材料科學(xué)方法

材料科學(xué)方法江蘇大學(xué)《復(fù)合材料》金屬材料工程2011級(jí)2/2鋁基復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀及制備應(yīng)用張譚譚3110702010金屬1101材料科學(xué)與工程學(xué)院摘要：本文通過(guò)對(duì)當(dāng)前鋁基復(fù)合材料的研究，介紹了鋁基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀。綜述了影響鋁基復(fù)合材料的因素及鋁基復(fù)合材料的制備與成形技術(shù)；概述了鋁基復(fù)合材料的主要制備工藝，并且提出了鋁基復(fù)合材料存在的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：鋁基復(fù)合材料、制備方法、顆粒（晶須）增強(qiáng)、纖維增強(qiáng)、發(fā)展應(yīng)用引言金屬基復(fù)合材料被譽(yù)為21世紀(jì)的材料,它兼有金屬的塑性和韌性，以及其它材料如陶瓷的高強(qiáng)度和高剛度，而且比重小，因此具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和更好的熱穩(wěn)定性、耐磨性以及尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，從而在機(jī)械、汽車、航空航天、兵器、電子等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的原材料通過(guò)某種工藝組合成的一種新的材料。它即保留了原組分材料的主要特性，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得了原組分材料所不具備的新性能。而鋁基復(fù)合材料又是金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用最廣泛的。鋁基復(fù)合材料定義鋁基復(fù)合材料是以金屬鋁或鋁合金為基體與各種增強(qiáng)材料復(fù)合而制得的復(fù)合材料。鋁基復(fù)合材料的性能鋁基復(fù)合材料的性能取決于基體合金和增強(qiáng)物的特性、含量、分布等。與基體合金相比,鋁基復(fù)合材料具有許多優(yōu)良的性能。具有較低的密度、良好的尺寸穩(wěn)定性；強(qiáng)度、模量與塑性增強(qiáng)體的加入在提高鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度和模量的同時(shí),降低了塑性。耐磨性高的耐磨性是鋁基復(fù)合材料(SiC、Al2O3增強(qiáng))的特點(diǎn)之一。疲勞與斷裂韌性鋁基復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度一般比基體金屬高,而斷裂韌性卻下降。影響鋁基復(fù)合材料疲勞性能和斷裂的主要因素有:增強(qiáng)物與基體的界面結(jié)合狀態(tài)、基體與增強(qiáng)物本身的特性和增強(qiáng)物在基體中的分布等。熱性能增強(qiáng)體和基體之間的熱膨脹失配在任何復(fù)合材料中都難以避免,為了有效降低復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù),使其與半導(dǎo)體材料或陶瓷基片保持熱匹配,常選用低膨脹的合金作為基體和采用不同粒徑的顆粒制備高體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料。4、鋁基復(fù)合材料的制備方法鋁基復(fù)合材料的制備方法有固態(tài)法、液態(tài)金屬法、自生成法以及其它的一些制備方法。固態(tài)方法是將鋁粉末或鋁箔與增強(qiáng)物（纖維，晶須，顆粒）按設(shè)計(jì)要求以一定的含量、分布、方向混合或排布在一起，再經(jīng)加壓、加熱，將鋁或鋁合金基體與增強(qiáng)物復(fù)合在一起，形成復(fù)合材料?！?】整個(gè)過(guò)程處于較低的溫度，鋁基體與增強(qiáng)物都處于固態(tài)。鋁基體與增強(qiáng)物之間的界面反應(yīng)不嚴(yán)重。其包含粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、拉拔法。液態(tài)金屬法是鋁基體處于熔融狀態(tài)下與固體增強(qiáng)物復(fù)合成材料的方法。鋁在熔融狀態(tài)下流動(dòng)性好，在一定的外界條件下容易進(jìn)入增強(qiáng)物間隙。為了克服液態(tài)鋁基體與增強(qiáng)物浸潤(rùn)性差的問(wèn)題，可采用加壓浸滲。金屬液在超過(guò)某一臨界壓力時(shí)，能滲入增強(qiáng)物誒的微小間隙，形成復(fù)合材料。也可通過(guò)增強(qiáng)物表面涂層處理使鋁液與增強(qiáng)物自發(fā)浸潤(rùn)。液態(tài)方法制備的時(shí)候，制備溫度高，容易發(fā)生比較嚴(yán)重的界面反應(yīng)，有效控制界面反應(yīng)是液態(tài)法的關(guān)鍵。