復合材料研究進展

1、鋁基復合材料的制備和增強技術的研究進展摘要 本文簡單介紹了鋁基復合材料的一些基本的制備方法。對于納米相和碳化硅顆粒增強的鋁基復合材料，它們也有不同的制備方法。關鍵詞 鋁基復合材料 納米相 碳化硅顆粒 0前言 復合材料是應現(xiàn)代科學發(fā)展需求而涌現(xiàn)出的具有強大生命力的材料，它由兩種或兩種以上性質不同的材料通過各種工藝手段復合而成。金屬基復合材料基體主要是鋁、鎳、鎂、鈦等。鋁在制作復合材料上有許多特點,如質量輕、密度小、可塑性好,鋁基復合技術容易掌握,易于加工等。此外,鋁基復合材料比強度和比剛度高,高溫性能好,更耐疲勞和更耐磨。同其他復合材料一樣,它能組合特定的力學和物理性能,以滿足產品的需要。因此,

2、鋁基復合材料已成為金屬基復合材料中最常用的、最重要的材料之一。本文主要講述鋁基復合材料的制備方法以及增強技術的發(fā)展情況。1 鋁基復合材料的制備工藝1.1 無壓浸滲法 無壓浸滲法是Aghaianian 等于1989 年在直接金屬氧化工藝的基礎上發(fā)展而來的一種制備復合材料的新工藝1，將基體合金放在可控氣氛的加熱爐中加熱到基體合金液相線以上溫度，在不加壓力和沒有助滲劑的參與下，液態(tài)鋁或其合金借自身的重力作用自動浸滲到顆粒層或預制塊中，最終形成所需的復合材料。Aghajanian 等2撰文指出， 要使自發(fā)滲透得以進行，需具備兩個必要條件：鋁合金中一定含有Mg元素；氣氛為N2環(huán)境。影響該工藝的主要因素為

3、：浸滲溫度、顆粒大小和環(huán)境氣氛種類。無壓滲透工藝的本質是實現(xiàn)自潤濕作用，通過適當控制工藝條件，如合金成分、溫度、保溫時間和助滲劑等，可取得良好的潤濕， 使自發(fā)浸滲得以進行。1.2 粉末真空包套熱擠壓法 采用快速凝固技術與粉末冶金技術相結合制備高硅含量鋁基復合材料。由于Al 活性很高，在快速凝固制粉時不可避免地會形成一層氧化膜，導致在致密化過程中合金元素的相互擴散受到阻礙，難以形成冶金粘結。因此，采用了粉末真空包套熱擠壓這一特殊的致密化工藝3。1.3 噴射沉積法噴射沉積技術是一種新的金屬成形工藝，由Singer 教授于1968 年提出，后經發(fā)展逐步形成了Osprey工藝、液體動態(tài)壓實技術和受控噴

4、射沉積工藝等。噴射沉積的基本原理是：熔融金屬或合金經導流管流出，被霧化噴嘴出口的高速高壓惰性氣體氣流破碎，霧化為細小彌散的熔滴射流；霧化熔滴射流在高速氣流動量作用下加速，并與氣流進行強烈的熱交換；到達沉積表面以前，小于某一臨界尺寸的熔滴凝固成為固體顆粒，較大尺寸的仍然為液態(tài)，而中間尺寸的熔滴則為含有一定比例液相的半凝固顆粒， 這些大大小小凝固程度不同的熔滴高速撞擊接收體表面，并在沉積表面附著、鋪展、堆積、熔合形成一個薄的半液態(tài)層后順序凝固結晶， 逐步沉積生長成為一個大塊致密的沉積坯4。液態(tài)金屬在噴霧沉積過程中的冷卻分為3個階段：金屬液霧化過程中的冷卻；霧化后液滴在冷卻介質中飛行時的冷卻；半固態(tài)

5、的液滴沉積到基底上以后的冷卻。在噴射沉積過程中，增加霧化氣體壓力也可以細化噴霧沉積材料的組織，由于霧化氣體同時又作為冷卻介質，增大霧化氣體壓力相應地增加了冷卻介質的流率及其傳熱能力， 這兩方面的結果勢必會造成金屬液在霧化及其飛行中的冷速增大，從而細化組織5。由于噴射沉積所制備的鑄錠存在一定的空隙度，給材料性能帶來了不利影響，必須經過后續(xù)加工工藝，如熱鍛、熱擠壓、熱等靜壓等方法來提高其致密度。2鋁基復合材料的增強技術 采用不同的增強體制備復合材料時，制備的工藝方法有所不同，接下來簡單介紹不同增強體鋁基復合材料的制備方法。 2.1 納米相增強鋁基復合材料制備技術由于納米相增強鋁基復合材料的制備方法

