以鋁合金為基體復合材料的發(fā)展現(xiàn)狀及其應用

關于以鋁合金為基體復合材料的發(fā)展現(xiàn)狀及其應用第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁基復合材料概述·復合材料是應現(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）。金屬基復合材料基體主要是鋁、鎳、鎂、鈦等。鋁在制作復合材料上有許多特點,如質量輕、密度小、可塑性好,鋁基復合技術容易掌握,易于加工等。此外,鋁基復合材料比強度和比剛度高,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。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。按照增強體的不同,鋁基復合材料可分為顆粒增強鋁基復合材料，纖維增強鋁基復合材料和晶須增強鋁基復合材料。第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月SiC顆粒增強鋁合金復合材料

航天航空工業(yè)的高速發(fā)展為金屬基復合材料的發(fā)展提供了動力。近年來,對重量輕,強度高,剛度大材料的需求使其應用擴大到包括汽車工業(yè)的民用領域。在金屬基復合材料中,增強相一般為熔點高,彈性模量大,比剛度大的陶瓷,如SiC,AI2O3。其可以是連續(xù)纖維方向性分布,以制備大體積分數(shù)增強相的復合材料,也可以是短纖維,晶須或顆粒隨機分布形成各向同性的低體積分數(shù)強化相的復合材料?；w的選擇必須保證在復合材料制備過程和使用條件下,陶瓷增強相的穩(wěn)定性,一般為輕金屬鋁、鎂、鈦、等及其合金。由于顆粒增強鋁合金復合材料性能好,價格低廉,對制備設施要求不很高,還能像鋁合金那樣制成各種型材,板材和箔材。因而受到廣泛的關注和研究。第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月顆粒增強金屬基復合材料可以通過多種方法制備‘。其中最常用的是固態(tài)法,與熔鑄法等其它方法相比,固態(tài)法具有制備溫度較低,增強相基體之間界面反應少,且增強相比例可以任意調整等優(yōu)點。下面主要介紹用粉末冶金法制備SiC顆粒增強鋁合金基復合材料。制備方法第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月表3是兩種交合材料及對應基體合金在常溫下的拉伸性能和硬度測試數(shù)據(jù),從試驗結果可以看出,SiC顆粒加入可以使基體的彈性模量增加約20%以上,布氏硬度增加1/3以上。在LD31(AL-SI-Mg）基復合材料中,SiC顆粒加入使基體抗拉強度提高,而在LY12（Al-Cu-Mg）基中,則使其抗拉強度下降。第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月綜上所述，對SiC顆粒增強鋁合金復合材料有以下兩點結論：復合材料的強度得到明顯提高。強化效果主要取決于增強體類型、含量,以及基體合金類型、材料的熱處理狀態(tài)等。增強體在基體中的分布均勻性也是影響復合材料強度的重要因素,增強體偏聚團是材料受載時的裂紋源,并加快裂紋擴展。另外,材料不同制備工藝產生的基體微觀結構差異也會影響材料強度,如基體中亞晶粒大小、位錯等。顆粒增強鋁合金基復合材料的最大缺點是延伸率低。第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月顆粒增強鋁基復合材料的應用1在航空領域美國BellHelicopterTextron，Inc．與Boing合作，采用40%SiCp/A206復合材料生產V－22直升機的液壓導管(多向接頭)，美國BoingMilitaryAircraftandMissileSystems采用DWA公司15．5%SiCp/2009復合材料生產美國海軍F/A－18－E/F飛機落地起落架的液壓部件，采用40%SiCp/A206復合材料生產AC130Ugunship的彈藥支架，采用DWA公司17．5%SiCp/6092復合材料坯錠經熱擠壓生產Boing777PrattandWhitney4000系列發(fā)動機導流葉片(長610mm、寬140～190mm)，替代樹脂基復合材料，服役壽命提高300%，降低了維護成本。第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月2在航天方面顆粒增強鋁基復合材料在火箭、導彈和衛(wèi)星等航天器上應用，受保密限制的影響，直接公開報道較少，多數(shù)報道停留在試制應用與演示驗證研究階段。