鋁基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀與研究

鋁基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀與研究摘要：隨著現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料的性能要求越來(lái)越高，目前，鋁基復(fù)合材料由于其優(yōu)良的性能已經(jīng)成為現(xiàn)時(shí)研究的熱點(diǎn)。闡述了鋁基復(fù)合材料的基本性能及應(yīng)用情況，總結(jié)了近幾年關(guān)于鋁基復(fù)合材料的主要研究成果與發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：鋁基復(fù)合材料,材料性能,研究成果,趨勢(shì)DevelopmentandprogressofaluminiummatrixcompositesTangnong-jAbstract:Withthedevelopmentofmodernmanufacturingtechnology,Thematerialperformancerequirementsmoreandmorehigh,Thedevelopmentofaluminummatrixcompositematerialswasreviewedwiththeirproperties.Espectivelyinaccordancewiththeclassestowhichtheybelong.Thefundamentalpropertyandapplicationfieldofaluminummatrixcompositewerebrieflyintroduced.Themainresearchachievementsanddevelopmentweresummarizedinrecentyears.Meanwhile,theoutlookofitsdevelopmentwasputforward.Keywords:aluminiummatrixcomposites,materialproperties,researchfindings,trend

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。復(fù)合材料包括三類(lèi)：聚合物基復(fù)合材料(PMC)、金屬基復(fù)合材料(MMC)和陶瓷基復(fù)合材料(CMC)[1]。在金屬基復(fù)合材料中，鋁基復(fù)合材料具有比基體更高的比強(qiáng)度，比模量和低的熱膨脹系數(shù)，尤其是彌散增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料不僅具有各向同性特征，鋁基復(fù)合材料是以金屬鋁及其合金為基體，以金屬或非金屬顆粒、晶須或纖維為增強(qiáng)相的非均質(zhì)混合物。在金屬基復(fù)合材料中占主導(dǎo)地位。而且具有可加工和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。1鋁基復(fù)合材料的基本性能鋁基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)主要由基體、增強(qiáng)材料、中間相和界面組成，其性能取決于基體合金和增強(qiáng)物的特性、含量和分布等。與基體合金相比,鋁基復(fù)合材料具有許多優(yōu)良的性能[2]。1.1強(qiáng)度、模量與塑性增強(qiáng)體的加入在提高鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度和模量的同時(shí)，降低了塑性。大量研究表明，SiC增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料較相應(yīng)的鋁-硅合金具有較高的強(qiáng)度，并隨著SiC體積分?jǐn)?shù)的增大，其強(qiáng)度和模量均有較大程度的提高，而塑性卻降低，且在SiCP/Al復(fù)合材料中加入更為細(xì)小的彌散質(zhì)點(diǎn)Al4C3和Al2O3可以明顯提高復(fù)合材料的強(qiáng)度[3]。另外增強(qiáng)相的加入又賦予材料一些特殊性能[4]，這樣不同金屬與合金基體及不同增強(qiáng)體的優(yōu)化組合，就使金屬基復(fù)合材料具有各種特殊性能和優(yōu)異的綜合性能。表1是不同的鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能。表1不同鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能Tab.1Themechanicalpropertiesofaluminummatrixcomposite增強(qiáng)相/基體增強(qiáng)相含量（vol%）拉伸強(qiáng)度/Mpa彈性模量/GPa伸長(zhǎng)率（%）Al2O3/Al-1.5Mg20226955.9SiC/Al-4Cu15476922.3SiCp/ZL101203751011.64CF/Al26387121.2疲勞與斷裂韌性鋁基復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命一般比基體金屬高，這與剛度及強(qiáng)度的提高有關(guān)，而斷裂韌性卻下降。影響復(fù)合材料疲勞性能和斷裂的主要因素有增強(qiáng)物與基體的界面結(jié)合狀態(tài)、基體與增強(qiáng)物本身的特性和增強(qiáng)物在基體中的分布界面是連接基體和增強(qiáng)體的“橋梁”。金屬基復(fù)合材料宏觀性能的好壞在很程度上取決于基體和增強(qiáng)體之間的界面結(jié)合狀況[10]。一般情況下，隨著反應(yīng)程度增加，界面結(jié)合強(qiáng)度亦增加，但由于界面產(chǎn)物多為脆性物質(zhì)，而當(dāng)界面層達(dá)到一定厚度時(shí)，界面上的殘余應(yīng)力可使界面破壞[11]。并且過(guò)度的界面反應(yīng)可能損傷纖維，使其強(qiáng)度降低。3.2界面的優(yōu)化由前述可知，控制界面反應(yīng)可以?xún)?yōu)化界面?？