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1、铝基复合材料的研究发展现状与发展前景颗粒增强铝基复合材料 课程名称：复合材料学生姓名：XX学 号：XXXXX班 级：XX日 期：20XX年X月X日铝基复合材料的研究发展现状与发展前景颗粒增强铝基复合材料 XX（昆明刚理工大学，云南省昆明市，650093）摘要：介绍了颗粒增强铝基复合材料的发展历史、制备工艺、性能及应用，以碳化硅颗粒增强铝基复合材料为例指出了颗粒增强铝基复合材料这一行业存在的问题，并对这种材料的未来发展趋势做了预测。关键词：颗粒增强铝基复合材料；历史；工艺；性能；应用；趋势0. 引言 近年来在金属基复合材料领域, 铝基复合材料(包括纤维增强和颗粒增强)的发展尤为迅速。这不仅因为它
2、具有重量轻、比强度、比刚度高、剪切强度高、热膨胀系数低、良好的热稳定性和导热、导电性能, 以及良好的抗磨耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀等一系列优点, 而且因为在世界范围内有丰富的铝资源, 加之可用常规设备和工艺加工成型和处理, 因而制备和生产铝基复合材料比其他金属基复合材料更为经济, 易于推广和应用,因此, 这种材料在国内外受到普遍重视。而其中的颗粒增强铝基复合材料解决了纤维增强铝基复合材料增强纤维制备成本昂贵的问题, 而且材料各向同性, 克服了制备过程中出现的诸如纤维损伤、微观组织不均匀、纤维与纤维相互接触、反应带过大等影响材料性能的许多缺点。所以颗粒增强铝基复合材料已成为当今世界金属基复合
3、材料研究领域中的一个最为重要的热点, 并日益向工业规模化生产和应用的方向发展。1. 发展历史 金属基复合材料（复合材料）自60年代初期开始研究，现在已经取得了突破性的进展。初期研究的工作主要集中在连续纤维增强复合材料,但由于连续长纤维本身的制造工艺复杂、价格昂贵，再加上纤维的预处理以及纤维增强复合材料制造工艺限制，使连续纤维增强复合材料成本极高，仅限用于要求极高性能的场合。因此，进入80年代，研究重点转向了成本较低的SiC、AlO等颗粒或晶须作为增强材料的不连续增强复合材料，这种材料具有比刚度、比强度强，耐磨性、抗蠕变性好、热膨胀系数小等特点，其比刚度超过了钢和钛合金，而价格不到钛合金的十分之
4、一，用以取代钢、钛等材料，对减轻产品结构重量，降低成本具有明显的经济效益，尤其是取代航空、航天飞行器中的合金钢、钛合金构件，更具有巨大的潜力。20世纪70年代末， 美国政府开始将复合材料列入武器研究清单，并对其研究成果限制发表。日本通产省在20世纪80年代初期开始实施的 “下世纪产业基础技术”规划中， 把发展铝基复合材料放在了主要位置，并在财力、物力上向有关院所、高校和公司倾斜。我国从20世纪80年代中期开始经过十几年的努力，在颗粒增强铝基复合材料的组织性能、复合材料界面等方面的研究工作已接近国际先进水平，铝基复合材料已列为国家“863”新型材料研究课题。2. 制备工艺2.1 原位复合法 原位
5、复合法的原理是通过元素间或元素与化合物之间反应制备陶瓷增强金属基复合材料，是近年来迅速发展的一种新的复合工艺方法，目前已成功地在铝基中实现了硼化物、碳化物、氮化物等的原位反应。由于这些增强相引入的特殊性，不仅它的尺寸非常细小，而且与基体具有良好的界面相容性，使得这种复合材料较传统外加增强相复合材料具有更高的强度和模量以及良好的高温性能和抗疲劳、耐磨损性能。 原位自生铝基复合材料的制备方法较多，主要包括自蔓延高温合成法、原位热压放热反应合成法、放热弥散技术、反应自发浸渗技术、接触反应法、混合盐反应法、气液反应合成法、技术反应喷射沉积法、熔体直接反应法等。原位法固然有许多优点，但也存在一定的问题，