液態(tài)法可用來(lái)直接制造復(fù)合材料的零件，也可用來(lái)制造復(fù)合絲，復(fù)合帶，錠坯等作為二次加工成零件的原料。擠壓鑄造法，真空吸鑄、液態(tài)金屬浸漬法、真空壓力浸漬法、攪拌復(fù)合法等均屬于液態(tài)法。自生成法制備是在鋁金屬通過(guò)加入反應(yīng)物質(zhì)，或者通入反應(yīng)氣體在液態(tài)金屬的內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生微小的固態(tài)增強(qiáng)相。通過(guò)控制工藝參數(shù)獲得所需的增強(qiáng)物的含量和分布。別的方法還有復(fù)合涂鍍法，將增強(qiáng)物（主要是細(xì)顆粒）懸浮于鍍液中，通過(guò)電鍍或化學(xué)鍍將金屬與顆粒同時(shí)沉積在基板或零件表面，形成復(fù)合材料層。也可用等離子、熱噴鍍將金屬與增強(qiáng)物同時(shí)噴鍍?cè)诘装迳闲纬蓮?fù)合材料。其會(huì)形成復(fù)合涂層，提高耐磨性，耐熱性等作用。表四材料的耐磨性比較磨痕寬度/mm材料稀土鋁硅合金66-12Al2O3纖維-鋁SiC顆粒-鋁高鎳奧氏體鑄鐵最大1.94751.5000.94251.1670最小1.84761.3250.8651.1275平均1.8971.4120.90371.14726、纖維增強(qiáng)基鋁基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料包括長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。長(zhǎng)纖維又叫連續(xù)纖維。一般情況下，短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能不如連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，但其價(jià)格便宜。纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料既可用固態(tài)法，也可用液態(tài)法來(lái)制備。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料長(zhǎng)纖維對(duì)鋁基體的增強(qiáng)方式可以以單向纖維、二維織物和三維織物存在。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料主要有：Bf/Al等硼纖維是在鎢或碳絲化學(xué)氣相沉積而形成的單絲，直徑較粗（100-140微米），因而在工藝上比較容易制造。硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是長(zhǎng)纖維復(fù)合材料中最早研究成功和應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料。硼-鋁復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量均明顯高于基體，切纖維含量越高，其拉伸強(qiáng)度越大。該復(fù)合材料的性能的優(yōu)越性在高溫時(shí)尤為突出，在高達(dá)500度的高溫，其縱向拉伸強(qiáng)度還有500MPa。硼-鋁復(fù)合材料中纖維直徑、纖維方向和鋪層方式對(duì)材料的性能有很大的影響。其熱膨脹系數(shù)主要取決于硼纖維的熱膨脹性。由于纖維的縱向熱膨脹系數(shù)與基體的熱膨脹系數(shù)的差別較大，因此在界面上會(huì)產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力。碳纖維鋁基復(fù)合材料，由于碳纖維密度小，具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，是目前可做金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)物的高性能纖維中價(jià)格最便宜的一種，因此引起了人們廣泛的注意，他們與很多金屬基體結(jié)合，制成了高性能的金屬基復(fù)合材料，其中最多的便是鋁基體，但是由于碳纖維的浸潤(rùn)性比較差，高溫下相互之間容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成嚴(yán)重影響復(fù)合材料性能的化合物。碳纖維鋁基增強(qiáng)復(fù)合材料的制造方法主要有三種：擴(kuò)散結(jié)合，熱壓法；擠壓鑄造；液態(tài)金屬浸漬法。在目前所采用的制造方法中，由于制造工藝復(fù)雜，成本昂貴，影響了纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)材料的應(yīng)用。但壓力鑄造在一定意義上是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ墓に嚪椒?，這種方法工藝簡(jiǎn)單，成本低，通用性強(qiáng)。碳纖維對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響很大。