鋁基復(fù)合材料

1、鋁基復(fù)合材料及其應(yīng)用鋁基復(fù)合材料之 、綜述 、基體與增強(qiáng)體 、種類及分類 IV、生產(chǎn)工藝 V、結(jié)構(gòu)與性能 VI、應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)基復(fù)合材料的綜述 復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展需求而涌現(xiàn)出的具有強(qiáng)大生命力的材料，它由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料通過(guò)各種工藝手段復(fù)合而成。復(fù)合材料可分為三類： 聚合物基復(fù)合材料（PMCs） 金屬基復(fù)合材料（MMCs） 陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）。金屬基復(fù)合材料常用基體有鋁、鎳、鎂、鈦及其合金。鋁基復(fù)合材料基體鋁有許多特點(diǎn),如質(zhì)量輕、密度小、可塑性好,熔點(diǎn)低制備工藝簡(jiǎn)單。鋁基復(fù)合技術(shù)容易掌握,易于加工，比強(qiáng)度和比剛度高,高溫性能好,更耐疲勞和更耐磨,阻尼性能好,熱膨脹系數(shù)低

2、。同其他復(fù)合材料一樣,它能組合特定的力學(xué)和物理性能,以滿足產(chǎn)品的需要。因此,鋁基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料中最常用的、最重要的材料之一。常見鋁基體工業(yè)純鋁鑄造冶金變形鋁合金（2014、2024、2124等，且不選含Mn Cr的鋁合金，因其產(chǎn)生脆性相 ）粉末冶金變形鋁合金鑄造鋁合金新型鋁合金復(fù)合材料增強(qiáng)基分類： 連續(xù)的和非連續(xù)的纖維、晶須、顆粒。特性： 高強(qiáng)度、高模量、高剛度、抗疲勞、耐熱、耐磨、抗腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)電、導(dǎo)熱以及潤(rùn)濕性、化學(xué)相容性、易加工等。 鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維有硼纖維，碳纖維，碳化硅纖維等。鋁復(fù)合材料的種類與分類鋁合金材料可按增強(qiáng)相，鋁基體及材料特性三方面進(jìn)行分類。按

3、增強(qiáng)體分類： 長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料 混合增強(qiáng)復(fù)合材料 納米復(fù)合材料 層合復(fù)合材料 傾瀉復(fù)合材料 表面復(fù)合材料 鑄造鋁合金基復(fù)合材料 變形鋁合金基復(fù)合材料以鋁基體分類 工業(yè)純鋁基復(fù)合材料 新型鋁合金基復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料以特性分類 功能復(fù)合材料 智能復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料的制造工藝連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制造1 粉末冶金法2 高能-高速固結(jié)工藝3 壓力浸滲鑄造工藝4 液態(tài)金屬攪拌鑄造法粉末冶金法 粉末冶金法是最早用來(lái)制造鋁基復(fù)合材料的方法,是一種比較成熟的工藝方法。采用粉末冶金法時(shí),首先將顆粒增強(qiáng)物和鋁合金粉末用機(jī)械手段均勻混合,進(jìn)行冷壓實(shí),然后加熱除氣,在

4、液相線與固相線之間進(jìn)行真空熱壓燒結(jié),得到復(fù)合材料的坯料,在將坯料進(jìn)行擠壓、軋制、鍛造、拉拔等二次加工就可制成所要的型材零件。 優(yōu)點(diǎn): 可將增強(qiáng)物顆粒和鋁合金粉按任意比例混合,而且混合均勻性好,不會(huì)出現(xiàn)偏析和偏聚,制備的復(fù)合材料機(jī)械性能較高。 缺點(diǎn)： 粉末冶金法制造工藝及裝備復(fù)雜,生產(chǎn)成本高,圖1是粉末冶金法制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的工藝流程圖。高能-高速固結(jié)工藝 這種工藝是在短時(shí)間內(nèi)使陶瓷顆粒和鋁合金粉末的混合物受到高脈沖電流的放電作用后,迅速提高能量,并在較小外力作用下,使之固結(jié)成復(fù)合材料的工藝。 優(yōu)點(diǎn)： 高能量高速度脈沖有利于將冷模中的導(dǎo)電粉體快速加熱到指定溫度,從而控制相變和組織粗化,這

5、是常規(guī)粉末冶金工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。高能-高速固結(jié)工藝可使復(fù)合材料的相對(duì)密度達(dá)95%以上。壓力浸滲工藝 壓力浸滲工藝是先將增強(qiáng)體制成預(yù)制件,再將預(yù)制件放入模具后,以惰性氣體或機(jī)械裝置為壓力媒體將鋁液壓入預(yù)制件的間隙,凝固后即形成復(fù)合材料。 這種工藝簡(jiǎn)單,但預(yù)制件中的氣體不易在凝固前排出而造成氣孔與疏松,同時(shí)預(yù)制件也易產(chǎn)生變形和偏移。液態(tài)金屬攪拌鑄造法 液態(tài)金屬攪拌鑄造法的基本原理是將顆粒增強(qiáng)物直接加入到熔融的鋁合金中,通過(guò)一定方式的攪拌使顆粒均勻地分散在基體熔體中,復(fù)合成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。復(fù)合好的熔體可澆鑄成錠坯、鑄件等使用。這種工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、制造成本低廉。復(fù)合好的鑄錠經(jīng)重熔后,可精密壓