英國heDefenceEvaluationResearchAgency(DERA)和MatraBaeDynamicsUKLtd在英國國防部的支持下，聯(lián)合開展了導彈彈翼用耐短時高溫顆粒增強鋁基復合材料的研究與評價，目標是開發(fā)出導彈用輕質耐熱鋁基復合材料結構件;采用顆粒增強鋁基復合材料替代40%Cf/6061Al復合材料用于哈勃望遠鏡天線展開機構支撐桿;作為結構材料或結構－功能一體化材料，顆粒增強鋁基復合材料在衛(wèi)星有效載荷光學反射鏡鏡坯及支撐桿等部件上取得了應用。，據(jù)1999年歐洲BCC組織不完全統(tǒng)計表明，金屬基復合材料的用量達2500t中，在航空航天及軍工領域用量達到137t，其中僅在美國采用粉末冶金法制備的、應用于航空航天領域的顆粒增強鋁基復合材料質量達50t。第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3在核能領域先進國家的核反應堆采用DWATechnologies，Inc．生產的BORTEC#B4Cp/Al復合材料和Ceradyne，Inc．生產的BORAL#B4Cp/Al復合材料制造核廢料處理容器。4在電子領域美國Motorola，IncSemiconductorProductsSector采用dmc2ElectronicComponents公司的SiCp/Al復合材料應用于衛(wèi)星電子基片、散熱基片，PCC、CeramicsProcessSystems、LEC等多家公司研制生產封裝、導熱材料，應用量較大。第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月面對未來高技術領域的更高要求以及各種新材料的取代性競爭，顆粒增強鋁基復合材料仍需要不斷的提高和發(fā)展，面臨的創(chuàng)新性研究工作包括:(1)降低成本。針對復合材料坯錠和零部件加工成本高，開展復合材料低成本化技術研究，包括選用低成本的增強體;選擇低成本的復合制備工藝;開發(fā)零件近凈成形工藝;研究高效精密機加工工藝、焊接工藝;發(fā)展功能梯度復合材料;(2)提升材料綜合性能。通過研究微觀組織結構與性能之間的關系、提高顆粒與基體之間的界面結合、調控顆粒粒度、優(yōu)化二次加工技術等措施，進一步提高復合材料的強度、耐磨性、耐高溫性能、塑韌性、疲勞性能等;(3)擴大復合材料應用。顆粒增強鋁基復合材料國內研究現(xiàn)狀我國對金屬基復合材料的研究和發(fā)展非常重視，國家“863”計劃將金屬基復合材料作為新材料的一個重點予以支持。第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月在顆粒增強鋁基復合材料的制備技術、組織性能、應用研究等方面的研究工作取得了突破性進展。國內以碳化硅顆粒增強鋁基復合材料體系為主，圍繞界面與組織控制、顆粒分布均勻性等關鍵問題，開發(fā)了粉末冶金、攪拌鑄造、壓力浸滲和無壓浸滲等制備方法，制備的復合材料性能達到了國際先進水平。第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月圍繞顆粒增強鋁基復合材料的應用技術，從材料性能、坯錠制備能力、構件塑性變形、零件精密加工到應用試驗等顆粒增強鋁基復合材料大尺寸復雜結構件研制全流程取得了重大突破，解決了有無問題，但距離工程化應用仍然存在成本高、制造效率低、可靠性與穩(wěn)定性有待提高等新材料實用化過程中面臨的共性問題，為此，需要攻關大尺寸、復雜形狀顆粒增強鋁基復合材料結構件低成本、高效率制備技術，突破構件的近終成型;大尺寸顆粒增強鋁基復合材料及結構件的可靠性控制技術;大尺寸、復雜形狀顆粒增強鋁基復合材料結構件高效精密制造技術，實現(xiàn)多項典型應用，把顆粒增強鋁基復合材料發(fā)展成為一種航空航天領域用主體材料。研究展望第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月纖維增強鋁基復合材料以其高的比強度、比剛度、軸向拉伸強度和耐磨性,優(yōu)異的耐高溫性能和低的熱膨脹系數(shù),良好的導電、導熱性、抗疲勞性和潮濕或輻射環(huán)境下良好的尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點,已在航天航空、汽車、機械電子等領域作為高強度耐高溫材料,顯示出巨大的應用潛力[1-6]。復合材料研究者圍繞鋁基復合材料加工溫度高、制造工藝復雜、性能波動大、成本高等主要問題進行了大量的研究工作,如何有效地利用高性能纖維高的軸向強度和彈性模量,強化密度小、強韌性和抗腐蝕性能優(yōu)異的鋁及鋁合金基體,以獲得高比強度、高比彈性模量和高溫性能優(yōu)異的輕質高強度復合材料,是纖維增強鋁基復合材料目前的研究重點。纖維增強鋁基復合材料

