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1、材料科学与化学工程学院材料科学与工程学科导论（小论文）学 号：专 业：材料工程学生姓名：任课教师：2016 年 5 月一种海洋工程材料铝基复合材料哈尔滨工程大学摘要：本文介绍了海洋环境的特点，综述了海洋工程铝基复合材料的发展现状，介绍了海洋工程铝基复合材料的特点，概述了连续纤维增强铝基复合材料、晶须增强铝基复合材料、颗粒增强铝基复合材料以及原位合成技术等工艺；展望了海洋工程金属基复合材料的产业化发展趋势，提出了海洋工程金属材料朝金属基复合材料的方向发展。关键词：海洋工程； 铝基； 复合材料；制备；性能人类对海洋资源的开发利用离不开各种基础设施的建设。由于这些设施都是在海洋环境下使用的，能够适应
2、海洋特殊环境的各种特色材料是进行海洋资源有效开发与利用海洋资源的物质基础和保障1。目前近海工程已经得到了迅速发展，钻探与开发石油的海上平台，作业范围已有水深 10m 以内的近岸水域，扩展到了水深 300m。而远海和深海监测是使海洋资源的开发和利用能够持续进行的必要手段，要进行深海监测就必须大力研究和开发相应的深海装备用材料，根据深海监测设备的工作环境和性能要求，深海探测及其他深海设备所用的装备材料必须具有高强度、高韧性、比重轻、耐腐蚀和抗附着等特性2。海洋工程材料对发展海洋科技和军事技术方面具有关键的制约作用，其发展水平决定了我国海洋开发的技术水平，因此实现深海装备材料的产业化对于发展我国海洋
3、科技产业具有重大的战略意义。一 金属基复合材料的分类从材料本身的组成出发，海洋工程材料可以分为金属材料、高分子材料、无机非金属材料和复合材料。各种金属材料及其合金被大量应用于深海环境中，常用的金属及其合金包括：钢铁材料、铝与铝合金材料、钛与钛合金材料以及铜与铜合金材料等。复合材料是指由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，按增强体的类型分类分为连续纤维增强、不连续纤维增强、颗粒增强和层叠式复合材料；按基体分为有机高分子基复合材料、无机非金属基复合材料和金属基复合材料等。本文主要论述铝基复合材料的各种制备方式、主要性能及发展应用趋势。金属材料基体耐海水腐蚀性能取决于氧
4、化膜的完好程度及其破裂后的自修能力。氧化膜越完整，则抵抗海水腐蚀的能力就越强3-4。目前含 Sc、Zr 的铝合金受到了国内外的广泛关注，这种结构材料其应用前景非常广阔。添加了 Sc的 Al-Mg-Zr-Sc 铝合金比 Al-Mg-Zr 铝合金表现出更好的耐海水腐蚀性。铝基复合材料主要有颗粒(晶须)增强和纤维增强铝基复合材料。前者主要有 SiC 颗粒(晶须)、Al2O3颗粒、BC4颗粒(晶须)、TiC 颗粒等；后者为长纤维增强和短纤维增强。一般短纤维增强铝基复合材料的力学性能不如长纤维增强的铝基复合材料，但其价格较低。长纤维增强铝基复合材料的增强纤维主要有硼纤维、碳纤维、Al2O3纤维和碳化硅纤
5、维等，增强方式可以是单向纤维、二维织物和三维织物。碳纤维增强铝基复合材料在海水环境中，会由于电偶效应导致铝基体加速腐蚀，而碳化硅增强铝基复合材料在海水中的腐蚀速率比碳纤维增强铝基复合材料要慢得多。实验表明，以 Al-Mg-Si-Cu、Al-Mn、Al-Mg 为基体，采用碳化硅晶须或颗粒增强的复合材料在海洋大气环境中暴露 42 个月后仅发生轻微孔蚀。二 铝基复合材料的制备与成形我国结合国防军工海洋及高技术发展的需要，已开展颗粒与纤维增强铝基复合材料的研发，在制备技术方面已有较好的研究基础。铝基复合材料的制备方法主要有连续纤维增强铝基复合材料、晶须增强铝基复合材料、颗粒增强铝基复合材料以及原位合成
