铝基复合材料的研究进展

铝基复合材料的研究进展

低密度、高强度和高刚性、良好的耐候性、导电性和尺寸稳定性等优点。它在航空航天和汽车制造行业中占有很高的应用前景，因此吸引了科学家的注意。这种金属基复合材料的比重只有钢的1/3,为钛合金的2/3,与铝合金相近。它的强度比中碳钢好,与钛合金相近而又比铝合金略高。其耐磨性也比钛合金、铝合金好。1颗粒增强铝基复合材料铝基复合材料中使用的增强体一般包括3种:长纤维、晶须和颗粒。目前对铝基复合材料的研究也主要集中在这些方面,即连续纤维增强的复合材料和不连续颗粒增强(短纤维或晶须、颗粒增强)的复合材料。连续纤维增强MMCs由于必须先制成复合丝或复合片等先驱体,工艺复杂而成本高,因此与颗粒增强MMCs相比,其商品化进程相对缓慢。B/Al是连续纤维增强MMCs得到实际应用的最好范例。美国于20世纪60年代开始研究,70年代成功应用于航天飞机轨道器上。颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积超过20%的复合材料,而不包括那些弥散质点体积比很低的弥散强化金属的金属基复合材料。此外,这种复合材料的颗粒直径和颗粒间距很大,一般大于1μm。在这种复合材料中,增强相是主要的承载相,而基体的作用则在于传递载荷和便于加工。这种材料虽然其增强效应远不及连续纤维,但它主要是可以弥补某些材料性能的不足,如增加刚度、耐磨性、耐热性、抗蠕变等。在这种复合材料中,硬质增强相造成的对基体的束缚作用能阻止基体屈服。颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比,但基体性能很重要。除此之外,这种材料的性能还对界面性能及颗粒排列的几何形状十分敏感。在这3种增强体中,长纤维和晶须的性能比颗粒的高,但颗粒的价格便宜。而且采用颗粒增强的复合材料的制备工艺简单,增强体材料各向同性、良好的力学性能、可二次加工性、优异的尺寸稳定性,使其在工业化生产中拥有巨大的潜力。从而引起材料界的广泛关注,成为金属基复合材料发展中极具吸引力的发展方向。是目前应用最广、开发前景最大的一种金属基复合材料。颗粒增强铝基复合材料具有较高的比强度、比刚度和高温力学性能,低的热膨胀系数,良好的耐磨性和导热性能,在航天、航空、汽车、电子、光学等工业领域具有相当广泛的应用前景。颗粒增强体分为两大类:一是硬质的陶瓷颗粒,如SiC、Al2O3、TiC;二是软质颗粒如石墨。陶瓷颗粒具有很高的强度和硬度,加入到铝合金中可以显著提高基体材料的强度和抗变形能力。另外,与普通铝合金相比,硬质陶瓷颗粒也使铝基复合材料具有更好的耐磨性,并且热膨胀性能也明显改善。近年来,以SiC、Al2O3等硬质陶瓷颗粒增强的铝基复合材料,由于具有优异的耐磨性、高强度、低密度、良好的尺寸稳定性和高温性能,从而成为理想的、最具前途的新型结构材料。并且SiC颗粒成本低廉、来源广泛,SiC颗粒增强铸造铝基复合材料成本较低,制造工艺简单,容易规模化生产,和普通铸造铝合金一样可重熔铸造成型。业已证明,它们可通过现有的各种铸造工艺如砂型、金属型、熔模铸造、压铸、消失模等方法生产复合材料铸件。因而对SiC颗粒增强铝基复合材料的研究也越来越受到重视。对颗粒增强铝基复合材料的研究,目前主要集中在材料制备、力学性能、磨损、疲劳、断裂以及蠕变等特性上。这类铝基复合材料主要用于制作航空、航天结构件,电子壳体和基板,以及汽车发动机和制动零件。软质颗粒一般都是很好的润滑体,软质颗粒增强的铝基复合材料具有好的减磨和减振性能,主要用于制作发动机的缸套,轴瓦以及各种机座。