不同來(lái)源的碳纖維，其性能有所不同。并且均需要石墨化。碳化硅纖維【3】除了具有優(yōu)異的力學(xué)性能之外，在高溫具有良好的抗氧化性能，與硼纖維和碳纖維相比，在較高溫度下與鋁的相容性較好。因此，他成為鋁或鋁合金的比較好的增強(qiáng)物。目前碳化硅纖維分為有芯和無(wú)芯兩種，有芯碳化硅纖維以鎢絲或碳絲作芯經(jīng)化學(xué)氣相沉積制備，是直徑較粗的單絲，纖維上殘留的游離碳少，含氧量低，與鋁不易反應(yīng)，在工藝上制造復(fù)合材料相對(duì)容易，是鋁基復(fù)合材料較好的增強(qiáng)物。無(wú)芯碳化硅纖維由聚碳硅烷有機(jī)物熱處理而得，一束多絲，單絲直徑細(xì)，纖維中殘留有較多的游離碳和氧，因此與化學(xué)氣相沉淀法得到的碳化硅纖維相比，較易與鋁反應(yīng)，生成有害的反應(yīng)產(chǎn)物，制作復(fù)合材料較直徑粗的單絲困難。碳化硅纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高的抗拉強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度和優(yōu)異的耐磨性。通常采用熔融浸潤(rùn)法、加壓鑄造法和熱壓擴(kuò)散粘結(jié)法制造?；w鋁經(jīng)碳化硅纖維增強(qiáng)后，纖維方向抗拉強(qiáng)度非常高，彈性模量也顯著提高，在一定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高強(qiáng)度降低不太大。短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與長(zhǎng)纖維相比，短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有增強(qiáng)體來(lái)源廣、價(jià)格低、成形性好等優(yōu)點(diǎn)，可采用傳統(tǒng)的金屬成形工藝。而且材料的性能是各向異性的。可用作鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)物的短纖維有氧化鋁、硅酸鋁和碳化硅等。氧化鋁纖維是晶態(tài)的，成分是三氧化二鋁，并可以根據(jù)需要添加其他氧化物。硅酸鋁纖維有晶態(tài)和非晶態(tài)兩種。莫來(lái)石纖維屬于晶態(tài)硅酸鋁纖維。非晶態(tài)硅酸纖維中SiO2的含量超過(guò)化學(xué)計(jì)量。氧化鋁和硅酸鋁短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的室溫拉伸強(qiáng)度并不比基體高，但他們的高溫強(qiáng)度明顯高于基體，彈性模量在室溫和高溫都有較大的提高，熱膨脹系數(shù)減小，耐磨性能得到改善。鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用【4】在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用：用鋁基復(fù)合材料制備了發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造汽車制動(dòng)盤(pán),使其重量減輕,而且提高了耐磨性能,噪音明顯減小,摩擦散熱快;還可用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和齒輪箱等汽車零部件。用鋁基復(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。鋁基復(fù)合材料還可用來(lái)制造汽車驅(qū)動(dòng)軸、搖臂等汽車零件。在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)材料性能提出了越來(lái)越高的要求,特別是航空航天領(lǐng)域要制造輕便靈活、性能優(yōu)良的飛機(jī)、衛(wèi)星等，鋁基復(fù)合材料恰能滿足這方面的要求。公司采用熔模鑄造工藝研制成復(fù)合材料,用該材料代替鈦合金制造直徑達(dá)、重的飛機(jī)攝相鏡方向架,使其成本和重量明顯降低,導(dǎo)熱性提高。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。在電子和光學(xué)儀器中的應(yīng)用：鋁基復(fù)合材料,特別是增強(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。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的熱膨脹系數(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。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。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(yú)竿、高爾夫球桿和滑雪板等。用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)