6、技术等5。采用不同的增强体制备复合材料时，制备的工艺方法有所不同，下面从增强体的角度介绍各种铝基复合材料的制备方法。 2.1 连续纤维增强铝基复合材料连续增强铝基复合材料的制备方法有熔融浸润法、加压铸造法、扩散粘结法和粉末冶金法等，采用固态扩散粘结、液态金属浸渍等特殊工艺，是其生产成本高的主要原因。用粉末冶金法制备的纤维增强铝基复合材料的性能很低，无有效措施加以提高，现在这种方法主要用于制造颗粒或晶须增强金属基复合材料。(1)熔融浸润法6 用液态铝及铝合金浸润纤维束或将纤维束通过液态铝及铝合金熔池，使每根纤维被熔融金属润湿后除去多余的金属而得到复合丝，再经挤压而制得复合材料。对纤维进行表面处理
7、，可有效改善纤维与金属间的浸润性并可控制界面反应。己用此方法制备 B/Al，SiC/Al，Al2O3/(Al-Li), Al2O3/(Al-Mg)等复合材料。(2)加压铸造法7 将熔融铝或铝合金强制压入内置纤维预制件的固定模腔，压力一直施加到凝固结束。采用高压可改善增强体与金属熔体之间的浸润性，使增强纤维与铝或铝合金的反应最小，不会产生孔隙和缩孔等常规铸造缺陷。己用此方法制备出 SiC/Al,Al2O3/Al, Al2O3/(TiAl、Ni3Al,Fe3Al)等铝基复合材料。(3)扩散粘接法8 将铝箔与经表面处理后浸润铝液的纤维丝或复合丝或单层板按规定的次序叠层，在真空或惰性气体条件下经高温加
8、压扩散粘接成型得到铝基复合材料。己用此方法制备出 C/ A1,B/ A1,SiC/Al 等铝基复合材料。通常，硼纤维增强铝基复合材料采用熔融浸润法和扩散粘结法，碳纤维增强铝基复合材料采用热压扩散粘结法，碳化硅纤维增强铝基复合材料采用熔融浸润法、加压铸造法和热压扩散粘结法，氧化铝纤维增强铝基复合材料采用熔融浸润法。 2.2 晶须增强铝基复合材料晶须分布方式是否合乎要求，晶须与基体合金结合好坏是制备合格晶须增强金属基复合材料的关键。挤压铸造法和粉末冶金法是制造晶须增强铝基复合材料的主要方法。(1)挤压铸造法 先将增强体做成预制块，放入模具，再浇入基体合金熔液，随后加压，使基体熔液渗入预制块。杨川等
9、9用 Al2O3 短纤维增强不同铝基复合材料时发现:基体不同，强化的效果也不同，甚至出现复合材料强度低于基体强度的现象。(2)粉末冶金法 预先将短纤维与基体粉末制成浆状并加以混合，而后经成型干燥热压，制成纤维增强铝基复合材料10，粉末冶金法可以制得晶须与基体合金粉任意比例的复合材料；混合体容易均匀，不易出现偏析或偏聚现象；反应温度低，造成的晶须损伤比较小。 2.3 颗粒增强铝基复合材料从上世纪 80 年代开始，国外投入大量财力致力于颗粒增强铝基复合材料的研究，己在航空航天、体育、电子等领域取得应用。国内从上世纪 80 年代中期在 863 计划的支持下，经过十几年的努力，在颗粒增强铝基复合材料研
10、究方面有了很大提高，在材料组织性能、复合材料界面等方面的研究己接近国际水平。国内研究颗粒增强铝基复合材料的单位有:北京有色金属研究总院、北京航空材料研究院、上海交通大学、中科院金属研究所、哈尔滨工业大学等。粉末冶金法、搅拌铸造法、挤压铸造法和喷射沉积法是制备颗粒增强铝基复合材料的几种常用方法。图 1 颗粒增强铝基复合材料的制备工艺分类(1)粉末冶金法 粉末冶金法是制备高熔点难成型材料的传统工艺。快速凝固金属粉末和增强陶瓷颗粒等经筛分、混合、冷压固结、除气、热压烧结以及压力加工制得复合材料。为使合金粉末和增强体颗粒混合均匀，颗粒和合金粉末的粒度比应选择为 0.7:1，通常基体合金粉末的粒度选择为
11、 2040 um，增强体颗粒的粒度选择为 320m10。粉末冶金法可以任意改变颗粒与铝的体积配比，获得不同颗粒体积含有率的复合材料，但受温度、压力及二次加工工艺(如挤压、轧制、锻造等，以提高材料的致密度，并使增强体的分布进一步均匀化)和设备(需在密封、真空或保护气氛下进行)等的限制，不宜制备过大或形状复杂的零件。美国的 DWA 复合材料专业公司从上世纪 70 年代开始就研制用粉末冶金工艺生产 SiCp 增强铝基复合材料，现己达到商品化。除上述常规粉末冶金方法外，机械合金化粉末冶金法制备的复合材料，颗粒分布均匀，具有较高的力学性能，但该方法制备成本较高，是基体合金的 10倍左右。(2)铸造法 铸
