金屬基復(fù)合材料性能的影響因素

1、金屬基復(fù)合材料性能的影響因素摘要：金屬基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展非常迅速。但其性能一致性差的問題制約了其應(yīng)用，因此復(fù)合材料的性能設(shè)計(jì)受到了普遍的關(guān)注。本文綜述了基體、增強(qiáng)體、基體與增強(qiáng)體相容性、工藝、界面等因素對金屬基復(fù)合材料性能的影響。關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料 性能 影響因素 設(shè)計(jì)1 引言金屬基復(fù)合材料被譽(yù)為21世紀(jì)的材料, 它兼有金屬的塑性和韌性，以及其它材料如陶瓷的高強(qiáng)度和高剛度，而且比重小，因此具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和更好的熱穩(wěn)定性、耐磨性以及尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，從而在機(jī)械、汽車、航空航天、兵器、電子等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用13。盡管金屬基復(fù)合材料在過去

2、的30年里在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的研究和發(fā)展，但是還沒有在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，其原因主要在于它的成本高、性能低于期望值、相對較低的穩(wěn)定性和大的性能波動、不可回收利用、環(huán)境污染等幾個(gè)障礙45。目前在國內(nèi)發(fā)展復(fù)合材料，關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)低成本、高性能、一致性好、穩(wěn)定的制備技術(shù)和根據(jù)力學(xué)原理以及使用者的期望設(shè)計(jì)出令用戶滿意的性價(jià)比的材料。這就涉及到復(fù)合材料的設(shè)計(jì)問題，而性能決定了復(fù)合材料在工程上的應(yīng)用，所以性能的影響因素一直是研究的熱點(diǎn)。但是由于金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理不明確，至今在金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)理論上還存在著較大的盲目性。因此對復(fù)合材料性能的影響因素的研究是一個(gè)使金屬基復(fù)合材料走出低谷獲得突破的

3、重要課題。2 影響金屬基復(fù)合材料的因素2.1 基體的影響不同的基體對復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、結(jié)合強(qiáng)度有較大的影響。但并不是基體強(qiáng)度越高，復(fù)合材料的強(qiáng)度越高，而是存在一個(gè)最佳匹配6。姜龍濤等7對AlN顆粒在不同鋁合金中的增強(qiáng)行為的研究表明，在低強(qiáng)度的L3純鋁上可以得到最大的增強(qiáng)率，而在高強(qiáng)度的LY12合金上沒有得到高的增強(qiáng)率，相比之下具有良好塑性和較高強(qiáng)度的LD2合金作為基體時(shí)，具有較高的強(qiáng)度。而康國政等8認(rèn)為基體本身的強(qiáng)度較低時(shí)，復(fù)合材料中基體的強(qiáng)度將有較大幅度的提高，因此對基體本身強(qiáng)度較低的復(fù)合材料通過基體原位性能的大幅度提高使復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的提高十分明顯。這些研究都說明基體同增強(qiáng)體

4、之間存在著優(yōu)化選擇、合理匹配的問題。基體的合金化也對復(fù)合材料的強(qiáng)度有重要影響。Tsudo等9探討過鋁合金成分對Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。他們的研究表明Cu和Ni加到鋁合金中，高溫時(shí)抗彎強(qiáng)度增加，增加Al的體積分?jǐn)?shù)也能增加抗彎強(qiáng)度另外稀土元素的加入也能提高復(fù)合材料的強(qiáng)度，如稀土Ce的加入對基體起著強(qiáng)化作用10。但是稀土元素對復(fù)合材料具體的強(qiáng)化原因目前尚未有一致的結(jié)論。2.2 增強(qiáng)體的影響增強(qiáng)體的加入可以通過對基體金屬的顯微組織，如亞結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)組態(tài)、晶粒尺寸及材料密度等的改變，改善和彌補(bǔ)基體金屬性能上的不足。增強(qiáng)體的性質(zhì)對復(fù)合材料的強(qiáng)度起著至關(guān)重要的作用。加入增強(qiáng)體后，材料的抗

5、拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有所提高。增強(qiáng)體的主要貢獻(xiàn)是通過基體合金的微觀組織變化實(shí)現(xiàn)的，另外它是載荷的主要承受者，其次它對位錯(cuò)的產(chǎn)生，亞晶結(jié)構(gòu)細(xì)化也起著重要的影響。例如SiCpAl復(fù)合材料由于增強(qiáng)顆粒的加入，晶界面積增加，固溶處理時(shí)，基體內(nèi)由于熱錯(cuò)配產(chǎn)生的位錯(cuò)，異號位錯(cuò)相互抵消，同號位錯(cuò)則經(jīng)攀移排列成垂直于滑移晶面的小角度晶界形成亞晶界，這樣亞晶界面積也隨之相應(yīng)增加。由Hall-Petch關(guān)系式可知，晶界、亞晶界的增加，基體合金晶粒、亞晶結(jié)構(gòu)和共晶Si顆粒細(xì)化，可在一定程度上提高復(fù)合材料的強(qiáng)度11。2.3 基體和增強(qiáng)體相容性的影響基體合金與顆粒增強(qiáng)體之間的界面相容性也是一個(gè)必須重視的問題。尤其當(dāng)采用鋁

