以鋁合金為基體復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀與其應(yīng)用

1、關(guān)于以鋁合金為基體復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用第1頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四鋁基復(fù)合材料概述復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展需求而涌現(xiàn)出的具有強(qiáng)大生命力的材料，它由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料通過各種工藝手段復(fù)合而成。復(fù)合材料可分為三類：聚合物基復(fù)合材料（PMCs）、金屬基復(fù)合材料（MMCs）、陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）。金屬基復(fù)合材料基體主要是鋁、鎳、鎂、鈦等。鋁在制作復(fù)合材料上有許多特點(diǎn),如質(zhì)量輕、密度小、可塑性好,鋁基復(fù)合技術(shù)容易掌握,易于加工等。此外,鋁基復(fù)合材料比強(qiáng)度和比剛度高,高溫性能好,更耐疲勞和更耐磨,阻尼性能好,熱膨脹系數(shù)低。同其他復(fù)合材料一樣,它能組合

2、特定的力學(xué)和物理性能,以滿足產(chǎn)品的需要。因此,鋁基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料中最常用的、最重要的材料之一。按照增強(qiáng)體的不同,鋁基復(fù)合材料可分為顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。第2頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料航天航空工業(yè)的高速發(fā)展為金屬基復(fù)合材料的發(fā)展提供了動力。近年來, 對重量輕, 強(qiáng)度高, 剛度大材料的需求使其應(yīng)用擴(kuò)大到包括汽車工業(yè)的民用領(lǐng)域。在金屬基復(fù)合材料中, 增強(qiáng)相一般為熔點(diǎn)高, 彈性模量大, 比剛度大的陶瓷, 如SiC,AI2O3。其可以是連續(xù)纖維方向性分布, 以制備大體積分?jǐn)?shù)增強(qiáng)相的復(fù)合材

3、料, 也可以是短纖維, 晶須或顆粒隨機(jī)分布形成各向同性的低體積分?jǐn)?shù)強(qiáng)化相的復(fù)合材料。基體的選擇必須保證在復(fù)合材料制備過程和使用條件下, 陶瓷增強(qiáng)相的穩(wěn)定性, 一般為輕金屬鋁、鎂、鈦、等及其合金。由于顆粒增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料性能好, 價格低廉, 對制備設(shè)施要求不很高, 還能像鋁合金那樣制成各種型材, 板材和箔材。因而受到廣泛的關(guān)注和研究。第3頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料可以通過多種方法制備。其中最常用的是固態(tài)法,與熔鑄法等其它方法相比, 固態(tài)法具有制備溫度較低, 增強(qiáng)相基體之間界面反應(yīng)少, 且增強(qiáng)相比例可以任意調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。下面主要介紹用粉末冶金法

4、制備SiC 顆粒增強(qiáng)鋁合金基復(fù)合材料。制備方法第4頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四第5頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四表3是兩種交合材料及對應(yīng)基體合金在常溫下的拉伸性能和硬度測試數(shù)據(jù), 從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,SiC顆粒加入可以使基體的彈性模量增加約20% 以上, 布氏硬度增加1/3以上。在LD31(AL-SI-Mg）基復(fù)合材料中,SiC顆粒加入使基體抗拉強(qiáng)度提高, 而在LY12（Al-Cu-Mg）基中, 則使其抗拉強(qiáng)度下降。第6頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四 綜上所述，對SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料有以下兩點(diǎn)結(jié)論：復(fù)

5、合材料的強(qiáng)度得到明顯提高。強(qiáng)化效果主要取決于增強(qiáng)體類型、含量, 以及基體合金類型、材料的熱處理狀態(tài)等。增強(qiáng)體在基體中的分布均勻性也是影響復(fù)合材料強(qiáng)度的重要因素, 增強(qiáng)體偏聚團(tuán)是材料受載時的裂紋源, 并加快裂紋擴(kuò)展。另外, 材料不同制備工藝產(chǎn)生的基體微觀結(jié)構(gòu)差異也會影響材料強(qiáng)度, 如基體中亞晶粒大小、位錯等。顆粒增強(qiáng)鋁合金基復(fù)合材料的最大缺點(diǎn)是延伸率低。第7頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用1 在航空領(lǐng)域美國Bell Helicopter Textron，Inc 與Boing 合作，采用40% SiCp /A206 復(fù)合材料生產(chǎn)V 22 直升機(jī)的