第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月纖維增強體的制備纖維增強鋁基復合材料的性能在很大程度上取決于纖維的性能。鋁基復合材料的制備在高溫下完成,增強纖維應具有高的比強度、比彈性模量和優(yōu)異的耐高溫性能。纖維增強鋁基復合材料的增強纖維主要有碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維等[7-9]。1.硼纖維硼纖維是最早用于高性能復合材料的增強纖維,具有彈性模量高、與金屬基體之間的潤濕性較好且反應性較低、纖維直徑較大等特點。硼纖維一般采用CVD方法在氫氣氛中將硼氣相沉積在已加熱的鎢纖維或碳纖維芯材上而制成的。硼纖維因其直徑較大,制成復合材料時在纖維的縱向容易斷裂,制造成本相當高。2.碳纖維第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月碳纖維是將有機纖維燒結后得到的一種含碳量在90%以上的纖維[8]。碳纖維質輕而強度高,具有良好的潤滑及耐磨性能,其價格約為硼纖維的十分之一。碳纖維的制備包括原料纖維制造、纖維穩(wěn)定處理和高溫碳化及石墨化燒結等工藝過程。常用的碳纖維有PAN類、瀝青類和人造絲類。其中PAN類碳纖維性能較好,但價格較高,主要用于對材料性能要求極高的航空航天領域。3.碳化硅纖維碳化硅纖維因其高的抗拉強度和彈性模量、良好的高溫強度和耐熱性、與金屬間潤濕性極好且纖維直徑小等優(yōu)點,完全有可能滿足2000e耐溫性能的要求[10]。碳化硅纖維的制備方法主要有兩種:一是利用CAD方法將碳化硅沉積在鎢絲或碳纖維表面以得到碳化硅纖維;二是以有機硅化合物為原料,經過熱處理和燒結后而獲得碳化硅連續(xù)纖維。第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.氧化鋁纖維氧化鋁纖維一般指以Al2O3為主要成分、含有SiO2或B2O3的A-Al2O3連續(xù)纖維或C-Al2O3連續(xù)纖維。與碳纖維相比,氧化鋁纖維的強度略低,但它具有優(yōu)良的高溫力學性能和抗蝕性能、優(yōu)異的電絕緣性和高溫穩(wěn)定性。氧化鋁纖維的制備多采用泥漿法和溶膠法。第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月纖維增強鋁基復合材料的制造方法為獲得無纖維損傷、無空隙、高性能的致密復合材料,必須考慮增強纖維與鋁及鋁合金間的潤濕性好壞和反應性大小、增強纖維的分布狀態(tài)和高溫下的損傷老化程度及界面穩(wěn)定性等。纖維增強鋁基復合材料的制造方法主要有熔融浸潤法、加壓鑄造法、擴散粘接法和粉末冶金法等。熔融浸潤法此法是用液態(tài)鋁及鋁合金浸潤纖維束,或將纖維束通過液態(tài)鋁及鋁合金熔池,使每根纖維被熔融金屬潤濕后除去多余的金屬面得到復合絲,再經擠壓而制得復合材料。其缺點是當纖維很容易被浸潤時,熔融鋁及鋁合金可能會對纖維性能造成損傷。第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月加壓鑄造法該法是使熔融鋁及鋁合金強制壓入內置纖維預制件的固定模腔,壓力一直施加到凝固結束。加壓鑄造法因高壓改善了金屬熔體的浸潤性,所制得復合材料的增強纖維與鋁及鋁合金間的反應最小,沒有孔隙和縮孔等常規(guī)鑄造缺陷。擴散粘接法擴散粘接法主要是指鋁箔與經表面處理后浸潤鋁液的纖維絲或復合絲或單層板按規(guī)定的次序疊層,在真空或惰性氣體條件下經高溫加壓擴散粘接成型以得到鋁基復合材料的制造方法。粉末冶金法此方法是采用等離子噴濺法在排列好的增強纖維上噴涂金第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月屬鋁粉,或把金屬鋁粉分散在丙烯酸樹脂(或聚苯乙烯樹脂)上,制成預浸板,將其交替重疊后在真空或氬氣中,在接近鋁熔點溫度下加壓燒結以獲得纖維增強鋁基復合材料。第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月纖維增強鋁基復合材料（FRAMC）應用3.1在宇航中的應用宇航是應用鋁基復合材料最早的一個領域。