6、和工藝過程的不同對其結構、性能和應用具有重要的影響，所以，納米相增強鋁基復合材料的制備方法探索在鋁基納米復合材料科學研究中占有舉足輕重的地位。2.1.1原位反應合成法原位反應合成法制備納米相增強鋁基復合材料的基本原理是通過元素間或化合物間的化學反應，在鋁基體內原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷材料增強相，從而達到增強鋁基體的目的6。首先，由于原位反應合成技術基本上能克服其它工藝通常出現(xiàn)的一系列問題，如克服基體與增強體浸潤不良，界面反應產生脆性層，增強相分布不均勻，特別是納米級增強相極難進行復合問題等；其次，在基體中反應生成的增強相熱力學穩(wěn)定，具有優(yōu)良的力學性能。董晟全和郭永春7等利用原

7、位反應合成法制備出納米AlN顆粒增強鋁基復合材料。由于原位增強體納米顆粒AlN的產生，復合材料與基體相比，其拉伸強度和伸長率都有所提高，室溫強度由250 MPa增至280 MPa，伸長率也提高了181。2.1.2 快速凝固工藝快速凝固(RS，Rapid Solidification)8對晶粒細化有著顯著的效果，利用RS工藝可以獲得與傳統(tǒng)材料性能迥異的新型材料。仝興存9等將Rs工藝與熱擠壓成型技術相結合，成功地制備出TiCA1原位復合材料，與常規(guī)熔鑄工藝相比，其室溫拉伸強度增加了100 MPa左右，并表現(xiàn)出良好的高溫力學性能。2.1.3 大塑性變形法大塑性變形法(SPD，Severe plast

8、ic defornlation)10是近年來逐步發(fā)展起來的一種獨特的納米粒子鋁及鋁合金材料制備工藝。它是指鋁及鋁合金材料處于較低的溫度(通常低于04Tm)環(huán)境中，在大的外部壓力作用下發(fā)生嚴重塑性變形，從而將材料的晶粒尺寸細化到納米量級。Alexandmv等11利用SPTS壓實微米級的鋁和納米級的陶瓷混合粉末制備出相對密度大于98的Al-5Al2O3的高強度、高熱穩(wěn)定性的納米相增強鋁基復合材料，力學性能測試結果表明，在Al-5Al2O3復合材料樣品中發(fā)現(xiàn)了超塑性現(xiàn)象(400、塑性應變率為10-4s-1的拉伸實驗顯示，樣品失效前的延伸率幾乎高達200，塑性應變率靈敏度為0.35)。2.1.4 高能

9、球磨法 高能球磨法(high energy ball milling)12是利用球磨機的高速轉動或振動，使研磨介質對增強體進行強烈的撞擊、研磨和攪拌，將其粉碎為納米級微粒的方法。 KDWoo與DLZhang13合作采用高能球磨法成功得到納米SiC顆粒增強A1-7Si-0.4Mg(質量分數(shù))復合材料。由于高能球磨過程中提高了混合粉末的擴散速率，引起燒結過程中粉末的燒結率也加快了，燒結后的顯微結構表明：其顆粒尺寸與用混合粉末直接燒結的顆粒相比明顯變小，同時燒結體的硬度也大大提高了。CGoujon與PGoeuriot14在低溫條件下采用球磨+熱壓的方法制取了納米陶瓷顆粒分布均勻且力學性能優(yōu)良的鋁基復

10、合材料，所得到的納米顆粒尺寸均勻、顯微結構穩(wěn)定。2.1.5 濺射法濺射(sputtering)法15是采用高能粒子撞擊靶材的表面，與靶材表面的原子或分子交換能量或動量，使得靶材表面的原子或分子從靶材表面飛出后沉積到鋁基片上形成納米相增強鋁基復合材料。等離子濺射法16是一種改進的濺射法，它利用等離子區(qū)的高溫將增強相熔融，再把熔融的增強相快速引向旋轉的鋁基體并在鋁基體上沉積、冷卻，最后得到納米相增強鋁基復合材料。TLaha與AAgarual16等利用等離子濺射法在鋁基上成功濺射了碳納米管并對這種復合材料進行了研究分析。研究結果表明：碳納米管緊密黏附在鋁基體中；在高溫濺射過程中，碳納米管性能十分穩(wěn)定

11、，沒有生成氧化物；鋁基復合材料的硬度有了顯著提高。2.1.6 溶膠-凝膠法溶膠-凝膠(sol-Gel)法17是20世紀60年代發(fā)展起來的一種制備玻璃、陶瓷等無機材料的新工藝，近年來許多人用此法制備納米微粒來增強鋁基復合材料。其基本原理是：將醇鹽或無機鹽經水解，然后使溶質聚合凝膠化，再經凝膠干燥、煅燒，最后得到納米微粒，sol-Gel法的優(yōu)點是：化學均勻性好，由于溶膠-凝膠過程中,溶膠由溶液制得，故膠粒內及膠粒間化學成分完全一致。純度高,粉體(特別是多組分粉體)制備過程中無須機械混合。顆粒細，缺點是原料價格高、有機溶劑的毒性以及在高溫下作熱處理時會使顆粒快速團聚等18-19。2.2 碳化硅顆粒增

