铝基复合材料

铝基复合材料及其应用 1 铝基复合材料之 综述 基体与增强体 种类及分类IV 生产工艺V 结构与性能VI 应用及发展趋势 导读 2 基复合材料的综述 复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料 它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成 复合材料可分为三类 聚合物基复合材料 PMCs 金属基复合材料 MMCs 陶瓷基复合材料 CMCs 金属基复合材料常用基体有铝 镍 镁 钛及其合金 3 铝基复合材料基体 铝有许多特点 如质量轻 密度小 可塑性好 熔点低制备工艺简单 铝基复合技术容易掌握 易于加工 比强度和比刚度高 高温性能好 更耐疲劳和更耐磨 阻尼性能好 热膨胀系数低 同其他复合材料一样 它能组合特定的力学和物理性能 以满足产品的需要 因此 铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的 最重要的材料之一 4 常见铝基体 工业纯铝铸造冶金变形铝合金 2014 2024 2124等 且不选含MnCr的铝合金 因其产生脆性相 粉末冶金变形铝合金铸造铝合金新型铝合金 5 复合材料增强基 分类 连续的和非连续的纤维 晶须 颗粒 特性 高强度 高模量 高刚度 抗疲劳 耐热 耐磨 抗腐蚀 热膨胀系数小 导电 导热以及润湿性 化学相容性 易加工等 铝基复合材料的增强纤维有硼纤维 碳纤维 碳化硅纤维等 6 铝复合材料的种类与分类 铝合金材料可按增强相 铝基体及材料特性三方面进行分类 按增强体分类 长纤维增强复合材料短纤维增强复合材料颗粒增强复合材料混合增强复合材料纳米复合材料层合复合材料倾泻复合材料表面复合材料 7 铸造铝合金基复合材料变形铝合金基复合材料以铝基体分类工业纯铝基复合材料新型铝合金基复合材料结构复合材料以特性分类功能复合材料智能复合材料 8 铝基复合材料的制造工艺 连续纤维增强铝基复合材料的制造1粉末冶金法2高能 高速固结工艺3压力浸渗铸造工艺4液态金属搅拌铸造法 9 粉末冶金法 粉末冶金法是最早用来制造铝基复合材料的方法 是一种比较成熟的工艺方法 采用粉末冶金法时 首先将颗粒增强物和铝合金粉末用机械手段均匀混合 进行冷压实 然后加热除气 在液相线与固相线之间进行真空热压烧结 得到复合材料的坯料 在将坯料进行挤压 轧制 锻造 拉拔等二次加工就可制成所要的型材零件 优点 可将增强物颗粒和铝合金粉按任意比例混合 而且混合均匀性好 不会出现偏析和偏聚 制备的复合材料机械性能较高 缺点 粉末冶金法制造工艺及装备复杂 生产成本高 图1是粉末冶金法制备颗粒增强铝基复合材料的工艺流程图 10 11 高能 高速固结工艺 这种工艺是在短时间内使陶瓷颗粒和铝合金粉末的混合物受到高脉冲电流的放电作用后 迅速提高能量 并在较小外力作用下 使之固结成复合材料的工艺 优点 高能量高速度脉冲有利于将冷模中的导电粉体快速加热到指定温度 从而控制相变和组织粗化 这是常规粉末冶金工艺无法实现的 高能 高速固结工艺可使复合材料的相对密度达95 以上 12 压力浸渗工艺 压力浸渗工艺是先将增强体制成预制件 再将预制件放入模具后 以惰性气体或机械装置为压力媒体将铝液压入预制件的间隙 凝固后即形成复合材料 这种工艺简单 但预制件中的气体不易在凝固前排出而造成气孔与疏松 同时预制件也易产生变形和偏移 13 液态金属搅拌铸造法 液态金属搅拌铸造法的基本原理是将颗粒增强物直接加入到熔融的铝合金中 通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在基体熔体中 复合成颗粒增强铝基复合材料 复合好的熔体可浇铸成锭坯 铸件等使用 这种工艺简单 生产效率高 制造成本低廉 复合好的铸锭经重熔后 可精密压成各种型材 管材 棒材等 它是目前最成熟 最具竞争力 也是工业化规模生产铝基复合材料的最主要的方法 14 铝合金复合材料的结构与性能 碳纤维增强铝基复合材料结构 