復(fù)合材料研究進(jìn)展

1、鋁基復(fù)合材料的制備和增強(qiáng)技術(shù)的研究進(jìn)展摘要 本文簡(jiǎn)單介紹了鋁基復(fù)合材料的一些基本的制備方法。對(duì)于納米相和碳化硅顆粒增強(qiáng)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 0前言 復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展需求而涌現(xiàn)出的具有強(qiáng)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(guò)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(diǎn),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(qiáng)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(xué)和物理性能,以滿(mǎn)足產(chǎn)品的需要。因此,

2、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(qiáng)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(wú)壓浸滲法 無(wú)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(lái)的一種制備復(fù)合材料的新工藝1，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(xiàn)以上溫度，在不加壓力和沒(méi)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(dòng)浸滲到顆粒層或預(yù)制塊中，最終形成所需的復(fù)合材料。Aghajanian 等2撰文指出， 要使自發(fā)滲透得以進(jìn)行，需具備兩個(gè)必要條件：鋁合金中一定含有Mg元素；氣氛為N2環(huán)境。影響該工藝的主要因素為

3、：浸滲溫度、顆粒大小和環(huán)境氣氛種類(lèi)。無(wú)壓滲透工藝的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)濕作用，通過(guò)適當(dāng)控制工藝條件，如合金成分、溫度、保溫時(shí)間和助滲劑等，可取得良好的潤(rùn)濕， 使自發(fā)浸滲得以進(jìn)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(shí)不可避免地會(huì)形成一層氧化膜，導(dǎo)致在致密化過(guò)程中合金元素的相互擴(kuò)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3。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Singer 教授于1968 年提出，后經(jīng)發(fā)展逐步形成了Osprey工藝、液體動(dòng)態(tài)壓實(shí)技術(shù)和受控噴

4、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(xì)小彌散的熔滴射流；霧化熔滴射流在高速氣流動(dòng)量作用下加速，并與氣流進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換；到達(dá)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(gè)薄的半液態(tài)層后順序凝固結(jié)晶， 逐步沉積生長(zhǎng)成為一個(gè)大塊致密的沉積坯4。液態(tài)金屬在噴霧沉積過(guò)程中的冷卻分為3個(gè)階段：金屬液霧化過(guò)程中的冷卻；霧化后液滴在冷卻介質(zhì)中飛行時(shí)的冷卻；半固態(tài)

5、的液滴沉積到基底上以后的冷卻。在噴射沉積過(guò)程中，增加霧化氣體壓力也可以細(xì)化噴霧沉積材料的組織，由于霧化氣體同時(shí)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(shì)必會(huì)造成金屬液在霧化及其飛行中的冷速增大，從而細(xì)化組織5。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(lái)了不利影響，必須經(jīng)過(guò)后續(xù)加工工藝，如熱鍛、熱擠壓、熱等靜壓等方法來(lái)提高其致密度。2鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)技術(shù) 采用不同的增強(qiáng)體制備復(fù)合材料時(shí)，制備的工藝方法有所不同，接下來(lái)簡(jiǎn)單介紹不同增強(qiáng)體鋁基復(fù)合材料的制備方法。 2.1 納米相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備技術(shù)由于納米相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法

6、和工藝過(guò)程的不同對(duì)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(qiáng)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(xué)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(qiáng)鋁基復(fù)合材料的基本原理是通過(guò)元素間或化合物間的化學(xué)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(qiáng)相，從而達(dá)到增強(qiáng)鋁基體的目的6。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(wèn)題，如克服基體與增強(qiáng)體浸潤(rùn)不良，界面反應(yīng)產(chǎn)生脆性層，增強(qiáng)相分布不均勻，特別是納米級(jí)增強(qiáng)相極難進(jìn)行復(fù)合問(wèn)題等；其次，在基體中反應(yīng)生成的增強(qiáng)相熱力學(xué)穩(wěn)定，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。董晟全和郭永春7等利用原

7、位反應(yīng)合成法制備出納米AlN顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。由于原位增強(qiáng)體納米顆粒AlN的產(chǎn)生，復(fù)合材料與基體相比，其拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都有所提高，室溫強(qiáng)度由250 MPa增至280 MPa，伸長(zhǎng)率也提高了181。2.1.2 快速凝固工藝快速凝固(RS，Rapid Solidification)8對(duì)晶粒細(xì)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TiCA1原位復(fù)合材料，與常規(guī)熔鑄工藝相比，其室溫拉伸強(qiáng)度增加了100 MPa左右，并表現(xiàn)出良好的高溫力學(xué)性能。2.1.3 大塑性變形法大塑性變形法(SPD，Severe plast

8、ic defornlation)10是近年來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)的一種獨(dú)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04Tm)環(huán)境中，在大的外部壓力作用下發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，從而將材料的晶粒尺寸細(xì)化到納米量級(jí)。Alexandmv等11利用SPTS壓實(shí)微米級(jí)的鋁和納米級(jí)的陶瓷混合粉末制備出相對(duì)密度大于98的Al-5Al2O3的高強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性的納米相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，在Al-5Al2O3復(fù)合材料樣品中發(fā)現(xiàn)了超塑性現(xiàn)象(400、塑性應(yīng)變率為10-4s-1的拉伸實(shí)驗(yàn)顯示，樣品失效前的延伸率幾乎高達(dá)200，塑性應(yīng)變率靈敏度為0.35)。2.1.4 高能