12、強鋁基復合材料2.2.1 粉末冶金技術 粉末冶金技術又稱固態(tài)金屬擴散技術，此方法是將固態(tài)金屬粉末和增強顆粒機械均勻混合，在一定的溫度和壓力條件下制造成型。粉末冶金技術具有一些獨特的特點，如制造溫度較低，減輕了和增強顆粒之間的界面反應，減少了界面上硬質化合物的生成，增強顆粒的體積分數(shù)比較高，而且分布均勻。但粉末冶金技術也存在著一些弊端，如之間的大小和形狀受到一定限制，工藝程序多，制備周期長，成本高。美國著名的DWA復合材料專業(yè)公司就用粉末冶金法制得了碳化硅顆粒增強鋁基復合材料自行車車架，設備支撐架等產品，并已達到商品化。另外，美國ARCO公司、英國BP公司也在碳化硅顆粒增強鋁基復合材料方面取得了

13、顯著的成果20。 2.2.2 鑄造技術鑄造技術是目前制備金屬基復合材料的主要方法，主要有液態(tài)攪拌法、半固態(tài)復合鑄造法、擠壓鑄造法、真空壓力滲透法、無壓力滲透法、鑄造滲透法、超聲波法、中間合金法、噴射分散法、離心鑄造法等多種工藝。目前，人們使用較多的是擠壓鑄造法，其具體方法是：預先把碳化硅顆粒增強相用適當?shù)恼辰觿┱辰?，制成預制塊，放入壓型，澆入精煉的鋁基體金屬溶液，然后立即加壓，使熔融的鋁基金屬溶液浸滲到預制塊中，凝固后就得到所需的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料。這種工藝的優(yōu)點是：工藝及設備簡單，組織致密，無氣孔，材料質量穩(wěn)定，已工業(yè)化生產。豐田汽車公司曾用這種工藝制成了碳化硅顆粒局部增強鋁基復合材

14、料汽車發(fā)動機活塞21。2.2.3 熔滲技術 熔滲技術是指金屬液體與多孔性固體外表面相接觸，靠毛細管力將金屬液體吸引到固體內部。熔滲技術又分為壓力熔滲和無壓熔滲兩種。壓力熔滲是預先把增強體用適當?shù)恼辰Y劑粘結，做成相應形狀的預制件，放在金屬壓型內的適當位置，澆注金屬液。并加壓使金屬液摻入預制件間隙，凝固后就得到所要求的金屬基復合材料。所加壓力可采用液體壓力（擠壓鑄造）和氣體壓力兩種。這種方法可排除對增強物與金屬液結合有重要影響的潤濕性、反應性、比重差等重要因素的干擾作用。在預制件制造得好以及熔滲時溫度、壓力等參數(shù)控制得當?shù)那闆r下，可成功地制取滿意的復合材料22。Laxide 公司提出了無壓熔滲工藝

15、23。該工藝使基體合金放在可控氣氛的加熱爐中加熱至基體合金液相線以上的溫度，在不加壓的情況下使合金熔體自發(fā)熔滲到顆粒層或預制塊中。因在無壓力作用下，熔滲模具的選擇容易。但受熔滲溫度、環(huán)境氣體種類及顆粒大小等因素影響，使該法受到一定局限。無壓滲透法以其設備簡單、操作方便、成本低廉等特點近年來得到了普遍應用。3 結語總體而言，國外對鋁基復合材料的研究較早。近些年來，國內越來越多的高校和研究所加入了鋁基復合材料增強的研究行列，并對該復合材料的組織、力學性能及其增強機制進行了較系統(tǒng)的研究，并取得了一定的研究成果。但是，鋁基復合材料的制備與應用還存在很多問題，還有待進一步的研究和解決。隨著科學技術的不斷

16、向前發(fā)展，材料科學與其他學科的聯(lián)系也越來越緊密。在以后的發(fā)展過程中，除了在傳統(tǒng)上不斷簡化工藝流程、降低成本等除外，還應使用計算機分析和模型設計，使材料科學轉入定量描述階段，建立金屬基復合材料的數(shù)據(jù)庫，進行金屬基復合材料的計算機模擬、設計。此外，還需要引入的一個概念是生態(tài)環(huán)境復合材料，重視金屬基復合材料的研究、開發(fā)、生產和使用過程中存在的污染問題和金屬基復合材料的回收再利用問題，使其具有滿意的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調性，實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展。參考文獻1 Hu H QMetal Solidification Theory MBeijing：MechanicalIndustry Press，1991

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