2不同材料的热膨胀系数对复合胶结性能的影响大量试验研究发现,增强颗粒的加入明显地影响材料力学和物理性能。如20%SiC颗粒增强Al356基复合材料的屈服强度和弹性模量比普通铝合金要提高40%~50%。表1给出了20%颗粒增强的铝基复合材料在热处理条件下的室温力学性能与铝合金的比较。此外,陶瓷颗粒增强体还明显提高铝合金的高温力学性能。复合材料的使用温度一般比铝合金提高50℃,陶瓷颗粒增强体的加入降低了铝合金的热膨胀系数。表2为20%SiC颗粒增强的ZL101A铝基复合材料和对应铝合金在不同温度区域热膨胀系数的比较。由于低的热膨胀系数、硬质颗粒SiC的引入,显著提高了铝合金的耐磨性(见表3),尤其是在有润滑条件下的耐磨性,可使磨损率降低至1/10。对于SiC颗粒增强的铝基复合材料,其导热性能和普通合金相当,并且密度在加入20%SiC颗粒增强体时也只比铝合金提高了3%,基本保持了铝合金轻质、优良导热性能的优点。但是SiC颗粒的加入在提高强度和弹性模量的同时,也降低了其塑性与韧性。从表1中可以看到,复合材料的伸长率急剧下降到1.4%。这主要是由于细小SiC颗粒在基体中弥散分布,严重阻碍了位错运动,强化了基体造成的。当然SiC颗粒的加入也同样对铝合金的蠕变与疲劳产生影响,相同条件下,颗粒增强铝基复合材料要比铝合金的蠕变强度更高。在疲劳过程中,颗粒的断裂、界面分离等都需要能量,因而可以延缓疲劳裂纹的扩展速率,从而提高复合材料的疲劳性能。3颗粒增强金属基复合材料30多年来,国内外技术人员在颗粒增强金属基复合材料制备工艺方面作了很多研究,已掌握了多种比较成熟的制备工艺,如粉末冶金法、搅拌熔铸法、挤压铸造法和喷射沉积法等。本文主要介绍喷射沉积法。喷射沉积工艺是一种崭新的金属基复合材料制备工艺,是20世纪70年代初由Swansea大学Singer教授首先提出,早期应用于一些金属半成品的生产和制备,后加利福尼亚大学LaverniaEJ等人开始利用这一技术制备颗粒增强金属基复合材料。这种工艺是将粉末冶金中混合与凝固两个过程相结合的新工艺,其原理为使熔化的金属液在高压惰性气体射流的作用下分散雾化,同时将增强相颗粒喷入金属雾化射流中,使之混合共喷射沉积到收集器上,并快速凝固形成所需要的复合材料。喷射沉积成形技术是一种新型的快速凝固技术,其冷却速度可达103~106K/s,因而在很大程度上避免了增强颗粒与基体的界面反应和铸造过程中普遍存在的宏观偏析,使材料具有细小的等轴晶组织和优良的综合性能。而且具有高的致密度,直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的95%~98%。另外,喷射沉积工艺大大简化了粉末冶金工艺,因而能有效地缩短生产周期,降低成本,有利于实现工业化生产。4sicp/al复合材料SiCp增强铝基复合材料具有很大的应用价值。其最早主要是在航天航空领域中用来代替中等温度下使用的昂贵的钛零件,可以使替代零件的质量减轻60%左右,目前,SiCp/Al复合材料主要应用于汽车、电子、航空航天军事以及体育等领域。4.1碳化硅颗粒铝基复合材料在f-18“大黄蜂”飞机上的应用颗粒增强铝基复合材料具有的优异性能,使其在航空航天领域的应用很广泛。可作为火箭的飞行翼、箭头、箭体、结构材料,精密航空电子器件,也可作飞机发动机中的耐热耐磨部件。美国DWA公司已把SiCp/6092Al复合材料用于F-16喷气式战斗机的机身尾翼,使刚度提高50%,设计的全寿命至少7000h,相当于原来尾翼寿命的2倍以上。