美國的NASA（國家航空和宇宙航行局）在1981年已將硼纖維增強鋁合金復合材料用于制造航天飛機中部20m長的貨艙架。碳纖維增強鋁基復合材料，現(xiàn)已成為制造衛(wèi)星、航天飛機等構件的理想材料。用C/Al復合材料制成的導航系統(tǒng)和航天天線，可有效的提高其精度;用碳纖維增強鋁基復合材料制成的衛(wèi)星拋物面天線骨架，熱膨脹系數(shù)低，導熱性好，可在較大溫度范圍內保持其尺寸穩(wěn)定，使衛(wèi)星拋物面天線的增益效率提高4倍。DWA公司用石墨纖維增強鋁基復合材料為NASA和Lockheed公司制造衛(wèi)星上的波導管。復合材料波導管不但軸向剛度高、膨脹系數(shù)低、導電性能好，而且比原用石墨/環(huán)氧-鋁層復合制成的波導管還輕30%。第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2在航空中的應用鋁基復合材料的高的比強度、比模量、良好的疲勞性能以及低的密度等優(yōu)異性能，一直是航空材料研究人員和飛機制造商所追求的目標。美國NASA的Lewis研究中心用B/Al復合材料制造的發(fā)動機風扇葉片與鈦合金的葉片相比，質量輕，剛性高，工作時的離心力小，葉尖速度高，改善了發(fā)動機的氣動效率，在F-100發(fā)動機（用于F-15和F-16戰(zhàn)斗機）上通過了試驗。前西德的DFVLR（航空航天研究試驗院）在20世紀70年代就對B/Al葉片進行了研究，用于高性能噴氣發(fā)動機中。前蘇聯(lián)航空材料研究所已對鋁基復合材料進行了多年研究，并把硼纖維增強鋁基復合材料用于飛機機體結構上，在提高可靠性的同時，零件質量可減輕25%～40%。日本也在小型民用飛機中使用了長纖維增強鋁基復合材料。第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.在兵器武裝中的應用近十年來，纖維價格的降低和擠壓鑄造、真空吸鑄、真空壓滲等復合工藝的出現(xiàn)，使復合材料有可能用于大批量的常規(guī)兵器中。纖維增強鋁基復合材料因其良好的綜合性能，在兵器中的應用已越來越廣。美國陸軍早在20世紀70年代末期就對A12O3/A206復合材料制造履帶板進行了研究，通過采用復合材料制造履帶板可使其質量從鑄鋼的544～680kg下降到272～362kg，減輕近50%。美國海軍地面武器中心把SiC/Al復合材料用于船舶結構體和艙板，還打算將這種材料用于多種水下工程以及魚雷、水雷的外殼。用碳化硅纖維增強鋁合金復合材料制成的跨度為30m的舟橋，質量只有5t，剛度比鋁合金的高30%。隨著價格和技術問題的不斷解決，此類材料在兵器領域中的應用將會更加廣闊。第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4在汽車零部件中的應用纖維增強鋁基復合材料在汽車上的應用是從短纖維增強材料的成功應用開始的。因為纖維增強鋁基復合材料的熱傳導性較好，尚可降低活塞頂部的溫度。1983年日本豐田汽車公司研制了氧化鋁短纖維局部增強鋁活塞，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通鋁活塞。目前的Art金屬公司采用他們的常規(guī)擠壓鑄造生產法，每月生產10萬件增強活塞裝配在豐田轎車柴油發(fā)動機上。由于代替了更昂貴的高鎳鑄件鑲圈，在這一用途中并沒有增加成本。連桿是汽車發(fā)動機中繼活塞之后第二個成功的應用纖維增強鋁基復合材料的例子。美國杜邦公司和本田公司合作制造了多種氧化鋁纖維及碳化硅纖維增強的鋁基復合材料連桿，其質量比鋼質連桿減輕35%～50%，并已成功應用在本田公司的試驗車FX-1上及意大利Fiat生產的高級賽車上。第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月纖維增強鋁基復合材料面臨的問題與展望經過近幾十年的努力和探索，纖維增強鋁基復合材料在基礎理論、制備工藝、性能水平等方面都有了很大的進步，并且率先在宇航、航空和兵器中得到應用，在民用工業(yè)中的應用也日漸增多。盡管它的性能優(yōu)于鋼鐵，卻沒有被普遍使用，主要是由于纖維增強鋁基復合材料不但增強纖維價格昂貴，而且制造工藝獨特、成本高。因此，為了進一步推廣纖維增強鋁基復合材料的應用，必須努力降低成本。同時還要對纖維表面涂層技術、合金元素對于界面穩(wěn)定性和結構的影響，以及纖維增強體與鋁及鋁合金基體的界面結合強度對材料性能的影響等問題進一步展開研究。相信隨著科學技術的發(fā)展，纖維增強鋁基復合材料將日臻完善和成熟，必將為人類文明的進步做出應有貢獻。