9、球磨法 高能球磨法(high energy ball milling)12是利用球磨機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)，使研磨介質(zhì)對(duì)增強(qiáng)體進(jìn)行強(qiáng)烈的撞擊、研磨和攪拌，將其粉碎為納米級(jí)微粒的方法。 KDWoo與DLZhang13合作采用高能球磨法成功得到納米SiC顆粒增強(qiáng)A1-7Si-0.4Mg(質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料。由于高能球磨過(guò)程中提高了混合粉末的擴(kuò)散速率，引起燒結(jié)過(guò)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)的顆粒相比明顯變小，同時(shí)燒結(jié)體的硬度也大大提高了。CGoujon與PGoeuriot14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(xué)性能優(yōu)良的鋁基復(fù)

10、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(sputtering)法15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(dòng)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(qiáng)鋁基復(fù)合材料。等離子濺射法16是一種改進(jìn)的濺射法，它利用等離子區(qū)的高溫將增強(qiáng)相熔融，再把熔融的增強(qiáng)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(qiáng)鋁基復(fù)合材料。TLaha與AAgarual16等利用等離子濺射法在鋁基上成功濺射了碳納米管并對(duì)這種復(fù)合材料進(jìn)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(guò)程中，碳納米管性能十分穩(wěn)定

11、，沒(méi)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(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種制備玻璃、陶瓷等無(wú)機(jī)材料的新工藝，近年來(lái)許多人用此法制備納米微粒來(lái)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。其基本原理是：將醇鹽或無(wú)機(jī)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(diǎn)是：化學(xué)均勻性好，由于溶膠-凝膠過(guò)程中,溶膠由溶液制得，故膠粒內(nèi)及膠粒間化學(xué)成分完全一致。純度高,粉體(特別是多組分粉體)制備過(guò)程中無(wú)須機(jī)械混合。顆粒細(xì)，缺點(diǎn)是原料價(jià)格高、有機(jī)溶劑的毒性以及在高溫下作熱處理時(shí)會(huì)使顆?？焖賵F(tuán)聚等18-19。2.2 碳化硅顆粒增

12、強(qiáng)鋁基復(fù)合材料2.2.1 粉末冶金技術(shù) 粉末冶金技術(shù)又稱(chēng)固態(tài)金屬擴(kuò)散技術(shù)，此方法是將固態(tài)金屬粉末和增強(qiáng)顆粒機(jī)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(dú)特的特點(diǎn)，如制造溫度較低，減輕了和增強(qiáng)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(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?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(zhǎng)，成本高。美國(guó)著名的DWA復(fù)合材料專(zhuān)業(yè)公司就用粉末冶金法制得了碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料自行車(chē)車(chē)架，設(shè)備支撐架等產(chǎn)品，并已達(dá)到商品化。另外，美國(guó)ARCO公司、英國(guó)BP公司也在碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料方面取得了

13、顯著的成果20。 2.2.2 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(wú)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(qiáng)相用適當(dāng)?shù)恼辰觿┱辰?，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(qiáng)鋁基復(fù)合材料。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是：工藝及設(shè)備簡(jiǎn)單，組織致密，無(wú)氣孔，材料質(zhì)量穩(wěn)定，已工業(yè)化生產(chǎn)。豐田汽車(chē)公司曾用這種工藝制成了碳化硅顆粒局部增強(qiáng)鋁基復(fù)合材

14、料汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(xì)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(wú)壓熔滲兩種。壓力熔滲是預(yù)先把增強(qiáng)體用適當(dāng)?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(dāng)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）和氣體壓力兩種。這種方法可排除對(duì)增強(qiáng)物與金屬液結(jié)合有重要影響的潤(rùn)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(shí)溫度、壓力等參數(shù)控制得當(dāng)?shù)那闆r下，可成功地制取滿(mǎn)意的復(fù)合材料22。Laxide 公司提出了無(wú)壓熔滲工藝

15、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(xiàn)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(wú)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(lèi)及顆粒大小等因素影響，使該法受到一定局限。無(wú)壓滲透法以其設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉等特點(diǎn)近年來(lái)得到了普遍應(yīng)用。3 結(jié)語(yǔ)總體而言，國(guó)外對(duì)鋁基復(fù)合材料的研究較早。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的高校和研究所加入了鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)的研究行列，并對(duì)該復(fù)合材料的組織、力學(xué)性能及其增強(qiáng)機(jī)制進(jìn)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(wèn)題，還有待進(jìn)一步的研究和解決。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷

16、向前發(fā)展，材料科學(xué)與其他學(xué)科的聯(lián)系也越來(lái)越緊密。在以后的發(fā)展過(guò)程中，除了在傳統(tǒng)上不斷簡(jiǎn)化工藝流程、降低成本等除外，還應(yīng)使用計(jì)算機(jī)分析和模型設(shè)計(jì)，使材料科學(xué)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(kù)，進(jìn)行金屬基復(fù)合材料的計(jì)算機(jī)模擬、設(shè)計(jì)。此外，還需要引入的一個(gè)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(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和使用過(guò)程中存在的污染問(wèn)題和金屬基復(fù)合材料的回收再利用問(wèn)題，使其具有滿(mǎn)意的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展。參考文獻(xiàn)1 Hu H QMetal Solidification Theory MBeijing：MechanicalIndustry Press，1991

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