鋁基復合材料的發(fā)展現(xiàn)狀與研究

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，總結了近幾年關于鋁基復合材料的主要研究成果與發(fā)展趨勢。關鍵詞：鋁基復合材料,材料性能,研究成果,趨勢DevelopmentandprogressofaluminiummatrixcompositesTangnong-jAbstract:Withthedevelopmentofmodernmanufacturingtechnology,Thematerialperformancerequirementsmoreandmorehigh,Thedevelopmentofaluminummatrixcompositematerialswasreviewedwiththeirproperties.Espectivelyinaccordancewiththeclassestowhichtheybelong.Thefundamentalpropertyandapplicationfieldofaluminummatrixcompositewerebrieflyintroduced.Themainresearchachievementsanddevelopmentweresummarizedinrecentyears.Meanwhile,theoutlookofitsdevelopmentwasputforward.Keywords:aluminiummatrixcomposites,materialproperties,researchfindings,trend

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)、金屬基復合材料(MMC)和陶瓷基復合材料(CMC)[1]。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構主要由基體、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Al4C3和Al2O3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.1Themechanicalpropertiesofaluminummatrixcomposite增強相/基體增強相含量（vol%）拉伸強度/Mpa彈性模量/GPa伸長率（%）Al2O3/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，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合狀況[10]。一般情況下，隨著反應程度增加，界面結合強度亦增加，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，如在SiC表面涂覆一層Ni或Cu；對從Al2O3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]。4.1連續(xù)纖維增強的鋁基復合材料美國Textron特殊材料公司用固態(tài)擴散結合法制成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(BritishPetroleumResearehCenter)等都已研制成功，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構材料級、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[9]。如ACMC公司生產(chǎn)的SXA結構級材料，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8~10x10-5/℃之間，都低于基體[16]，很適合用作航空航天的結構材料。4.3碳管納米增強鋁基復合材料納米材料的尺寸非常細小(1～100nm)，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合界面，提高結合強度，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[17]。CNTs具有極小的尺度及優(yōu)異的力學性能，其封閉中空管狀結構具有良好的穩(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。為了滿足航空航天等領域對材料更高比強度、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。此外，西歐的法德等國在這方面的研究和開發(fā)也很活躍[19]。可以說，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。是很理想的結構材料?？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。我國在該領域的研究起步較晚，研究的深度和廣度也很有限[22]。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，使用范圍會更廣。參考文獻：[1].王雙喜,劉雪敬,孫家森.鋁基復合材料的制備工藝[J].熱加工工藝,2006,35(1):65-69.[2].王麗雪,曹麗云,劉海鷗.鋁基復合材料研究的進展[J].輕合金加工技術,2005,33(8):10-12.[3].黃勇攀,李道火,王銳,等.鋁基復合材料的性能、應用及制造工藝[J].湖南冶金,2004,32(2):3-6.[4].賀春林,劉常升,孫旭東,等.納米SiC顆粒增強鋁基復合材料的拉伸性能[J].東北大學學報(自然科學版),2005,26(6):554-556.[5].吳人潔.金屬基復合材料的現(xiàn)狀與展望[J].金屬學報,1997,33(1):79-84.[6].JiaChunlei.StudyondampingbehaviorofFeAl3reinforcedcommercialpurityaluminum[J].MaterialsandDesign,2007,(28):1711-1713.[7].王寶順,呂一中,崔巖,等.SiCp/Al復合材料半金屬剎車材料干摩擦磨損性能研究[J].材料工程,2007,(6):7-14.[8].張強,武高輝,孫東立,等.高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料的微觀組織與導熱性能[J].材料科學與工藝,2006,14(5):474-477.[9].宋偉.金屬基復合材料的發(fā)展與應用[J].鑄造設備研究,2004,(5):48-50.[10].TAMEROzben,EROLKilickap,ORHANCakir.InvestigationOfmechanicalandmachinabilitypropertiesOfSiCparticlereinforcedAI—MMC[J].JoumalofMaterialsProcessingTechnology,2008,98:220—225．[11].王文明,潘復生,LUYun,等.碳化硅顆粒增強鋁基復合材料開發(fā)與應用的研究現(xiàn)狀[J].兵器材料科學與工程,2004,27(3):61—67.[12].陳子勇,舒群,陳玉勇,高強鑄造鋁合金顯微組織與力學性能的研究[J].材料科學與工藝.2007,15(5):718—722．[14].PengYu,KwokCK,ToCY,etal.EnhancedprecipitationhardeninginanaluminareinforcedAl-Cualloymatrixcomposite[J].ScienceDirect,2007,01(10):1-5.[15].朱龍駒,陳喜江,齊斌,等.高速列車鋁基復合材料制動盤及其閘片制[J].電力機車與城軌車輛,2006,29(1):1-5.[16].NairSV,TienJK,BatesRC.SiCpreinforcedaluminummetalmatrixcomposites[J].Int.Met.Rev.,1985,30:275-290.[17].VALDEZS.SynthesisandmicrostructuralcharacterizationofAl—Mgalloy·SiCparticleComtxosite,Mat.Lett.doi:10.1016／j.matlet.2008—01一002.[18].MONDOLFOLF.Alu