加壓過程中氧化，熱壓必須在真空或保護氣氛下進行。 用固態(tài)擴散法制造的鋁基復合材料往往具有很高的質(zhì)量和性能，如美國特殊材料公司就用本方法制成的SiC連續(xù)纖維鋁基復合材料的工字梁和板材做成一種先 進戰(zhàn)斗機的尾翼，性能良好。但本方法工藝復雜，纖維的排列堆疊要很精細而繁 重的手工操作，熱壓過程又要求很嚴格的工藝

10、參數(shù)控制和環(huán)境條件。所以用這方 法進行生產(chǎn)，難度較大，成本很高，有很大的局限性。2.2 粉末冶金法用粉末冶金法制造鋁基復合材料的工藝過程是這樣的。先將增強物（通常是SiC、AI2O3等材質(zhì)的顆粒、晶須或短纖維）和激冷微晶鋁合金粉用機械手段均勻 混合,進行冷壓實，然后加熱去氣，在液相線與固相線之間進行真空熱壓燒結(jié)，就 得到了復合材料坯料，再將坯料進行熱擠壓等熱壓力加工就可制成所要的零件。 或者取消對混合粉料的熱壓，把混合粉料密封于鋁包套內(nèi)，直接進行熱擠壓，也 可成功地制造出致密的鋁基復合材料7。2.3 熔鑄法熔鑄法制造鋁基復合材料就是把增強物品須或短纖維一顆粒、加入并均勻地 散在熔化的鋁液中，然

11、后澆鑄凝固成形7,這工藝看來簡單，實際上不容易，因通 常非金屬增強物與基體合金性質(zhì)差別很大。往往相互不潤濕，傾向于排斥和分離。 而且二者常有比重差。增強物有在鋁液內(nèi)上浮或下沉的偏析傾向。2.4 反應自生成法反應自生成法分為固態(tài)自生成法和液態(tài)自生成法， 兩者均是在基體中通過反 應生成增強相來增強金屬基體。固相反應自生成法是將預期構(gòu)成增強相的兩種組 分均勻混合。加熱到基體熔點以上溫度，當達到反應溫度時，兩元素發(fā)生放熱反 應，溫度迅速升高，在基體溶液中生成彌散顆粒增強物。 液相反應自生成法是在 基體熔體中加入能反應生成預期增強顆粒的元素或化合物，在一定溫度下發(fā)生反 應，生成細小、彌散、穩(wěn)定的顆粒增強

12、物，形成自生增強鋁基復合材料網(wǎng)。2.5 半固態(tài)攪拌復合制造法金屬熔體的攪拌溫度控制在液相線與固相線之間，在攪拌過程中，將增強物顆粒加入半固態(tài)鋁合金熔體，通過熔體中的金屬粒子把增強物顆粒帶入熔體中。 該工藝優(yōu)點在于通過部分凝固粒子對增強體的分散和捕捉作用，可將潤濕性不好的增強顆粒加入到鋁合金熔體中，并能防止顆粒的聚集和上浮，而使之能均勻分 散9 0此法為目前最成熟最具競爭力也是工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)鋁基復合材料的最主要 的方法。3基復合材料的界面3.1 界面結(jié)構(gòu)、界面反應與性能的關(guān)系界面是連接基體和增強體的橋梁”。金屬基復合材料宏觀性能的好壞在很程 度上取決于基體和增強體之間的界面結(jié)合狀況10 0 一般

13、情況下，隨著反應程度 增加，界面結(jié)合強度亦增加，但由于界面產(chǎn)物多為脆性物質(zhì)，而當界面層達到一 定厚度時，界面上的殘余應力可使界面破壞11。并且過度的界面反應可能損傷纖 維，使其強度降低。3.2 界面的優(yōu)化由前述可知，控制界面反應可以優(yōu)化界面?？刂平缑娣磻姆椒ㄓ性鰪婓w預 處理、基體金屬合金化以及優(yōu)化制備工藝參數(shù)等。優(yōu)化工藝參數(shù)包括對制備的溫度、反應的時問、壓力、氣氛等的控制。過低 的制備溫度導致增強體和基體金屬的界面活性太低，從而不能良好潤濕；而過高的制備溫度會造成過度界面反應的發(fā)生12。對增強體進行預處理可以顯著改善其與金屬基體液的潤濕性，控制過度界面反應的發(fā)生。增強體預處理的方法有很多，如

14、在 SiC表面涂覆一層Ni或Cu；對 從Al 2O3顆粒進行稀土表面改性也可以提高界面潤濕性13,還有研究人員通過對 增強材料進行高溫氧化處理以改善潤濕性，并認為高溫氧化足一種簡單有效的方 法。4鋁基復合材料的現(xiàn)狀近幾十年來，經(jīng)過各國科學家的持續(xù)不斷的努力研究， 鋁基復合材料得到了 異乎尋常的發(fā)展。不僅探索和改進了如上所述的很多制造工藝和設(shè)備，試制出各 種類型的鋁基復合材料，包括連續(xù)纖維增強的和顆粒、晶須、短纖維增強的。而 且在美、日、加拿大等一些發(fā)達國家已投入不同規(guī)模的批量生產(chǎn)，開始作為商品供應市場。并已在航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、運動器材等方面得到應用14 04.1 連續(xù)纖維增強的鋁基復合材