6、如： a.化相的种类有限,限制了材料的研发种类。 b.对制备过程中材料微观组织的形成规律有待深入认识。 c.工艺控制问题。在目前的制备水平下,增强体的均匀化分布程度难以提高,反应过程也无法精确控制。 d.界面问题。界面的结构和结合强度极大地影响材料的性能界面反应产生的脆性相甚至使材料报废。对界面的研究还不够深入,如增强体的尺寸和体积分数、第二强化相、第三组元的加入对界面的影响、在热加工和使用环境下界面结构的变化等。 e.反应副产物问题。在反应生成增强体的同时，往往产生其它物质，使材料的性能恶化，因此必须在工艺过程中抑制或消除副产物的产生。 f.应用问题。许多原位铝基复合材料具有优异的综合性能，
7、然而许多材料还处于研发阶段。目前，制备成本无法大幅度降低限制了其在民用工业领域的应用。 2.2 粉末冶金法(PM) 粉末冶金法是将金属粉末充满在排列规整或无规取向的短纤维或晶须中，然后进行烧结或挤压成型。粉末冶金法工艺过程分为混合、压实和烧结三个步骤，工艺过程如下： 首先将碳化硅颗粒和激冷微晶铝合金粉用机械手段均匀混合制得复合坯料。然后将复合坯料装人金属或非金属的摸具中经冷压、除气，然后加热到固液两相区进行真空热压制成复合材料锭块，再通过挤压、轧制、铸造等二次加工制成型材和零件。粉末冶金法可以任意改变碳化硅与铝的体积百分比，故能够根据不同要求制得各种不同体积分数的复合材料，而且颗粒分布均匀，性
8、能稳定。该方法的缺点是制造出的复合材料的内部组织出现不均匀现象、孔洞率较大、工艺比较复杂、所制零件的结构和尺寸均受限制。 随着科研人员对粉末冶金法的不断深入研究，开发出了新的粉末冶金方法机械合金化粉末冶金法。机械合金化粉末冶金法制备的复合材料中增强体颗粒分布均匀、界面结合良好、增强体颗粒粒度可在纳米至微米范围内调节、增强体含量可高达70%(体积分数）。同时，该方法制备的复合材料的力学性能最高，制备工艺较为成熟。但工艺成本较高，产品价格比基体合金约高十倍左右，所以还只能用于航空航天和军事用途，不能在民用工业推广使用。 2.3 喷射沉积法 喷射沉积成形技术是一种新型的快速凝固技术，是在雾化器内将陶
9、瓷颗粒与金属熔体相混合后被雾化喷射到水冷基底上形成激冷复合颗粒(见图1)。喷射沉积成形过程中将一定量的增强相颗粒喷人与金属熔滴强制混合后在沉积器上共沉积以获得复合材料坯件。其突出的优点是可以直接由液态金属雾化与沉积形成具有快速凝固组织和性能特征的具有一定形状的坯件，以减少或去除各种高成本的制造和加工中间环节。利用喷射沉积成形技术制备颗粒增强金属基复合材料是该技术近年来发展的一个重要方向。但这类方法的最大缺点是增强颗粒利用率低、材料制备成本高。 为了有效解决喷射沉积成形金属基复合材料制备过程中增强颗粒分布不匀和颗粒利用率较低的问题，目前又研发出了多层喷射沉积技术和熔铸-原位反应喷射沉积成形颗粒增
10、强金属基复合材料制备技术。 多层喷射沉积技术可以改善增强颗粒在材料中的微观均匀性，改善或消除微区域内增强体颗粒的偏聚，有效解决颗粒在基体中分布不匀和利用率较低的难题。 熔铸-原位反应喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备技术的突出优点是：颗粒在熔体内部原位反应生成，不存在颗粒损失问题；材料制备成本降低，颗粒在基体中均匀分布，可沿用现行喷射沉积成形制备金属材料的各项工艺参数，设备无需做任何改动。 2.4 液态金属浸渗法 在这种方法中增强物须预先用适当的粘结剂粘结并冷压成一定形状和尺寸的预制件, 然后进行烘干。在进行浸渗之前, 先把预制件加热至600 800, 再将其放入预热的金属压型内的适当位置
11、, 浇入精炼后的熔融金属液, 用加压或抽真空的方法, 使熔融金属渗入预制件中, 保持一段时间, 待其凝固后即得到所需的颗粒增强铝基复合材料制件。 这种方法的优点是制备工艺及设备简单, 制造成本相对较低, 可以避免增强物与基体不浸润的问题, 制得的材料密度较为均匀, 制备过程周期短, 熔融金属冷却快, 减轻了颗粒界面反应, 材料性能较高; 但是制造有一定孔隙的颗粒预制件相当困难, 制造过程中还存在颗粒与基体的结合问题, 浸渗工艺参数也不易控制, 压力过高时可能破坏预制件, 制造形状复杂的工件较为困难, 因此该工艺的应用受到一定限制。近年来, 国内外不少研究机构对这一工艺开展了较为深入的研究。2.