6、成各種型材、管材、棒材等。它是目前最成熟、最具競(jìng)爭(zhēng)力、也是工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料的最主要的方法。鋁合金復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料結(jié)構(gòu) 、用液態(tài)浸漬法制備用液態(tài)浸漬法制備 其鋁基中其鋁基中 無(wú)方向性，無(wú)方向性，表明具有各向異性表明具有各向異性、 用固態(tài)熱壓法制備用固態(tài)熱壓法制備 其鋁基中含有纖維其鋁基中含有纖維 表表明具有較高拉伸強(qiáng)度。明具有較高拉伸強(qiáng)度。 、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料性能1、硼鋁復(fù)合材料特點(diǎn)：有優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度，比強(qiáng)度和比模量高，尺寸穩(wěn)定性好，線膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片非常接近。硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用于航天飛機(jī)主艙體龍骨桁架和支柱 二、短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料特點(diǎn)：在

7、室溫和高溫下的彈性模量有較大的提高，但線膨脹系數(shù)由所下降，耐磨性改善，并具有良好的的導(dǎo)熱性。2、碳鋁復(fù)合材料特點(diǎn)：碳纖維的長(zhǎng)度與直徑比例對(duì)碳鋁復(fù)合材料的性能有很大的影響（當(dāng)長(zhǎng)徑比增大時(shí)，抗拉強(qiáng)度增大，增大到一定值時(shí)，抗拉強(qiáng)度又開始減少）三、晶須和顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料特點(diǎn)：優(yōu)異的性能，制造方法簡(jiǎn)單，增強(qiáng)體主要是碳化硅和氧化鋁。 碳化硅：隨它的含量增加，抗拉強(qiáng)度和彈性模量都增加 氧化鋁：比強(qiáng)度和比剛度高。碳化硅鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用1 、在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用 美國(guó)的Duralcan研制出用SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造汽車制動(dòng)盤,用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄鐵制動(dòng)盤，使其重量減輕了60%40%,而且提高了耐磨性能,噪音

8、明顯減小,摩擦散熱快;同時(shí)該公司還用SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和齒輪箱等汽車零部件,這種汽車活塞比鋁合金活塞具有較高的耐磨性、良好的耐高溫性能和抗咬合性能,同時(shí)熱膨脹系數(shù)更小,導(dǎo)熱性更好。 用SiCp/Al復(fù)合材料制成的汽車齒輪箱在強(qiáng)度和耐磨性方面均比鋁合金齒輪箱有明顯的提高。鋁合金復(fù)合材料也可以用來(lái)制造剎車轉(zhuǎn)子、剎車活塞、剎車墊板、卡鉗等剎車系統(tǒng)元件.上個(gè)世紀(jì)80年代,日本豐田公司成功地用/AlOAl32復(fù)合材料制備了發(fā)動(dòng)機(jī)活塞,與原來(lái)的鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)活塞相比,重量減輕了10%5%,導(dǎo)熱性提高了4倍。2 、在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 Cercast公司采用熔模鑄造工藝研制成A357

9、SiC20%Vol+復(fù)合材料,用該材料代替鈦合金制造直徑達(dá)180mm、重17.3kg的飛機(jī)攝相鏡方向架,使其成本和重量明顯降低, 同時(shí)該復(fù)合材料還可用來(lái)制造衛(wèi)星反動(dòng)輪和方向架的支撐架。 美國(guó)DWA公司用/6061SiC 25%p鋁基復(fù)合材料代替7075制造航空結(jié)構(gòu)的導(dǎo)槽、角材，使其密度下降了17%，模量提高了65%。 鑄造SiC顆粒增強(qiáng)A356和A357復(fù)合材料可以制造飛機(jī)液壓管、直升機(jī)的起落架和閥體等3 、在電子和光學(xué)儀器中的應(yīng)用鋁基復(fù)合材料,特別是SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,由于具有熱膨脹系數(shù)小、密度低、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn),適合于制造電子器材的襯裝材料、散熱片等電子器件。SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材

10、料的熱膨脹系數(shù)完全可以與電子器件材料的熱膨脹相匹配,而且導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能也非常好。IBM公司2004年第2期黃永攀等: 鋁基復(fù)合材料的性能、應(yīng)用及制造工藝就是利用其上述性能，在MCMs器件中使用該種材料封裝和改進(jìn)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使其工作時(shí)產(chǎn)生的熱量迅速擴(kuò)散,提高了元件的有效性。 在精密儀器和光學(xué)儀器的應(yīng)用研究方面,鋁基復(fù)合材料用于制造望遠(yuǎn)鏡的支架和副鏡等部件。 另外鋁基復(fù)合材料還可以制造慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精密零件、旋轉(zhuǎn)掃描鏡、紅外觀測(cè)鏡、激光鏡、激光陀螺儀、反射鏡、鏡子底座和光學(xué)儀器托架等許多精密儀器和光學(xué)儀器4 、在體育用品上的應(yīng)用鋁基復(fù)合材料可以代替木材及金屬材料來(lái)制作網(wǎng)球拍、釣魚竿、高爾夫球桿和滑雪板等。用SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制作的自行車鏈齒輪重量輕、剛度高、不易撓曲變形,性能優(yōu)于鋁合金鏈齒輪發(fā)展趨勢(shì) 采用顆粒增強(qiáng)制備鋁基復(fù)合材料成本相對(duì)較低,原材料資源豐富,制備工藝簡(jiǎn)單。選擇適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)顆粒與基體組合可制備出性能優(yōu)異的復(fù)合材料,具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景?？梢灶A(yù)料