6、液壓導(dǎo)管( 多向接頭) ，美國Boing Military Aircraft andMissile Systems 采用DWA 公司15 5% SiCp /2009 復(fù)合材料生產(chǎn)美國海軍F /A 18 E /F 飛機(jī)落地起落架的液壓部件，采用40% SiCp /A206 復(fù)合材料生產(chǎn)AC 130Ugunship 的彈藥支架，采用DWA 公司175%SiCp /6092 復(fù)合材料坯錠經(jīng)熱擠壓生產(chǎn)Boing777Pratt and Whitney 4000 系列發(fā)動機(jī)導(dǎo)流葉片( 長610mm、寬140 190 mm) ，替代樹脂基復(fù)合材料，服役壽命提高300%，降低了維護(hù)成本。第8頁，共36頁，2

7、022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四2 在航天方面顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在火箭、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等航天器上應(yīng)用，受保密限制的影響，直接公開報(bào)道較少，多數(shù)報(bào)道停留在試制應(yīng)用與演示驗(yàn)證研究階段。英國he Defence Evaluation Research Agency ( DERA) 和Matra Bae Dynamics UK Ltd 在英國國防部的支持下，聯(lián)合開展了導(dǎo)彈彈翼用耐短時高溫顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究與評價，目標(biāo)是開發(fā)出導(dǎo)彈用輕質(zhì)耐熱鋁基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件; 采用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料替代40%Cf /6061Al 復(fù)合材料用于哈勃望遠(yuǎn)鏡天線展開機(jī)構(gòu)支撐桿; 作為結(jié)構(gòu)材料或結(jié)構(gòu) 功能一體

8、化材料，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在衛(wèi)星有效載荷光學(xué)反射鏡鏡坯及支撐桿等部件上取得了應(yīng)用。，據(jù)1999 年歐洲BCC 組織不完全統(tǒng)計(jì)表明，金屬基復(fù)合材料的用量達(dá)2 500 t 中，在航空航天及軍工領(lǐng)域用量達(dá)到137 t，其中僅在美國采用粉末冶金法制備的、應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料質(zhì)量達(dá)50 t。第9頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四3 在核能領(lǐng)域先進(jìn)國家的核反應(yīng)堆采用DWA Technologies，Inc 生產(chǎn)的BORTEC# B4Cp /Al 復(fù)合材料和Ceradyne，Inc 生產(chǎn)的BORAL#B4Cp /Al 復(fù)合材料制造核廢料處理容器。4 在電子領(lǐng)域美

9、國Motorola，Inc Semiconductor Products Sector采用dmc2 Electronic Components 公司的SiCp /Al 復(fù)合材料應(yīng)用于衛(wèi)星電子基片、散熱基片，PCC、CeramicsProcess Systems、LEC 等多家公司研制生產(chǎn)封裝、導(dǎo)熱材料，應(yīng)用量較大。第10頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四面對未來高技術(shù)領(lǐng)域的更高要求以及各種新材料的取代性競爭，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料仍需要不斷的提高和發(fā)展，面臨的創(chuàng)新性研究工作包括: ( 1) 降低成本。針對復(fù)合材料坯錠和零部件加工成本高，開展復(fù)合材料低成本化技術(shù)研究，包括選

10、用低成本的增強(qiáng)體; 選擇低成本的復(fù)合制備工藝; 開發(fā)零件近凈成形工藝; 研究高效精密機(jī)加工工藝、焊接工藝; 發(fā)展功能梯度復(fù)合材料; ( 2) 提升材料綜合性能。通過研究微觀組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系、提高顆粒與基體之間的界面結(jié)合、調(diào)控顆粒粒度、優(yōu)化二次加工技術(shù)等措施，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的強(qiáng)度、耐磨性、耐高溫性能、塑韌性、疲勞性能等; ( 3) 擴(kuò)大復(fù)合材料應(yīng)用。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國對金屬基復(fù)合材料的研究和發(fā)展非常重視，國家“863”計(jì)劃將金屬基復(fù)合材料作為新材料的一個重點(diǎn)予以支持。第11頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四在顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備技術(shù)、組

