鋁基復合材料

1、鋁基復合材料及其應(yīng)用鋁基復合材料之 、綜述 、基體與增強體 、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)展趨勢基復合材料的綜述 復合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學發(fā)展需求而涌現(xiàn)出的具有強大生命力的材料，它由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料通過各種工藝手段復合而成。復合材料可分為三類： 聚合物基復合材料（PMCs） 金屬基復合材料（MMCs） 陶瓷基復合材料（CMCs）。金屬基復合材料常用基體有鋁、鎳、鎂、鈦及其合金。鋁基復合材料基體鋁有許多特點,如質(zhì)量輕、密度小、可塑性好,熔點低制備工藝簡單。鋁基復合技術(shù)容易掌握,易于加工，比強度和比剛度高,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、。同其他復合材料一樣,它能組合特定的力學和物理性能,以滿足產(chǎn)品的需要。因此,鋁基復合材料已成為金屬基復合材料中最常用的、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合材料增強基分類： 連續(xù)的和非連續(xù)的纖維、晶須、顆粒。特性： 高強度、高模量、高剛度、抗疲勞、耐熱、耐磨、抗腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、導電、導熱以及潤濕性、化學相容性、易加工等。 鋁基復合材料的增強纖維有硼纖維，碳纖維，碳化硅纖維等。鋁復合材料的種類與分類鋁合金材料可按增強相，鋁基體及材料特性三方面進行分類。按

3、增強體分類： 長纖維增強復合材料 短纖維增強復合材料 顆粒增強復合材料 混合增強復合材料 納米復合材料 層合復合材料 傾瀉復合材料 表面復合材料 鑄造鋁合金基復合材料 變形鋁合金基復合材料以鋁基體分類 工業(yè)純鋁基復合材料 新型鋁合金基復合材料 結(jié)構(gòu)復合材料以特性分類 功能復合材料 智能復合材料鋁基復合材料的制造工藝連續(xù)纖維增強鋁基復合材料的制造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制造鋁基復合材料的方法,是一種比較成熟的工藝方法。采用粉末冶金法時,首先將顆粒增強物和鋁合金粉末用機械手段均勻混合,進行冷壓實,然后加熱除氣,在

4、液相線與固相線之間進行真空熱壓燒結(jié),得到復合材料的坯料,在將坯料進行擠壓、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: 可將增強物顆粒和鋁合金粉按任意比例混合,而且混合均勻性好,不會出現(xiàn)偏析和偏聚,制備的復合材料機械性能較高。 缺點： 粉末冶金法制造工藝及裝備復雜,生產(chǎn)成本高,圖1是粉末冶金法制備顆粒增強鋁基復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)成復合材料的工藝。 優(yōu)點： 高能量高速度脈沖有利于將冷模中的導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)粉末冶金工藝無法實現(xiàn)的。高能-高速固結(jié)工藝可使復合材料的相對密度達95%以上。壓力浸滲工藝 壓力浸滲工藝是先將增強體制成預(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,凝固后即形成復合材料。 這種工藝簡單,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物直接加入到熔融的鋁合金中,通過一定方式的攪拌使顆粒均勻地分散在基體熔體中,復合成顆粒增強鋁基復合材料。復合好的熔體可澆鑄成錠坯、鑄件等使用。這種工藝簡單、生產(chǎn)效率高、制造成本低廉。復合好的鑄錠經(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。鋁合金復合材料的結(jié)構(gòu)與性能碳纖維增強鋁基復合材料結(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 無方向性，無方向性，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度。明具有較高拉伸強度。 、長纖維增強鋁基復合材料性能1、硼鋁復合材料特點：有優(yōu)異的疲勞強度，比強度和比模量高，尺寸穩(wěn)定性好，線膨脹系數(shù)與半導體芯片非常接近。硼纖維增強鋁基復合材料用于航天飛機主艙體龍骨桁架和支柱 二、短纖維增強鋁基復合材料特點：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，并具有良好的的導熱性。2、碳鋁復合材料特點：碳纖維的長度與直徑比例對碳鋁復合材料的性能有很大的影響（當長徑比增大時，抗拉強度增大，增大到一定值時，抗拉強度又開始減少）三、晶須和顆粒增強鋁基復合材料特點：優(yōu)異的性能，制造方法簡單，增強體主要是碳化硅和氧化鋁。 碳化硅：隨它的含量增加，抗拉強度和彈性模量都增加 氧化鋁：比強度和比剛度高。碳化硅鋁基復合材料的應(yīng)用1 、在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用 美國的Duralcan研制出用SiC顆粒增強鋁基復合材料制造汽車制動盤,用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄鐵制動盤，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;同時該公司還用SiC顆粒增強鋁基復合材料制造了汽車發(fā)動機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,同時熱膨脹系數(shù)更小,導熱性更好。 用SiCp/Al復合材料制成的汽車齒輪箱在強度和耐磨性方面均比鋁合金齒輪箱有明顯的提高。鋁合金復合材料也可以用來制造剎車轉(zhuǎn)子、剎車活塞、剎車墊板、卡鉗等剎車系統(tǒng)元件.上個世紀80年代,日本豐田公司成功地用/AlOAl32復合材料制備了發(fā)動機活塞,與原來的鑄鐵發(fā)動機活塞相比,重量減輕了10%5%,導熱性提高了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+復合材料,用該材料代替鈦合金制造直徑達180mm、重17.3kg的飛機攝相鏡方向架,使其成本和重量明顯降低, 同時該復合材料還可用來制造衛(wèi)星反動輪和方向架的支撐架。 美國DWA公司用/6061SiC 25%p鋁基復合材料代替7075制造航空結(jié)構(gòu)的導槽、角材，使其密度下降了17%，模量提高了65%。 鑄造SiC顆粒增強A356和A357復合材料可以制造飛機液壓管、直升機的起落架和閥體等3 、在電子和光學儀器中的應(yīng)用鋁基復合材料,特別是SiC增強鋁基復合材料,由于具有熱膨脹系數(shù)小、密度低、導熱性能好等優(yōu)點,適合于制造電子器材的襯裝材料、散熱片等電子器件。SiC顆粒增強鋁基復合材

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,而且導電、導熱性能也非常好。IBM公司2004年第2期黃永攀等: 鋁基復合材料的性能、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冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使其工作時產(chǎn)生的熱量迅速擴散,提高了元件的有效性。 在精密儀器和光學儀器的應(yīng)用研究方面,鋁基復合材料用于制造望遠鏡的支架和副鏡等部件。 另外鋁基復合材料還可以制造慣性導航系統(tǒng)的精密零件、旋轉(zhuǎn)掃描鏡、紅外觀測鏡、激光鏡、激光陀螺儀、反射鏡、鏡子底座和光學儀器托架等許多精密儀器和光學儀器4 、在體育用品上的應(yīng)用鋁基復合材料可以代替木材及金屬材料來制作網(wǎng)球拍、釣魚竿、高爾夫球桿和滑雪板等。用SiC顆粒增強鋁基復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 采用顆粒增強制備鋁基復合材料成本相對較低,原材料資源豐富,制備工藝簡單。選擇適當?shù)脑鰪婎w粒與基體組合可制備出性能優(yōu)異的復合材料,具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景?？梢灶A(yù)料