12、造法是目前正在发展应用的金属基复合材料制造方法中最为经济的方法之一，该方法的工程消耗较小，不受零件形状的限制，近年研究较多。人们在传统的搅拌铸造工艺基础上，发展了挤压铸造、熔体浸渗、半固态搅拌、离心铸造、超声波法、喷射沉积法等多种新工艺，大大丰富了铸造法的内涵，使铸造法又可称为新工艺，成为研究热点。搅拌铸造法 将增强体加入到基体熔液中，以一定的速度搅拌熔液，使其达到均匀混合和相互浸润的目的，使增强体与基体熔液复合，然后浇铸成锭坯、铸件等。搅拌铸造法要求粒度不易过小，一般大于 10 um。该法工艺及设备简单，但在制备过程中陶瓷颗粒易聚集成团，易出现第二相偏析，且普遍存在界面反应，高速搅拌时陶瓷颗
13、粒的破碎、气体和夹杂物的混入等，都使复合材料的性能不是十分理想，颗粒的加入量也受到一定限制。熔体浸渗法 增强体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，把预制件加热至 600800，再将其放入预热金属压型内的适当位置，浇入精练后的熔融金属液，用加压或抽真空的方法，使熔融金属渗入预制件中，待其凝固后即得到所需颗粒增强铝基复合材料。该方法制备工艺及设备简单，成本低，避免了增强体与基体不浸润问题，制备材料密度较均匀，性能好，制备周期短。但制备具有一定孔隙的颗粒预制件相当困难，存在颗粒与基体结合不好、工艺参数不易控制、压力过高可能破坏预制件、制造形状复杂的工件困难等问题。半固态搅拌铸造法
14、把温度控制在金属的液相线和固相线之间且不断搅拌，然后把颗粒状增强体按一定比例加入到含有一定组分固相粒子的金属液中，并迅速升温至液相线以上直接进行浇注，得到所需复合材料11。使用这种工艺，增强相与基体浸润性好，增强相粒子分布均匀，增强相不会结集和偏聚，能得到较为理想的结果，但金属液处于半固态，粘度较大，其浆液中的气体和夹杂物不易排出，生产过程中要准确控制和保持金属液处于半固态温度也很困难。离心铸造法12 借助离心力的作用把增强体分布于材料的内表面或外表面，获得表层有一定厚度的梯度复合材料。在制备过程中，连续地控制微观结构要素，使成分、组织连续变化，不存在明显的界面，从而大大缓和了热应力。用挤压铸
15、造法制备颗粒增强铝基复合材料与晶须增强铝基复合材料的工艺方法相同。(3)喷射沉积法 该法是 20 世纪 70 年代初 Swansea 大学 Singer 教授首先提出，早期应用于一些金属半成品的生产和制备，后加利福尼亚大学 Lavernia E J 等人开始利用这一技术制备颗粒增强金属基复合材料。原理为:在基体合金雾化的同时，加入增强体粉末，使二者共同沉积在收集器上，得到复合材料。该方法增强体与基体熔液接触时间短，二者反应易于控制，缺点是增强颗粒利用率低，材料制备成本高。综上所述，颗粒增强铝基复合材料的制备方法各有千秋，实际应用时，可根据材料的性能要求及设备条件选择适宜的制备方法。 2.4 原
16、位合成技术原位合成技术是近几年发展起来的一种制备复合材料的方法。其原理是在一定条件下通过元素之间或元素化合物之间的化学发应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目的。该方法中增强体是在基体中原位生成，表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，界面结合强度较局。原位合成法省去了外加增强颗粒单独合成、处理和加入等工序，不仅简化了工艺，而且使原材料成本降低，并可实现材料的特殊显微结构和特殊性能，因而成为金属基复合材料研究的热点。该工艺主要包括 G-L 法(气一液法)、S-L法(固一液法)、S-S 法(固一固法)，这里着手介绍一下机械合金化法。机械合金化法是将一种或两种粉末与铝合金粉末一起在保护气氛或真空状态下长时间研磨，利用机械研磨过程中微小区域出现的高温，使参与研磨的粉末之间进行反应，生成所需的增强体粉末或颗粒，然后采用粉末冶金法压制成形，形成铝基复合材料产品或零部件的一种方法。生成的强化相粒子表面洁净，粒度小；合金化过程中形成的过饱和固溶体在随后的