11、織性能、應(yīng)用研究等方面的研究工作取得了突破性進(jìn)展。國內(nèi)以碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料體系為主，圍繞界面與組織控制、顆粒分布均勻性等關(guān)鍵問題，開發(fā)了粉末冶金、攪拌鑄造、壓力浸滲和無壓浸滲等制備方法，制備的復(fù)合材料性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平。第12頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四圍繞顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用技術(shù)，從材料性能、坯錠制備能力、構(gòu)件塑性變形、零件精密加工到應(yīng)用試驗(yàn)等顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)件研制全流程取得了重大突破，解決了有無問題，但距離工程化應(yīng)用仍然存在成本高、制造效率低、可靠性與穩(wěn)定性有待提高等新材料實(shí)用化過程中面臨的共性問題，為此，需要攻關(guān)大尺寸、復(fù)

12、雜形狀顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件低成本、高效率制備技術(shù)，突破構(gòu)件的近終成型; 大尺寸顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)件的可靠性控制技術(shù); 大尺寸、復(fù)雜形狀顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件高效精密制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)典型應(yīng)用，把顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料發(fā)展成為一種航空航天領(lǐng)域用主體材料。研究展望第13頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料以其高的比強(qiáng)度、比剛度、軸向拉伸強(qiáng)度和耐磨性, 優(yōu)異的耐高溫性能和低的熱膨脹系數(shù), 良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、抗疲勞性和潮濕或輻射環(huán)境下良好的尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),已在航天航空、汽車、機(jī)械電子等領(lǐng)域作為高強(qiáng)度耐高溫材料, 顯示出巨大的應(yīng)用潛力 1-

13、6。復(fù)合材料研究者圍繞鋁基復(fù)合材料加工溫度高、制造工藝復(fù)雜、性能波動大、成本高等主要問題進(jìn)行了大量的研究工作,如何有效地利用高性能纖維高的軸向強(qiáng)度和彈性模量, 強(qiáng)化密度小、強(qiáng)韌性和抗腐蝕性能優(yōu)異的鋁及鋁合金基體, 以獲得高比強(qiáng)度、高比彈性模量和高溫性能優(yōu)異的輕質(zhì)高強(qiáng)度復(fù)合材料, 是纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料目前的研究重點(diǎn)。纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料第14頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四纖維增強(qiáng)體的制備纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于纖維的性能。鋁基復(fù)合材料的制備在高溫下完成, 增強(qiáng)纖維應(yīng)具有高的比強(qiáng)度、比彈性模量和優(yōu)異的耐高溫性能。纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維主要有

14、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維等 7- 9 。 1 .硼纖維硼纖維是最早用于高性能復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維, 具有彈性模量高、與金屬基體之間的潤濕性較好且反應(yīng)性較低、纖維直徑較大等特點(diǎn)。硼纖維一般采用CVD 方法在氫氣氛中將硼氣相沉積在已加熱的鎢纖維或碳纖維芯材上而制成的。硼纖維因其直徑較大, 制成復(fù)合材料時在纖維的縱向容易斷裂, 制造成本相當(dāng)高。2.碳纖維第15頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四碳纖維是將有機(jī)纖維燒結(jié)后得到的一種含碳量在90% 以上的纖維 8 。碳纖維質(zhì)輕而強(qiáng)度高, 具有良好的潤滑及耐磨性能, 其價格約為硼纖維的十分之一。碳纖維的制備包括原料纖維制造