刂平缑娣磻?yīng)的方法有增強(qiáng)體預(yù)處理、基體金屬合金化以及優(yōu)化制備工藝參數(shù)等。優(yōu)化工藝參數(shù)包括對(duì)制備的溫度、反應(yīng)的時(shí)問(wèn)、壓力、氣氛等的控制。過(guò)低的制備溫度導(dǎo)致增強(qiáng)體和基體金屬的界面活性太低，從而不能良好潤(rùn)濕；而過(guò)高的制備溫度會(huì)造成過(guò)度界面反應(yīng)的發(fā)生[12]。對(duì)增強(qiáng)體進(jìn)行預(yù)處理可以顯著改善其與金屬基體液的潤(rùn)濕性，控制過(guò)度界面反應(yīng)的發(fā)生。增強(qiáng)體預(yù)處理的方法有很多，如在SiC表面涂覆一層Ni或Cu；對(duì)從Al2O3顆粒進(jìn)行稀土表面改性也可以提高界面潤(rùn)濕性[13]，還有研究人員通過(guò)對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行高溫氧化處理以改善潤(rùn)濕性，并認(rèn)為高溫氧化足一種簡(jiǎn)單有效的方法。4鋁基復(fù)合材料的現(xiàn)狀近幾十年來(lái)，經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家的持續(xù)不斷的努力研究，鋁基復(fù)合材料得到了異乎尋常的發(fā)展。不僅探索和改進(jìn)了如上所述的很多制造工藝和設(shè)備，試制出各種類(lèi)型的鋁基復(fù)合材料，包括連續(xù)纖維增強(qiáng)的和顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)的。而且在美、日、加拿大等一些發(fā)達(dá)國(guó)家已投入不同規(guī)模的批量生產(chǎn)，開(kāi)始作為商品供應(yīng)市場(chǎng)。并已在航空航天工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、運(yùn)動(dòng)器材等方面得到應(yīng)用[14]。4.1連續(xù)纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料美國(guó)Textron特殊材料公司用固態(tài)擴(kuò)散結(jié)合法制成SiC連續(xù)纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，他們的工藝過(guò)程是先把SiC連續(xù)纖維纏在滾筒上，再用等離子噴濺的方法把鋁基合金噴上去，然后把這鋁合金一連續(xù)纖維的復(fù)合片堆疊起來(lái)進(jìn)行熱等靜壓，這樣制成的復(fù)合材料性能很高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1500MPa以上，楊氏模量達(dá)200GPa，密度則僅為2.7克/厘米[15]，所以深受航空航天工業(yè)的歡迎，以它做成的工梁和板材已制成戰(zhàn)斗機(jī)尾垂，并通過(guò)鑒定。4.2顆粒、晶須或短纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料用粉末冶金方法制造這種類(lèi)型的鋁基復(fù)合材料有很多優(yōu)點(diǎn)，從七十年代起就有美國(guó)DWA復(fù)合材料專(zhuān)業(yè)公司等開(kāi)始研制，現(xiàn)在美國(guó)的DWA復(fù)合材料專(zhuān)業(yè)公司、ARCO化學(xué)公司所屬的先進(jìn)復(fù)合材料分公司(ACMC)和INCO公司所屬Novamet工廠以及英國(guó)石油研究中心(BritishPetroleumResearehCenter)等都已研制成功，投入生產(chǎn),初步達(dá)到商品化。DWA和ACMC公司都把出產(chǎn)的粉末冶金鋁基復(fù)合材料分為結(jié)構(gòu)材料級(jí)、電子材料級(jí)、儀表材料級(jí)和光學(xué)材料級(jí)四類(lèi)。性能都很優(yōu)良[9]。如ACMC公司生產(chǎn)的SXA結(jié)構(gòu)級(jí)材料，30-35vol%SiC/2024Al復(fù)合材料,抗拉強(qiáng)度達(dá)800MPa,屈服強(qiáng)度達(dá)690MPa,彈性模量則高于150GPa，都大大高于基體合金，而密度在2.89g/m左右，熱膨脹系數(shù)約在8~10x10-5/℃之間，都低于基體[16]，很適合用作航空航天的結(jié)構(gòu)材料。4.3碳管納米增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料納米材料的尺寸非常細(xì)小(1～100nm)，形狀多為規(guī)則的近球狀，因此，在鋁基復(fù)合材料的制備中以納米級(jí)顆粒作為增強(qiáng)相，能改善增強(qiáng)相與基體的結(jié)合界面，提高結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而提高鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能和理化性能等。隨著碳納米管(CNTs)的出現(xiàn)和納米晶材料研究的深入，為復(fù)合材料性能的進(jìn)一步提高提供了一個(gè)新的途徑[17]。CNTs具有極小的尺度及優(yōu)異的力學(xué)性能，其封閉中空管狀結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，并且具有優(yōu)異的力學(xué)性能，因此，碳納米管作為一維納米晶須增強(qiáng)材料在復(fù)合材料中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。為了滿(mǎn)足航空航天等領(lǐng)域?qū)Σ牧细弑葟?qiáng)度、高比模量和耐磨損的要求，將碳管納米用于制備鋁基復(fù)合材料，并取得優(yōu)異力學(xué)性能，已成為極具潛在應(yīng)用價(jià)值的復(fù)合材料。日本和西歐諸國(guó)也正致力于發(fā)展各種類(lèi)型的鋁基復(fù)合材料[18]。