12、5 搅拌制备法 搅拌法又称为漩涡法 ，其基本原理是将颗粒增强物直接加入到熔融的铝合金熔体中，通过一定方式的搅拌，使颗粒分散在铝合金熔体中 ，最后复合成PRAMCs熔体。按照增强颗粒与铝液混合搅拌方式 ，其可分为机械搅拌法、高能超声复合法和电磁搅拌法等。其中机械搅拌法对设备要求低、工艺简单，对颗粒种类和尺寸适应范围广，并且几乎可以采用所有的铸造方法成形，吴召玲等采用该法制备的 SiCp/A356复合材料通过差压铸造技术，制备了铁道车辆用制动盘。但是，由于机械搅拌过程中易卷入气体产生铸造缺陷，朱瑞杰等在真空条件下，利用电磁搅拌技术与机械搅拌技术复合法制备了含量为10%的-AlO铝基复合材料，结果表
13、明该复合搅拌方法解决了采用单一械搅拌法制备复合材料易出现增强体分布不均和卷气现象的问题。韩飞等采用机械搅拌法经过后续液态模锻成形工艺，制备 5%SiCp/ZL102复合材料。SiCp分布均匀、组织致密、无铸造缺陷。2.6 其他工艺 诸如流变铸造、高能-高速工艺等制备工艺可望解决增强颗粒的有效加入, 以及保证其分布均匀等技术问题。3. 性能及应用3.1 颗粒增强铝基复合材料的特性(1)模量与塑性增强体的加入在提高铝基复合材料强度和模量的同时，降低了塑性。研究人员采用铸造法制备出Al/AlTi复合材料，抗拉强度比纯Al基体提高77.5，硬度提高132，而延伸率较纯铝略有下降。王文明等人以SiCp/
14、6066A复合材料为例研究了颗粒增强铝基复合材料弹性模量的影响因素，发现界面性能对复合材料的弹性模量影响显著，细观结构的影响不明显。颗粒增强铝基复合材料和铝合金力学性能相比较之下的优缺点在表1中表现得很明显。表1 铝基复合材料和铝合金力学性能的比较材料拉伸强度（MPa）屈服强度（MPa）延伸率（%）弹性模量（GPa）ZL101A铸造铝合金250200373ZL101A/SiCp复合材料3303100.51006061变形铝合金31027520696061/AlO复合材料3793592.198(2)疲劳与断裂韧性颗粒增强铝基复合材料的疲劳强度和疲劳寿命一般比基体金属高，这与刚度及强度的提高有关，
15、而断裂韧性却下降。影响铝基复合材料疲劳性能和断裂的主要因素有：增强物与基体的界面结合状态、基体与增强物本身的特性和增强物在基体中的分布等。界面结合状态良好，可以有效地传递载荷，并阻止裂纹扩展，提高材料的断裂韧性。(3)耐磨性高的耐磨性是颗粒增强铝基复合材料的特点之一。马东辉对颗粒增强铝基复合材料及其基体与40Cr钢摩擦材料组成的摩擦副的摩擦磨损特性进行了对比试验研究，研究表明复合材料具有较稳定的摩擦系数、低的磨损率。王宝顺等人研究了大范围(1555)的SiCp（45、63m)Al复合材料与半金属刹车材料配副的摩擦磨损性能。其结果表明颗粒体积分数对复合材料摩擦系数的影响显著，而颗粒尺寸对复合材料摩擦系数影响不大。(4)热性能增强体和基体之间的热膨胀失配在任何复合材料中难以避免，但可通过控制增强体和基体的含量以及增强体在基体中的分布来减小热失配。张建云等人的研究指出，在温度低于200时 ，SiCpAl复合材料的线膨胀系数随温度的升高有一定程度的增大，但高于200时增幅较大。张强等人的实验结果也表明，SiCpAl复合材料的热膨胀系数随
