復(fù)合材料研究進展講述

1、鋁基復(fù)合材料的制備和增強技術(shù)的研究進展 摘要本文簡單介紹了鋁基復(fù)合材料的一些基本的制備方 法。對于納米相和碳化硅顆粒增強的鋁基復(fù)合材料，它們也 有不同的制備方法。關(guān)鍵詞鋁基復(fù)合材料納米相碳化硅顆粒、八 、亠0刖言復(fù)合材料是應(yīng)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(zhì)不同的材料通過各種工藝手段復(fù)合而 成。金屬基復(fù)合材料基體主要是鋁、鎳、鎂、鈦等。鋁在制作復(fù)合材 料上有許多特點，如質(zhì)量輕、密度小、可塑性好，鋁基復(fù)合技術(shù)容易掌 握，易于加工等。此外，鋁基復(fù)合材料比強度和比剛度高，高溫性能好， 更耐疲勞和更耐磨。同其他復(fù)合材料一樣，它能組合特定的力學和物 理性能，以滿足產(chǎn)

2、品的需要。因此，鋁基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材 料中最常用的、最重要的材料之一。本文主要講述鋁基復(fù)合材料的制 備方法以及增強技術(shù)的發(fā)展情況。1鋁基復(fù)合材料的制備工藝1.1無壓浸滲法無壓浸滲法是Aghaianian等于1989年在直接金屬氧化工藝的 基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種制備復(fù)合材料的新工藝，將基體合金放在可 控氣氛的加熱爐中加熱到基體合金液相線以上溫度，在不加壓力和沒 有助滲劑的參與下，液態(tài)鋁或其合金借自身的重力作用自動浸滲到顆 粒層或預(yù)制塊中，最終形成所需的復(fù)合材料。Aghaja nian等撰文指出，要使自發(fā)滲透得以進行，需具備兩 個必要條件：鋁合金中一定含有 Mg元素；氣氛為N2環(huán)境。影 響

3、該工藝的主要因素為：浸滲溫度、顆粒大小和環(huán)境氣氛種類。無壓 滲透工藝的本質(zhì)是實現(xiàn)自潤濕作用， 通過適當控制工藝條件，如合金 成分、溫度、保溫時間和助滲劑等，可取得良好的潤濕，使自發(fā)浸滲得以進行。1.2粉末真空包套熱擠壓法采用快速凝固技術(shù)與粉末冶金技術(shù)相結(jié)合制備高硅含量鋁基復(fù) 合材料。由于Al活性很高，在快速凝固制粉時不可避免地會形成一 層氧化膜，導(dǎo)致在致密化過程中合金元素的相互擴散受到阻礙，難以形成冶金粘結(jié)。因此，采用了粉末真空包套熱擠壓這一特殊的致密化 工藝。1.3噴射沉積法噴射沉積技術(shù)是一種新的金屬成形工藝，由 Sin ger教授于1968 年提出，后經(jīng)發(fā)展逐步形成了 Osprey工藝、液

4、體動態(tài)壓實技術(shù)和受 控噴射沉積工藝等。噴射沉積的基本原理是：熔融金屬或合金經(jīng)導(dǎo)流管流出，被霧化 噴嘴出口的高速高壓惰性氣體氣流破碎，霧化為細小彌散的熔滴射 流；霧化熔滴射流在高速氣流動量作用下加速， 并與氣流進行強烈的 熱交換；到達沉積表面以前，小于某一臨界尺寸的熔滴凝固成為固體 顆粒，較大尺寸的仍然為液態(tài)，而中間尺寸的熔滴則為含有一定比例 液相的半凝固顆粒， 這些大大小小凝固程度不同的熔滴高速撞擊接 收體表面，并在沉積表面附著、鋪展、堆積、熔合形成一個薄的半液 態(tài)層后順序凝固結(jié)晶， 逐步沉積生長成為一個大塊致密的沉積坯 。液態(tài)金屬在噴霧沉積過程中的冷卻分為 3個階段：金屬液霧化過 程中的冷卻

