铝基复合材料的发展现状与研究

铝基复合材料的发展现状与研究摘要：随着现代生产技术的发展，对材料的性能要求越来越高，目前，铝基复合材料由于其优良的性能已经成为现时研究的热点。阐述了铝基复合材料的基本性能及应用情况，总结了近几年关于铝基复合材料的主要研究成果与发展趋势。关键词：铝基复合材料,材料性能,研究成果,趋势DevelopmentandprogressofaluminiummatrixcompositesTangnong-jAbstract:Withthedevelopmentofmodernmanufacturingtechnology,Thematerialperformancerequirementsmoreandmorehigh,Thedevelopmentofaluminummatrixcompositematerialswasreviewedwiththeirproperties.Espectivelyinaccordancewiththeclassestowhichtheybelong.Thefundamentalpropertyandapplicationfieldofaluminummatrixcompositewerebrieflyintroduced.Themainresearchachievementsanddevelopmentweresummarizedinrecentyears.Meanwhile,theoutlookofitsdevelopmentwasputforward.Keywords:aluminiummatrixcomposites,materialproperties,researchfindings,trend

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。复合材料包括三类：聚合物基复合材料(PMC)、金属基复合材料(MMC)和陶瓷基复合材料(CMC)[1]。在金属基复合材料中，铝基复合材料具有比基体更高的比强度，比模量和低的热膨胀系数，尤其是弥散增强的铝基复合材料不仅具有各向同性特征，铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体，以金属或非金属颗粒、晶须或纤维为增强相的非均质混合物。在金属基复合材料中占主导地位。而且具有可加工和价格低廉等优点。1铝基复合材料的基本性能铝基复合材料的结构主要由基体、增强材料、中间相和界面组成，其性能取决于基体合金和增强物的特性、含量和分布等。与基体合金相比,铝基复合材料具有许多优良的性能[2]。1.1强度、模量与塑性增强体的加入在提高铝基复合材料强度和模量的同时，降低了塑性。大量研究表明，SiC增强的铝基复合材料较相应的铝-硅合金具有较高的强度，并随着SiC体积分数的增大，其强度和模量均有较大程度的提高，而塑性却降低，且在SiCP/Al复合材料中加入更为细小的弥散质点Al4C3和Al2O3可以明显提高复合材料的强度[3]。另外增强相的加入又赋予材料一些特殊性能[4]，这样不同金属与合金基体及不同增强体的优化组合，就使金属基复合材料具有各种特殊性能和优异的综合性能。表1是不同的铝基复合材料的力学性能。表1不同铝基复合材料的力学性能Tab.1Themechanicalpropertiesofaluminummatrixcomposite增强相/基体增强相含量（vol%）拉伸强度/Mpa弹性模量/GPa伸长率（%）Al2O3/Al-1.5Mg20226955.9SiC/Al-4Cu15476922.3SiCp/ZL101203751011.64CF/Al26387121.2疲劳与断裂韧性铝基复合材料的疲劳强度和疲劳寿命一般比基体金属高，这与刚度及强度的提高有关，而断裂韧性却下降。影响复合材料疲劳性能和断裂的主要因素有增强物与基体的界面结合状态、基体与增强物本身的特性和增强物在基体中的分布界面是连接基体和增强体的“桥梁”。金属基复合材料宏观性能的好坏在很程度上取决于基体和增强体之间的界面结合状况[10]。一般情况下，随着反应程度增加，界面结合强度亦增加，但由于界面产物多为脆性物质，而当界面层达到一定厚度时，界面上的残余应力可使界面破坏[11]。并且过度的界面反应可能损伤纤维，使其强度降低。3.2界面的优化由前述可知，控制界面反应可以优化界面。控制界面反应的方法有增强体预处理、基体金属合金化以及优化制备工艺参数等。优化工艺参数包括对制备的温度、反应的时问、压力、气氛等的控制。过低的制备温度导致增强体和基体金属的界面活性太低，从而不能良好润湿；而过高的制备温度会造成过度界面反应的发生[12]。对增强体进行预处理可以显著改善其与金属基体液的润湿性，控制过度界面反应的发生。增强体预处理的方法有很多，如在SiC表面涂覆一层Ni或Cu；对从Al2O3颗粒进行稀土表面改性也可以提高界面润湿性[13]，还有研究人员通过对增强材料进行高温氧化处理以改善润湿性，并认为高温氧化足一种简单有效的方法。4铝基复合材料的现状近几十年来，经过各国科学家的持续不断的努力研究，铝基复合材料得到了异乎寻常的发展。不仅探索和改进了如上所述的很多制造工艺和设备，试制出各种类型的铝基复合材料，包括连续纤维增强的和颗粒、晶须、短纤维增强的。而且在美、日、加拿大等一些发达国家已投入不同规模的批量生产，开始作为商品供应市场。并已在航空航天工业、汽车工业、运动器材等方面得到应用[14]。4.1连续纤维增强的铝基复合材料美国Textron特殊材料公司用固态扩散结合法制成SiC连续纤维增强的铝基复合材料，他们的工艺过程是先把SiC连续纤维缠在滚筒上，再用等离子喷溅的方法把铝基合金喷上去，然后把这铝合金一连续纤维的复合片堆叠起来进行热等静压，这样制成的复合材料性能很高，抗拉强度达到1500MPa以上，杨氏模量达200GPa，密度则仅为2.7克/厘米[15]，所以深受航空航天工业的欢迎，以它做成的工梁和板材已制成战斗机尾垂，并通过鉴定。