6、合金為基體時(shí)，界面上常出現(xiàn)氧化物元素富集等現(xiàn)象，有時(shí)界面上基體與增強(qiáng)體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新相，如Al4C3、MgO或MgAl2O4。因此對于不同的顆粒增強(qiáng)體，為避免界面反應(yīng)物產(chǎn)生的危害，在保證復(fù)合材料性能的前提下基體合金的成分應(yīng)有所調(diào)整。由于鋁合金中的不同溶質(zhì)元素所引起的時(shí)效析出行為具有一定的差異，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料對基體的顯微組織十分敏感。從這一角度出發(fā)，為充分發(fā)揮復(fù)合材料的性能優(yōu)越性，也必須選擇合適的基體合金12。此外，顆粒增強(qiáng)體的加入，導(dǎo)致了基體合金的微觀組織發(fā)生顯著的變化。主要體現(xiàn)為，由于基體和增強(qiáng)體熱膨脹系數(shù)（CET）的差別引起的錯(cuò)配應(yīng)力在基體中誘發(fā)了高密度位錯(cuò)、晶粒尺寸變化、殘余應(yīng)

7、力（熱錯(cuò)配應(yīng)力）、時(shí)效析出組織等。這些微觀組織的改變都會不同程度地對復(fù)合材料的性能產(chǎn)生重要的影響12。2.4 工藝的影響不同的制備方法使得復(fù)合材料的性能有很大的差異。熱處理工藝，例如淬火就能對復(fù)合材料起到一定的強(qiáng)化作用。時(shí)效對復(fù)合材料也有明顯的強(qiáng)化作用。二次加工對復(fù)合材料的強(qiáng)度也有很大的影響。原位生成法制備的復(fù)合材料，由于原位增強(qiáng)相不僅尺寸非常細(xì)?。ㄒ话?um），而且與基體有著良好的界面相容性，從而使得這種復(fù)合材料較傳統(tǒng)的外加增強(qiáng)相復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度。高能球磨法使增強(qiáng)體顆粒彌散均勻分布于基體中，而常規(guī)混合法制備的復(fù)合材料中存在增強(qiáng)體顆粒的偏聚現(xiàn)象13。顆粒越均勻越有利于提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。

8、2.5 界面的影響界面是復(fù)合材料中普遍存在且非常重要的組成部分，是影響復(fù)合材料行為的關(guān)鍵因素之一。金屬基復(fù)合材料宏觀性能的好壞很大程度上取決于基體和增強(qiáng)體之間的界面結(jié)合狀況14。而溫度時(shí)間引起的界面反應(yīng)是金屬基復(fù)合材料中大多數(shù)承載體不能發(fā)揮最佳性能的主要原因之一。為了獲得更高的強(qiáng)度，應(yīng)該形成穩(wěn)定的界面結(jié)合。界面結(jié)構(gòu)與性能是基體和增強(qiáng)體性能能否充分發(fā)揮，形成最佳綜合性能的關(guān)鍵。金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有3種結(jié)合類型5種結(jié)合方式4，而且界面區(qū)尺寸為納米級，難以分析表征，很多問題在理論上難以解釋。為了兼顧有效傳遞載荷和阻止裂紋擴(kuò)展兩個(gè)方面，必須要有最佳的界面結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度。目前有很多界面優(yōu)

9、化的方法，具體手段有：金屬基體合金化、增強(qiáng)體表面涂層處理、改變粘結(jié)劑及制備工藝和參數(shù)的控制等。3 結(jié)束語金屬基復(fù)合材料作為新興的材料，具有特殊的優(yōu)異性能，更由于其可設(shè)計(jì)性，被認(rèn)為是具有很大實(shí)用價(jià)值的先進(jìn)材料。金屬基復(fù)合材料在提高其性能及加工方面仍處于研究階段。影響金屬基復(fù)合材料性能除了以上這些內(nèi)部因素外，還有很多外部因素，如溫度、環(huán)境都會對金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。如何有效地利用有利因素，去除不利因素，從而提高金屬基復(fù)合材料的性能是個(gè)值得進(jìn)一步探討的問題。參考文獻(xiàn)1 孫國雄，廖恒成，潘冶顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)和界面反應(yīng)與控制J特種鑄造及有色合金，1998，(4)：122 王軍，賈

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