15、、纖維穩(wěn)定處理和高溫碳化及石墨化燒結(jié)等工藝過程。常用的碳纖維有PAN 類、瀝青類和人造絲類。其中PAN類碳纖維性能較好, 但價格較高, 主要用于對材料性能要求極高的航空航天領(lǐng)域。 3 .碳化硅纖維碳化硅纖維因其高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量、良好的高溫強(qiáng)度和耐熱性、與金屬間潤濕性極好且纖維直徑小等優(yōu)點(diǎn), 完全有可能滿足2 000 e 耐溫性能的要求 10 。碳化硅纖維的制備方法主要有兩種: 一是利用CAD 方法將碳化硅沉積在鎢絲或碳纖維表面以得到碳化硅纖維; 二是以有機(jī)硅化合物為原料,經(jīng)過熱處理和燒結(jié)后而獲得碳化硅連續(xù)纖維。第16頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四 4. 氧化鋁

16、纖維氧化鋁纖維一般指以Al2O3 為主要成分、含有SiO2 或B2O3 的A-Al2O3 連續(xù)纖維或C-Al2O3 連續(xù)纖維。與碳纖維相比, 氧化鋁纖維的強(qiáng)度略低, 但它具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能和抗蝕性能、優(yōu)異的電絕緣性和高溫穩(wěn)定性。氧化鋁纖維的制備多采用泥漿法和溶膠法。第17頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制造方法為獲得無纖維損傷、無空隙、高性能的致密復(fù)合材料, 必須考慮增強(qiáng)纖維與鋁及鋁合金間的潤濕性好壞和反應(yīng)性大小、增強(qiáng)纖維的分布狀態(tài)和高溫下的損傷老化程度及界面穩(wěn)定性等。纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制造方法主要有熔融浸潤法、加壓鑄造法、擴(kuò)散粘接法和粉

17、末冶金法等。熔融浸潤法此法是用液態(tài)鋁及鋁合金浸潤纖維束, 或?qū)⒗w維束通過液態(tài)鋁及鋁合金熔池, 使每根纖維被熔融金屬潤濕后除去多余的金屬面得到復(fù)合絲, 再經(jīng)擠壓而制得復(fù)合材料。其缺點(diǎn)是當(dāng)纖維很容易被浸潤時, 熔融鋁及鋁合金可能會對纖維性能造成損傷。第18頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四加壓鑄造法該法是使熔融鋁及鋁合金強(qiáng)制壓入內(nèi)置纖維預(yù)制件的固定模腔, 壓力一直施加到凝固結(jié)束。加壓鑄造法因高壓改善了金屬熔體的浸潤性, 所制得復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維與鋁及鋁合金間的反應(yīng)最小, 沒有孔隙和縮孔等常規(guī)鑄造缺陷。擴(kuò)散粘接法擴(kuò)散粘接法主要是指鋁箔與經(jīng)表面處理后浸潤鋁液的纖維絲或復(fù)合絲或單

18、層板按規(guī)定的次序疊層, 在真空或惰性氣體條件下經(jīng)高溫加壓擴(kuò)散粘接成型以得到鋁基復(fù)合材料的制造方法。粉末冶金法 此方法是采用等離子噴濺法在排列好的增強(qiáng)纖維上噴涂金第19頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四屬鋁粉, 或把金屬鋁粉分散在丙烯酸樹脂( 或聚苯乙烯樹脂) 上, 制成預(yù)浸板, 將其交替重疊后在真空或氬氣中, 在接近鋁熔點(diǎn)溫度下加壓燒結(jié)以獲得纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。第20頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（FRAMC）應(yīng)用3.1 在宇航中的應(yīng)用宇航是應(yīng)用鋁基復(fù)合材料最早的一個領(lǐng)域。美國的NASA（國家航空和宇宙航行局）在1981