第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月晶須增強鋁基復合材料晶須是指無缺陷(也就是在生長軸上只存在一個螺型位錯)的微細針狀晶體,具有一定長徑比(一般大于10)和截面積小于52×10-5cm2,現(xiàn)也稱短纖維狀晶體為晶須,由于晶須的晶體結構比較完整,內部缺陷較少,使其具有驚人的力學強度,作為塑料、金屬和陶瓷等物質的改型添加劑,顯示出極佳的物理化學性質和優(yōu)異的機械性能.碳化硅晶須(SiC)是已合成出晶須中硬度最高、模量最大、抗拉強度最大、而熱溫度最高的晶須產品,它有α-SiC和β-SiC兩種形式,β型性能優(yōu)于α型.SiC晶須增強鋁基復合材料具有高比強、高阻尼、高比模、而磨損、耐高溫、耐疲勞、尺寸穩(wěn)定性好以及熱膨脹系數(shù)小等一系列性能,具有廣闊應用前景的新型結構材料.第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月制備方法大體上可采用液相法和固態(tài)法.晶須增強鋁基復合材料的制備工藝較成熟,研究方向較廣.但由于SiC晶須價格昂貴,僅應用在航天航空領域.而做為廉價晶須硼酸鋁的價格是SiC晶須的1/20,有希望成為復合材料領域廣泛應用的晶須之一.下面我們主要介紹一下硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料。90年代,日本開發(fā)出了硼酸鋁晶須(9Al2O3·B2O3),其特性參數(shù)如下:平均長度10mm~30mm;平均直徑0.5mm~1.0mm;密度2.93g/cm3;莫氏硬度7;抗拉強度8GPa;楊氏模量400GPa;熱膨脹系數(shù)1.9×10-6/K。第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月該種晶須有著十分優(yōu)良的物理特性:高的楊氏模量、低的熱膨脹系數(shù)、高的強度等;由于它的原料便宜、制造工藝相對簡單,所以它的價格比較低廉,僅為SiC晶須或Si3N4晶須價格的1/20左右[1,2]。同時,硼酸鋁晶須同鋁合金有著較好的相容性[3],是鋁基材料良好的增強相。目前,對硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的研究還比較少,但是由于其較高的性能價格比,有望在不久的將來得到廣泛的研究與應用。第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料基本上承襲了晶須增強鋁基復合材料的制取工藝,主要采用擠壓鑄造法和粉末冶金法來制取。擠壓鑄造法可以說是制取硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料較為成熟的工藝。此工藝排除了對硼酸鋁晶須與鋁合金液結合有重要影響的反應性、潤濕性等因素的作用。如果預制件制造得好,擠壓溫度、擠壓壓力等參數(shù)控制得當,能成功獲得晶須分布均勻、性能優(yōu)良的復合材料。粉末冶金法可以制得晶須與基體合金粉任意比例的復合材料。混合體容易均勻,不易出現(xiàn)偏析或偏聚現(xiàn)象;同時由于燒結溫度較低,由反應造成的晶須損傷比較少。無論是采用擠壓鑄造法還是粉末冶金法,硼酸鋁晶須在鋁合金基體中的排列一般都是呈不連續(xù)分布的三維隨機狀態(tài),這一特點使此類復合材料容易進行鍛造、軋制、擠壓等二次加工。第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月由此可以看出:此類復合材料不僅有著好的耐高溫性能;并且常溫下的抗拉強度亦很好,它的楊氏模量稍高于其它復合材料,同時有著低的熱膨脹系數(shù)。最為突出的是它的摩擦磨損性能,由圖2(d)可知,硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料既有著好的耐磨性能又有著好的減摩性能(對摩擦副產生的損傷小)。它既不同于Al2O3短纖維和SiCW增強的復合材料,它們盡管有著好的耐磨性,但對摩擦副卻有著較大的損傷;又不同于ZL109(最好的耐磨鋁合金之一),盡管對摩擦副損傷較小,但其耐磨性卻遠低于硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料。可見,硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的優(yōu)良性能使其具有廣泛的應用前景。日本豐田和鈴木汽車公司已使用硼酸鋁晶須增加鋁復合材料制造汽車活塞.第