4.2颗粒、晶须或短纤维增强的铝基复合材料用粉末冶金方法制造这种类型的铝基复合材料有很多优点，从七十年代起就有美国DWA复合材料专业公司等开始研制，现在美国的DWA复合材料专业公司、ARCO化学公司所属的先进复合材料分公司(ACMC)和INCO公司所属Novamet工厂以及英国石油研究中心(BritishPetroleumResearehCenter)等都已研制成功，投入生产,初步达到商品化。DWA和ACMC公司都把出产的粉末冶金铝基复合材料分为结构材料级、电子材料级、仪表材料级和光学材料级四类。性能都很优良[9]。如ACMC公司生产的SXA结构级材料，30-35vol%SiC/2024Al复合材料,抗拉强度达800MPa,屈服强度达690MPa,弹性模量则高于150GPa，都大大高于基体合金，而密度在2.89g/m左右，热膨胀系数约在8~10x10-5/℃之间，都低于基体[16]，很适合用作航空航天的结构材料。4.3碳管纳米增强铝基复合材料纳米材料的尺寸非常细小(1～100nm)，形状多为规则的近球状，因此，在铝基复合材料的制备中以纳米级颗粒作为增强相，能改善增强相与基体的结合界面，提高结合强度，进而提高铝基复合材料的力学性能和理化性能等。随着碳纳米管(CNTs)的出现和纳米晶材料研究的深入，为复合材料性能的进一步提高提供了一个新的途径[17]。CNTs具有极小的尺度及优异的力学性能，其封闭中空管状结构具有良好的稳定性，并且具有优异的力学性能，因此，碳纳米管作为一维纳米晶须增强材料在复合材料中具有重要的应用价值。为了满足航空航天等领域对材料更高比强度、高比模量和耐磨损的要求，将碳管纳米用于制备铝基复合材料，并取得优异力学性能，已成为极具潜在应用价值的复合材料。日本和西欧诸国也正致力于发展各种类型的铝基复合材料[18]。日本的丰田汽车公司是最早用浸渗法制造陶瓷短纤维局部增强铝活塞获得成功的,年产量已在十万只以上，这现在仍是受到肯定和在发展的，同时日本也发展了粉末冶金和熔铸等多种方法。此外，西欧的法德等国在这方面的研究和开发也很活跃[19]。可以说，在当前这时代，铝基复合材料正在世界范围内方兴未艾地蓬勃发展。5展望铝基复合材料兼有铝合金的低比重和良好的韧性、延展性、导电导热性。以及陶瓷的高强度、高刚度、高硬度和突出的耐磨性，还有优良的高温性能和热稳定性。是很理想的结构材料。纵观国内外，对铝基复合材料的应用研究方面，主要集中在SiC颗粒增强铝基复合材料,并且取得很大的成就[21]。在现代工业的高速发展和技术水平的高要求下，颗粒增强铝基复合材料将以其独特优势在工业领域占据重要位置。但同时也应看到，颗粒增强铝基复合材料在未来的时间里要取得更进一步发展，并列入规模化生产的行列，还需要进行更多的探索和实践。少数国家如美国、日本、加拿大等已进入应用阶段，取得了显著的经济效益。我国在该领域的研究起步较晚，研究的深度和广度也很有限[22]。相信在不久的将来，铝基复合材料的制造工艺会更简单，成本会更低，使用范围会更广。参考文献：[1].王双喜,刘雪敬,孙家森.铝基复合材料的制备工艺[J].热加工工艺,2006,35(1):65-69.[2].王丽雪,曹丽云,刘海鸥.铝基复合材料研究的进展[J].轻合金加工技术,2005,33(8):10-12.[3].黄勇攀,李道火,王锐,等.铝基复合材料的性能、应用及制造工艺[J].湖南冶金,2004,32(2):3-6.[4].贺春林,刘常升,孙旭东,等.纳米SiC颗粒增强铝基复合材料的拉伸性能[J].东北大学学报(自然科学版),2005,26(6):554-556.[5].吴人洁.金属基复合材料的现状与展望[J].金属学报,1997,33(1):79-84.[6].JiaChunlei.StudyondampingbehaviorofFeAl3reinforcedcommercialpurityaluminum[J].MaterialsandDesign,2007,(28):1711-1713.[7].王宝顺,吕一中,崔岩,等.SiCp/Al复合材料半金属刹车材料干摩擦磨损性能研究[J].材料工程,2007,(6):7-14.[8].张强,武高辉,孙东立,等.高体积分数SiCp/Al复合材料的微观组织与导热性能[J].材料科学与工艺,2006,14(5):474-477.[9].宋伟.金属基复合材料的发展与应用[J].铸造设备研究,2004,(5):48-50.[10].TAMEROzben,EROLKilickap,ORHANCakir.InvestigationOfmechanicalandmachinabilitypropertiesOfSiCparticlereinforcedAI—MMC[J].JoumalofMaterialsProcessingTechnology,2008,98:220—225．[11].王文明,潘复生,LUYun,等.碳化硅颗粒增强铝基复合材料开发与应用的研究现状[J].兵器材料科学与工程,2004,27(3):61—67.[12].陈子勇,舒群,陈玉勇,高强铸造铝合金显微组织与力学性能的研究[J].材料科学与工艺.2007,15(5):718—722．[14].PengYu,KwokCK,ToCY,etal.EnhancedprecipitationhardeninginanaluminareinforcedAl-Cualloymatrixcomposite[J].ScienceDirect,2007,01(10):1-5.[15].朱龙驹,陈喜江,齐斌,等.高速列车铝基复合材料制动盘及其闸片制[J].电力机车与城轨车辆,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