5、；霧化后液滴在冷卻介質(zhì)中飛行時的冷卻； 半固態(tài)的液滴 沉積到基底上以后的冷卻。在噴射沉積過程中，增加霧化氣體壓力也 可以細化噴霧沉積材料的組織，由于霧化氣體同時又作為冷卻介質(zhì)， 增大霧化氣體壓力相應(yīng)地增加了冷卻介質(zhì)的流率及其傳熱能力， 這 兩方面的結(jié)果勢必會造成金屬液在霧化及其飛行中的冷速增大， 從而 細化組織。由于噴射沉積所制備的鑄錠存在一定的空隙度， 給材料性能帶來 了不利影響，必須經(jīng)過后續(xù)加工工藝，如熱鍛、熱擠壓、熱等靜壓等 方法來提高其致密度。2鋁基復(fù)合材料的增強技術(shù)采用不同的增強體制備復(fù)合材料時，制備的工藝方法有所不同， 接下來簡單介紹不同增強體鋁基復(fù)合材料的制備方法。2.1納米相增

6、強鋁基復(fù)合材料制備技術(shù)由于納米相增強鋁基復(fù)合材料的制備方法和工藝過程的不同對 其結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用具有重要的影響，所以，納米相增強鋁基復(fù)合材 料的制備方法探索在鋁基納米復(fù)合材料科學研究中占有舉足輕重的 地位。2.1.1原位反應(yīng)合成法原位反應(yīng)合成法制備納米相增強鋁基復(fù)合材料的基本原理是通 過元素間或化合物間的化學反應(yīng)，在鋁基體內(nèi)原位生成一種或幾種高 硬度、高彈性模量的陶瓷材料增強相，從而達到增強鋁基體的目的 。 首先，由于原位反應(yīng)合成技術(shù)基本上能克服其它工藝通常出現(xiàn)的一系 列問題，如克服基體與增強體浸潤不良，界面反應(yīng)產(chǎn)生脆性層，增強 相分布不均勻，特別是納米級增強相極難進行復(fù)合問題等；其次，在 基

7、體中反應(yīng)生成的增強相熱力學穩(wěn)定，具有優(yōu)良的力學性能。董晟全和郭永春等利用原位反應(yīng)合成法制備出納米 AIN顆粒增 強鋁基復(fù)合材料。由于原位增強體納米顆粒AIN的產(chǎn)生，復(fù)合材料與 基體相比，其拉伸強度和伸長率都有所提高，室溫強度由 250 MPa曽 至280 MPa伸長率也提高了 1. 81%。2.1.2快速凝固工藝快速凝固(RS, Rapid Solidification)8對晶粒細化有著顯著的效果，利用RS工藝可以獲得與傳統(tǒng)材料性能迥異的新型材料。仝興 存9等將Rs工藝與熱擠壓成型技術(shù)相結(jié)合，成功地制備出 TiC/A1 原位復(fù)合材料，與常規(guī)熔鑄工藝相比，其室溫拉伸強度增加了 100 MPa 左

8、右，并表現(xiàn)出良好的高溫力學性能。2.1.3大塑性變形法大塑性變形法(SPD Severe plastic defornlation)10是近年來逐步發(fā)展起來的一種獨特的納米粒子鋁及鋁合金材料制備工藝。它是指鋁及鋁合金材料處于較低的溫度(通常低于0. 4Tm環(huán)境中，在大 的外部壓力作用下發(fā)生嚴重塑性變形，從而將材料的晶粒尺寸細化到 納米量級。Alexandmv等11 利用SPTS壓實微米級的鋁和納米級的陶瓷混合 粉末制備出相對密度大于98%的AI-5 % AI2O的高強度、高熱穩(wěn)定性 的納米相增強鋁基復(fù)合材料，力學性能測試結(jié)果表明，在Al-5 % Al2O3 復(fù)合材料樣品中發(fā)現(xiàn)了超塑性現(xiàn)象(40