19、 年已將硼纖維增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料用于制造航天飛機(jī)中部20m 長的貨艙架。碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料， 現(xiàn)已成為制造衛(wèi)星、航天飛機(jī)等構(gòu)件的理想材料。用C/Al 復(fù)合材料制成的導(dǎo)航系統(tǒng)和航天天線， 可有效的提高其精度;用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成的衛(wèi)星拋物面天線骨架， 熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱性好， 可在較大溫度范圍內(nèi)保持其尺寸穩(wěn)定，使衛(wèi)星拋物面天線的增益效率提高4 倍。DWA 公司用石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為NASA 和Lockheed 公司制造衛(wèi)星上的波導(dǎo)管。復(fù)合材料波導(dǎo)管不但軸向剛度高、膨脹系數(shù)低、導(dǎo)電性能好，而且比原用石墨/環(huán)氧-鋁層復(fù)合制成的波導(dǎo)管還輕30%。第21頁，共36頁，2022年，5月2

20、0日，18點(diǎn)55分，星期四3.2 在航空中的應(yīng)用鋁基復(fù)合材料的高的比強(qiáng)度、比模量、良好的疲勞性能以及低的密度等優(yōu)異性能， 一直是航空材料研究人員和飛機(jī)制造商所追求的目標(biāo)。美國NASA 的Lewis 研究中心用B/Al 復(fù)合材料制造的發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片與鈦合金的葉片相比， 質(zhì)量輕，剛性高， 工作時的離心力小， 葉尖速度高， 改善了發(fā)動機(jī)的氣動效率， 在F-100 發(fā)動機(jī)（用于F-15和F-16 戰(zhàn)斗機(jī)）上通過了試驗(yàn)。前西德的DFVLR（航空航天研究試驗(yàn)院）在20 世紀(jì)70 年代就對B/Al 葉片進(jìn)行了研究， 用于高性能噴氣發(fā)動機(jī)中。前蘇聯(lián)航空材料研究所已對鋁基復(fù)合材料進(jìn)行了多年研究， 并把硼纖維增強(qiáng)

21、鋁基復(fù)合材料用于飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)上， 在提高可靠性的同時， 零件質(zhì)量可減輕25%40%。日本也在小型民用飛機(jī)中使用了長纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。第22頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四3.在兵器武裝中的應(yīng)用近十年來， 纖維價格的降低和擠壓鑄造、真空吸鑄、真空壓滲等復(fù)合工藝的出現(xiàn)， 使復(fù)合材料有可能用于大批量的常規(guī)兵器中。纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因其良好的綜合性能， 在兵器中的應(yīng)用已越來越廣。美國陸軍早在20 世紀(jì)70 年代末期就對A12O3/A206 復(fù)合材料制造履帶板進(jìn)行了研究， 通過采用復(fù)合材料制造履帶板可使其質(zhì)量從鑄鋼的544680kg 下降到272362kg， 減輕近50%

22、。美國海軍地面武器中心把SiC/Al 復(fù)合材料用于船舶結(jié)構(gòu)體和艙板，還打算將這種材料用于多種水下工程以及魚雷、水雷的外殼。用碳化硅纖維增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料制成的跨度為30m 的舟橋， 質(zhì)量只有5t， 剛度比鋁合金的高30%。隨著價格和技術(shù)問題的不斷解決， 此類材料在兵器領(lǐng)域中的應(yīng)用將會更加廣闊。第23頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四3.4 在汽車零部件中的應(yīng)用纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用是從短纖維增強(qiáng)材料的成功應(yīng)用開始的。因?yàn)槔w維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性較好， 尚可降低活塞頂部的溫度。1983 年日本豐田汽車公司研制了氧化鋁短纖維局部增強(qiáng)鋁活塞， 用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的

23、普通鋁活塞。目前的Art 金屬公司采用他們的常規(guī)擠壓鑄造生產(chǎn)法， 每月生產(chǎn)10 萬件增強(qiáng)活塞裝配在豐田轎車柴油發(fā)動機(jī)上。由于代替了更昂貴的高鎳鑄件鑲?cè)Γ?在這一用途中并沒有增加成本。連桿是汽車發(fā)動機(jī)中繼活塞之后第二個成功的應(yīng)用纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的例子。美國杜邦公司和本田公司合作制造了多種氧化鋁纖維及碳化硅纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料連桿， 其質(zhì)量比鋼質(zhì)連桿減輕35%50%， 并已成功應(yīng)用在本田公司的試驗(yàn)車FX-1 上及意大利Fiat 生產(chǎn)的高級賽車上。第24頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料面臨的問題與展望經(jīng)過近幾十年的努力和探索， 纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