日本的豐田汽車(chē)公司是最早用浸滲法制造陶瓷短纖維局部增強(qiáng)鋁活塞獲得成功的,年產(chǎn)量已在十萬(wàn)只以上，這現(xiàn)在仍是受到肯定和在發(fā)展的，同時(shí)日本也發(fā)展了粉末冶金和熔鑄等多種方法。此外，西歐的法德等國(guó)在這方面的研究和開(kāi)發(fā)也很活躍[19]?？梢哉f(shuō)，在當(dāng)前這時(shí)代，鋁基復(fù)合材料正在世界范圍內(nèi)方興未艾地蓬勃發(fā)展。5展望鋁基復(fù)合材料兼有鋁合金的低比重和良好的韌性、延展性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性。以及陶瓷的高強(qiáng)度、高剛度、高硬度和突出的耐磨性，還有優(yōu)良的高溫性能和熱穩(wěn)定性。是很理想的結(jié)構(gòu)材料?？v觀國(guó)內(nèi)外，對(duì)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用研究方面，主要集中在SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,并且取得很大的成就[21]。在現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展和技術(shù)水平的高要求下，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料將以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。但同時(shí)也應(yīng)看到，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在未來(lái)的時(shí)間里要取得更進(jìn)一步發(fā)展，并列入規(guī)?；a(chǎn)的行列，還需要進(jìn)行更多的探索和實(shí)踐。少數(shù)國(guó)家如美國(guó)、日本、加拿大等已進(jìn)入應(yīng)用階段，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，研究的深度和廣度也很有限[22]。相信在不久的將來(lái)，鋁基復(fù)合材料的制造工藝會(huì)更簡(jiǎn)單，成本會(huì)更低，使用范圍會(huì)更廣。參考文獻(xiàn)：[1].王雙喜,劉雪敬,孫家森.鋁基復(fù)合材料的制備工藝[J].熱加工工藝,2006,35(1):65-69.[2].王麗雪,曹麗云,劉海鷗.鋁基復(fù)合材料研究的進(jìn)展[J].輕合金加工技術(shù),2005,33(8):10-12.[3].黃勇攀,李道火,王銳,等.鋁基復(fù)合材料的性能、應(yīng)用及制造工藝[J].湖南冶金,2004,32(2):3-6.[4].賀春林,劉常升,孫旭東,等.納米SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的拉伸性能[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,26(6):554-556.[5].吳人潔.金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀與展望[J].金屬學(xué)報(bào),1997,33(1):79-84.[6].JiaChunlei.StudyondampingbehaviorofFeAl3reinforcedcommercialpurityaluminum[J].MaterialsandDesign,2007,(28):1711-1713.[7].王寶順,呂一中,崔巖,等.SiCp/Al復(fù)合材料半金屬剎車(chē)材料干摩擦磨損性能研究[J].材料工程,2007,(6):7-14.[8].張強(qiáng),武高輝,孫東立,等.高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料的微觀組織與導(dǎo)熱性能[J].材料科學(xué)與工藝,2006,14(5):474-477.[9].宋偉.金屬基復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用[J].鑄造設(shè)備研究,2004,(5):48-50.[10].TAMEROzben,EROLKilickap,ORHANCakir.InvestigationOfmechanicalandmachinabilitypropertiesOfSiCparticlereinforcedAI—MMC[J].JoumalofMaterialsProcessingTechnology,2008,98:220—225．[11].王文明,潘復(fù)生,LUYun,等.碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的研究現(xiàn)狀[J].兵器材料科學(xué)與工程,2004,27(3):61—67.[12].陳子勇,舒群,陳玉勇,高強(qiáng)鑄造鋁合金顯微組織與力學(xué)性能的研究[J].材料科學(xué)與工藝.2007,15(5):718—722．[14].PengYu,KwokCK,ToCY,etal.EnhancedprecipitationhardeninginanaluminareinforcedAl-Cualloymatrixcomposite[J].ScienceDirect,2007,01(10):1-5.[15].朱龍駒,陳喜江,齊斌,等.高速列車(chē)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)及其閘片制[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛,2006,29(1):1-5.[16].NairSV,TienJK,BatesRC.SiCpreinforcedaluminummetalmatrixcomposites[J].Int.Met.Rev.,1985,30:275-290.[17].VALDEZS.SynthesisandmicrostructuralcharacterizationofAl—Mgalloy·SiCparticleComtxosite,Mat.Lett.doi:10.1016／j.matlet.2008—01一002.[18].MONDOLFOLF.Alu