用液态浸渍法制备其铝基中无方向性 表明具有各向异性 用固态热压法制备其铝基中含有纤维表明具有较高拉伸强度 15 长纤维增强铝基复合材料性能1 硼 铝复合材料特点 有优异的疲劳强度 比强度和比模量高 尺寸稳定性好 线膨胀系数与半导体芯片非常接近 硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱 16 二 短纤维增强铝基复合材料特点 在室温和高温下的弹性模量有较大的提高 但线膨胀系数由所下降 耐磨性改善 并具有良好的的导热性 17 2 碳 铝复合材料特点 碳纤维的长度与直径比例对碳 铝复合材料的性能有很大的影响 当长径比增大时 抗拉强度增大 增大到一定值时 抗拉强度又开始减少 18 三 晶须和颗粒增强铝基复合材料特点 优异的性能 制造方法简单 增强体主要是碳化硅和氧化铝 碳化硅 随它的含量增加 抗拉强度和弹性模量都增加氧化铝 比强度和比刚度高 碳化硅 19 铝基复合材料的应用 1 在汽车领域的应用美国的Duralcan研制出用SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘 用其代替传统铸铁制动盘 使其重量减轻了60 40 而且提高了耐磨性能 噪音明显减小 摩擦散热快 同时该公司还用SiC颗粒增强铝基复合材料制造了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件 这种汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性 良好的耐高温性能和抗咬合性能 同时热膨胀系数更小 导热性更好 20 用SiCp Al复合材料制成的汽车齿轮箱在强度和耐磨性方面均比铝合金齿轮箱有明显的提高 铝合金复合材料也可以用来制造刹车转子 刹车活塞 刹车垫板 卡钳等刹车系统元件 21 上个世纪80年代 日本丰田公司成功地用 AlOAl32复合材料制备了发动机活塞 与原来的铸铁发动机活塞相比 重量减轻了10 5 导热性提高了4倍 22 2 在航空航天领域的应用Cercast公司采用熔模铸造工艺研制成A357SiC20 Vol 复合材料 用该材料代替钛合金制造直径达180mm 重17 3kg的飞机摄相镜方向架 使其成本和重量明显降低 同时该复合材料还可用来制造卫星反动轮和方向架的支撑架 美国DWA公司用 6061SiC25 p铝基复合材料代替7075制造航空结构的导槽 角材 使其密度下降了17 模量提高了65 23 铸造SiC颗粒增强A356和A357复合材料可以制造飞机液压管 直升机的起落架和阀体等 24 3 在电子和光学仪器中的应用铝基复合材料 特别是SiC增强铝基复合材料 由于具有热膨胀系数小 密度低 导热性能好等优点 适合于制造电子器材的衬装材料 散热片等电子器件 SiC颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数完全可以与电子器件材料的热膨胀相匹配 而且导电 导热性能也非常好 IBM公司2004年第2期黄永攀等 铝基复合材料的性能 应用及制造工艺就是利用其上述性能 在MCMs器件中使用该种材料封装和改进冷却系统结构 使其工作时产生的热量迅速扩散 提高了元件的有效性 25 在精密仪器和光学仪器的应用研究方面 铝基复合材料用于制造望远镜的支架和副镜等部件 26 另外铝基复合材料还可以制造惯性导航系统的精密零件 旋转扫描镜 红外观测镜 激光镜 激光陀螺仪 反射镜 镜子底座和光学仪器托架等许多精密仪器和光学仪器 27 4 在体育用品上的应用铝基复合材料可以代替木材及金属材料来制作网球拍 钓鱼竿 高尔夫球杆和滑雪板等 用SiC颗粒增强铝基复合材料制作的自行车链齿轮重量轻 刚度高 不易挠曲变形 性能优于铝合金链齿轮 28 发展趋势 采用颗粒增强制备铝基复合材料成本相对较低 原材料资源丰富 制备工艺简单 选择适当的增强颗粒与基体组合可制备出性能优异的复合材料 具有很大的发展潜力和应用前景 可以预料 在现代工