9、0 C、塑性應(yīng)變率為10-4s-1的拉 伸實驗顯示，樣品失效前的延伸率幾乎高達200%，塑性應(yīng)變率靈敏度為0.35)。2.1.4高能球磨法高能球磨法(high energy ball milling)12是利用球磨機的高速轉(zhuǎn)動或振動，使研磨介質(zhì)對增強體進行強烈的撞擊、研磨和攪拌，將 其粉碎為納米級微粒的方法。K . D. Woo與D. L. Zhand13合作采用高能球磨法成功得到納米SiC顆粒增強A1-7% Si-0.4 % Mg質(zhì)量分數(shù))復(fù)合材料。由于高能球磨 過程中提高了混合粉末的擴散速率，引起燒結(jié)過程中粉末的燒結(jié)率也 加快了，燒結(jié)后的顯微結(jié)構(gòu)表明：其顆粒尺寸與用混合粉末直接燒結(jié) 的顆粒

10、相比明顯變小，同時燒結(jié)體的硬度也大大提高了。C. Goujon與P. Goeuriot 14在低溫條件下采用球磨+熱壓的方法制取了納米陶 瓷顆粒分布均勻且力學性能優(yōu)良的鋁基復(fù)合材料，所得到的納米顆粒尺寸均勻、顯微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。2.1.5濺射法濺射(sputteri ng)法問是采用高能粒子撞擊靶材的表面，與靶材 表面的原子或分子交換能量或動量，使得靶材表面的原子或分子從靶 材表面飛出后沉積到鋁基片上形成納米相增強鋁基復(fù)合材料。等離子濺射法16是一種改進的濺射法，它利用等離子區(qū)的高溫將 增強相熔融，再把熔融的增強相快速引向旋轉(zhuǎn)的鋁基體并在鋁基體上 沉積、冷卻，最后得到納米相增強鋁基復(fù)合材料。T. L

11、aha與A. Agarual16等利用等離子濺射法在鋁基上成功濺射 了碳納米管并對這種復(fù)合材料進行了研究分析。研究結(jié)果表明：碳納米管緊密黏附在鋁基體中；在高溫濺射過程中，碳納米管性能十分穩(wěn) 定，沒有生成氧化物；鋁基復(fù)合材料的硬度有了顯著提高。2.1.6溶膠-凝膠法溶膠-凝膠(sol-Gel)法17是20世紀60年代發(fā)展起來的一種制備玻璃、陶瓷等無機材料的新工藝，近年來許多人用此法制備納米微粒 來增強鋁基復(fù)合材料。其基本原理是：將醇鹽或無機鹽經(jīng)水解，然后 使溶質(zhì)聚合凝膠化，再經(jīng)凝膠干燥、煅燒，最后得到納米微粒，sol-Gel 法的優(yōu)點是：化學均勻性好，由于溶膠-凝膠過程中，溶膠由溶液制 得，故膠

12、粒內(nèi)及膠粒間化學成分完全一致。 純度高,粉體（特別是多 組分粉體）制備過程中無須機械混合。顆粒細，缺點是原料價格高、 有機溶劑的毒性以及在高溫下作熱處理時會使顆?？焖賵F聚等18-19。2.2碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料221粉末冶金技術(shù)粉末冶金技術(shù)又稱固態(tài)金屬擴散技術(shù)，此方法是將固態(tài)金屬粉末 和增強顆粒機械均勻混合，在一定的溫度和壓力條件下制造成型。 粉 末冶金技術(shù)具有一些獨特的特點，如制造溫度較低，減輕了和增強顆 粒之間的界面反應(yīng)，減少了界面上硬質(zhì)化合物的生成，增強顆粒的體 積分數(shù)比較高，而且分布均勻。但粉末冶金技術(shù)也存在著一些弊端， 如之間的大小和形狀受到一定限制，工藝程序多，制備周期長，成

13、本 高。美國著名的DWA復(fù)合材料專業(yè)公司就用粉末冶金法制得了碳化 硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料自行車車架， 設(shè)備支撐架等產(chǎn)品，并已達到 商品化。另外，美國ARC（公司、英國BP公司也在碳化硅顆粒增強鋁 基復(fù)合材料方面取得了顯著的成果20222鑄造技術(shù)鑄造技術(shù)是目前制備金屬基復(fù)合材料的主要方法，主要有液態(tài)攪拌法、半固態(tài)復(fù)合鑄造法、擠壓鑄造法、真空壓力滲透法、無壓力滲 透法、鑄造滲透法、超聲波法、中間合金法、噴射分散法、離心鑄造 法等多種工藝。目前，人們使用較多的是擠壓鑄造法，其具體方法是： 預(yù)先把碳化硅顆粒增強相用適當?shù)恼辰觿┱辰樱?制成預(yù)制塊，放入壓 型，澆入精煉的鋁基體金屬溶液，然后立即加壓，使熔