并且可以大幅度减少检修次数,提高飞机的机动性。在F-18“大黄蜂”战斗机上采用SiCp/Al复合材料作为液压制动气缸体,与替代的铝青铜相比,不仅重量减轻、热膨胀系数降低,而且疲劳极限还提高1倍以上。颗粒增强铝基复合材料在N4、EC-120直升机以及波音777大型客机上也得到了应用。20世纪90年代末,电子级高体分(60%~70%)碳化硅颗粒∕铝基复合材料,作为新型轻质电子封装及热控元件在一系列为世人所瞩目的先进航空航天器上获得正式应用。其中,采用无压渗透法制备的碳化硅颗粒∕铝基复合材料工程应用的实例最多、影响也最大。例如,在F-22“猛禽”战斗机的遥控自动驾驶仪、发电单元、飞行员头部上方显示器、电子计数测量阵列等关键电子系统上,碳化硅颗粒/铝基复合材料替代包铜的钼及包铜的殷钢作为印刷电路板板芯,取得了减重70%的显著效果。由于此种材料的热导率可高达180W/(m·K),从而降低了电子模块的工作温度,减少了冷却的需要。这种材料在航空航天中的应用还包括:欧洲“台风”战斗机、EA-6B“徘徊者”预警机、ALE-50型诱饵吊舱等航空器,以及摩托罗拉铱星、火星“探路者”和“卡西尼”深空探测器等航天器。4.2汽车的耐磨性汽车行业的应用可以说是SiCp/Al复合材料成功的转向民用工业的一个典型例子。由于这种材料具有优良的耐磨性能,可以用于汽车的耐磨部件,例如发动机活塞、活塞环缸套、驱动轴、连杆、齿轮箱、轴瓦、汽车制动盘等。1983年丰田汽车公司把这种复合材料用到汽车发动机的活塞上来,与原来的铸铁发动机相比,重量减轻了5%~10%,热导率提高了4倍。美国Duralcan公司已用SiCp/Al复合材料成功地制造了汽车制动盘等零件,使用结果表明:其耐磨性能、降噪性能、散热性能均比原用材料有很大改善。4.3新型电子封装材料随着电子技术的进步,电子芯片的集成度将越来越高,这就要求电子封装材料必须满足芯片的散热问题,因而所选电子材料要具有低密度、低热膨胀性、高导热性和高韧性等特点。而传统的Kover电子封装材料,其热传导性能较差,研究表明碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有高导热性能和低热膨胀系数,且价格便宜,是一种非常有前景的电子封装材料,并且研究发现SiCp颗粒越小,界面面积越大,能有效的降低SiCp/Al复合材料的热膨胀系数。DWA公司利用无压浸渗法制造的SiCp/Al复合材料制作了微电子封装基片,使用性能完全符合要求。另外,还可以用它制造惯性导航系统的精密零件、旋转扫描仪、红外观测镜和光学仪器拖架等精密部件。5航空、引领领域的研究与展望颗粒增强铝基复合材料经过20年的发展,其制约因素(如工艺复杂、成本高等)逐步被消除,正向商业化生产和应用迅速迈进。在国外,颗粒增强铝基复合材料的工程应用,特别是航空航天应用取得了一系列重大进展,部分品种开始步入商业化阶段。21世纪我国经济和军事将得到进一步发展,许多领域尤其是航空航天、军工、电子及汽车工业领域的发展对材料的性能提出了更高要求,这给颗粒增强铝基复合材料的发展提供了机遇。其发展趋势将表现在。(1)颗粒增强铝基复合材料在航空、航天、军工领域优先得到应用并逐渐推广,从而提升这些领域的技术水平。(2)颗粒增强铝基复合材料在电子工业和汽车工业中得到广泛应用,如电子封装复合材料、计算机光盘、汽车刹车盘等,促进这些工业成为新的经济增长点。6铝基复合材料在功能领域的应用铝基复合材料因具有比重小、比