15、料美國Textron特殊材料公司用固態(tài)擴散結(jié)合法制成 SiC連續(xù)纖維增強的鋁基 復合材料，他們的工藝過程是先把SiC連續(xù)纖維纏在滾筒上，再用等離子噴濺的 方法把鋁基合金噴上去，然后把這鋁合金一連續(xù)纖維的復合片堆疊起來進行熱等 靜壓，這樣制成的復合材料性能很高，抗拉強度達到1500MPa以上，楊氏模量達200GPa,密度則僅為2.7克/厘米15,所以深受航空航天工業(yè)的歡迎，以它做 成的工梁和板材已制成戰(zhàn)斗機尾垂，并通過鑒定。4.2 顆粒、晶須或短纖維增強的鋁基復合材料用粉末冶金方法制造這種類型的鋁基復合材料有很多優(yōu)點，從七十年代起就 有美國DWA復合材料專業(yè)公司等開始研制，現(xiàn)在美國的DWA復合材

16、料專業(yè)公司、ARCO化學公司所屬的先進復合材料分公司（ACMC）和INCO公司所屬 Novamet工廠以及英國石油研究中心（British Petroleum Researeh Cente講都已研 制成功，投入生產(chǎn)，初步達到商品化。DWA和ACMC公司都把出產(chǎn)的粉末冶金 鋁基復合材料分為結(jié)構(gòu)材料級、電子材料級、儀表材料級和光學材料級四類。性 能都很優(yōu)良 咒 如ACMC公司生產(chǎn)的SXA結(jié)構(gòu)級材料，30 -35vol%SiC/2024Al 復合材料，抗拉強度達800MPa,屈服強度達690MPa,彈性模量則高于150GPa,都 大大高于基體合金，而密度在2.89g/m左右，熱膨脹系數(shù)約在810x1

17、0-5/C之間， 都低于基體16,很適合用作航空航天的結(jié)構(gòu)材料。4.3 碳管納米增強鋁基復合材料納米材料的尺寸非常細?。?100 nm）,形狀多為規(guī)則的近球狀，因此，在 鋁基復合材料的制備中以納米級顆粒作為增強相，能改善增強相與基體的結(jié)合界面，提高結(jié)合強度，進而提高鋁基復合材料的力學性能和理化性能等。隨著碳納米管（CNTs）的出現(xiàn)和納米晶材料研究的深入，為復合材料性能的進一步提高提供 了一個新的途徑17o CNTs具有極小的尺度及優(yōu)異的力學性能，其封閉中空管狀 結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，并且具有優(yōu)異的力學性能，因此，碳納米管作為一維納 米晶須增強材料在復合材料中具有重要的應用價值。為了滿足航空航天

18、等領(lǐng)域?qū)Σ牧细弑葟姸?、高比模量和耐磨損的要求，將碳管納米用于制備鋁基復合材料，并取得優(yōu)異力學性能，已成為極具潛在應用價 值的復合材料。日本和西歐諸國也正致力于發(fā)展各種類型的鋁基復合材料 18。日本的豐田 汽車公司是最早用浸滲法制造陶瓷短纖維局部增強鋁活塞獲得成功的 ，年產(chǎn)量已 在十萬只以上，這現(xiàn)在仍是受到肯定和在發(fā)展的，同時日本也發(fā)展了粉末冶金和 熔鑄等多種方法。止匕外，西歐的法德等國在這方面的研究和開發(fā)也很活躍19?？梢哉f，在當前這時代，鋁基復合材料正在世界范圍內(nèi)方興未艾地蓬勃發(fā)展。5展望鋁基復合材料兼有鋁合金的低比重和良好的韌性、延展性、導電導熱性。以及陶瓷的高強度、高剛度、高硬度和突出

19、的耐磨性，還有優(yōu)良的高溫性能和熱穩(wěn) 定性。是很理想的結(jié)構(gòu)材料?？v觀國內(nèi)外，對鋁基復合材料的應用研究方面，主 要集中在SiC顆粒增強鋁基復合材料，并且取得很大的成就21。在現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展和技術(shù)水平的高要求下，顆粒增強鋁基復合材料將以其獨特優(yōu)勢在工業(yè)領(lǐng) 域占據(jù)重要位置。但同時也應看到，顆粒增強鋁基復合材料在未來的時間里要取 得更進一步發(fā)展，并列入規(guī)?；a(chǎn)的行列，還需要進行更多的探索和實踐。少 數(shù)國家如美國、日本、加拿大等已進入應用階段，取得了顯著的經(jīng)濟效益。我國 在該領(lǐng)域的研究起步較晚，研究的深度和廣度也很有限22 0相信在不久的將來，鋁基復合材料的制造工藝會更簡單，成本會更低，使用范圍會更

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