14、融的鋁基金屬 溶液浸滲到預(yù)制塊中，凝固后就得到所需的碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合 材料。這種工藝的優(yōu)點是：工藝及設(shè)備簡單，組織致密，無氣孔，材 料質(zhì)量穩(wěn)定，已工業(yè)化生產(chǎn)。豐田汽車公司曾用這種工藝制成了碳化 硅顆粒局部增強鋁基復(fù)合材料汽車發(fā)動機活塞21。2.2.3熔滲技術(shù)熔滲技術(shù)是指金屬液體與多孔性固體外表面相接觸，靠毛細管力 將金屬液體吸引到固體內(nèi)部。熔滲技術(shù)又分為壓力熔滲和無壓熔滲兩 種。壓力熔滲是預(yù)先把增強體用適當?shù)恼辰Y(jié)劑粘結(jié)，做成相應(yīng)形狀的預(yù)制件，放在金屬壓型內(nèi)的適當位置，澆注金屬液。并加壓使金屬液 摻入預(yù)制件間隙，凝固后就得到所要求的金屬基復(fù)合材料。 所加壓力 可采用液體壓力（擠壓鑄造）和氣

15、體壓力兩種。這種方法可排除對增 強物與金屬液結(jié)合有重要影響的潤濕性、 反應(yīng)性、比重差等重要因素 的干擾作用。在預(yù)制件制造得好以及熔滲時溫度、壓力等參數(shù)控制得 當?shù)那闆r下，可成功地制取滿意的復(fù)合材料22。Laxide公司提出了無壓熔滲工藝23。該工藝使基體合金放在可 控氣氛的加熱爐中加熱至基體合金液相線以上的溫度，在不加壓的情況下使合金熔體自發(fā)熔滲到顆粒層或預(yù)制塊中。因在無壓力作用下， 熔滲模具的選擇容易。但受熔滲溫度、環(huán)境氣體種類及顆粒大小等因 素影響，使該法受到一定局限。無壓滲透法以其設(shè)備簡單、操作方便、 成本低廉等特點近年來得到了普遍應(yīng)用。3結(jié)語總體而言，國外對鋁基復(fù)合材料的研究較早。近些

16、年來，國內(nèi)越 來越多的高校和研究所加入了鋁基復(fù)合材料增強的研究行列，并對該復(fù)合材料的組織、力學性能及其增強機制進行了較系統(tǒng)的研究，并取得了一定的研究成果。但是，鋁基復(fù)合材料的制備與應(yīng)用還存在很多 問題，還有待進一步的研究和解決。隨著科學技術(shù)的不斷向前發(fā)展，材料科學與其他學科的聯(lián)系也越 來越緊密。在以后的發(fā)展過程中，除了在傳統(tǒng)上不斷簡化工藝流程、 降低成本等除外，還應(yīng)使用計算機分析和模型設(shè)計， 使材料科學轉(zhuǎn)入 定量描述階段，建立金屬基復(fù)合材料的數(shù)據(jù)庫，進行金屬基復(fù)合材料 的計算機模擬、設(shè)計。此外，還需要引入的一個概念是生態(tài)環(huán)境復(fù)合 材料，重視金屬基復(fù)合材料的研究、開發(fā)、生產(chǎn)和使用過程中存在的 污

17、染問題和金屬基復(fù)合材料的回收再利用問題， 使其具有滿意的使用 性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性，實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展。參考文獻1 Hu H Q . Metal Solidification Theory M . Beijing : MechanicalIndustry Press 1991, 56.2 倪增磊，王愛琴，田可慶鋁基復(fù)合材料的制備方法J.材料熱處理技術(shù)，2011，40(20) :99-103.3 Vrquhart A W. Molten metals MMCs J . Advaneed Materials and Process 1991, 33(7): 26-28.4 高娃.噴射成形技術(shù)的

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