24、在基礎(chǔ)理論、制備工藝、性能水平等方面都有了很大的進(jìn)步， 并且率先在宇航、航空和兵器中得到應(yīng)用， 在民用工業(yè)中的應(yīng)用也日漸增多。盡管它的性能優(yōu)于鋼鐵， 卻沒有被普遍使用， 主要是由于纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料不但增強(qiáng)纖維價格昂貴， 而且制造工藝獨(dú)特、成本高。因此， 為了進(jìn)一步推廣纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用， 必須努力降低成本。同時還要對纖維表面涂層技術(shù)、合金元素對于界面穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的影響， 以及纖維增強(qiáng)體與鋁及鋁合金基體的界面結(jié)合強(qiáng)度對材料性能的影響等問題進(jìn)一步展開研究。相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料將日臻完善和成熟， 必將為人類文明的進(jìn)步做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。第25頁，共36頁，2022年，

25、5月20日，18點(diǎn)55分，星期四晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料晶須是指無缺陷( 也就是在生長軸上只存在一個螺型位錯) 的微細(xì)針狀晶體, 具有一定長徑比( 一般大于10) 和截面積小于52 10- 5 cm2, 現(xiàn)也稱短纖維狀晶體為晶須, 由于晶須的晶體結(jié)構(gòu)比較完整,內(nèi)部缺陷較少, 使其具有驚人的力學(xué)強(qiáng)度, 作為塑料、金屬和陶瓷等物質(zhì)的改型添加劑, 顯示出極佳的物理化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的機(jī)械性能.碳化硅晶須( SiC) 是已合成出晶須中硬度最高、模量最大、抗拉強(qiáng)度最大、而熱溫度最高的晶須產(chǎn)品, 它有- SiC 和- SiC 兩種形式, 型性能優(yōu)于型. SiC 晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高阻尼、高比模、而磨

26、損、耐高溫、耐疲勞、尺寸穩(wěn)定性好以及熱膨脹系數(shù)小等一系列性能, 具有廣闊應(yīng)用前景的新型結(jié)構(gòu)材料.第26頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四制備方法大體上可采用液相法和固態(tài)法. 晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備工藝較成熟, 研究方向較廣.但由于SiC 晶須價格昂貴, 僅應(yīng)用在航天航空領(lǐng)域. 而做為廉價晶須硼酸鋁的價格是SiC 晶須的1/20, 有希望成為復(fù)合材料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的晶須之一.下面我們主要介紹一下硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。 90 年代, 日本開發(fā)出了硼酸鋁晶須( 9Al2O3B2O3) , 其特性參數(shù)如下:平均長度 10 mm 30 mm;平均直徑 0. 5 mm 1.

27、 0 mm;密度 2. 93 g/ cm3;莫氏硬度 7;抗拉強(qiáng)度 8 GPa;楊氏模量 400 GPa;熱膨脹系數(shù)1. 9 10- 6/ K。第27頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四 該種晶須有著十分優(yōu)良的物理特性: 高的楊氏模量、低的熱膨脹系數(shù)、高的強(qiáng)度等; 由于它的原料便宜、制造工藝相對簡單, 所以它的價格比較低廉,僅為SiC 晶須或Si3N4 晶須價格的1/ 20 左右 1, 2 。同時, 硼酸鋁晶須同鋁合金有著較好的相容性 3 , 是鋁基材料良好的增強(qiáng)相。目前, 對硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究還比較少, 但是由于其較高的性能價格比, 有望在不久的將來得到廣

28、泛的研究與應(yīng)用。第28頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料基本上承襲了晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制取工藝, 主要采用擠壓鑄造法和粉末冶金法來制取。擠壓鑄造法可以說是制取硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料較為成熟的工藝。此工藝排除了對硼酸鋁晶須與鋁合金液結(jié)合有重要影響的反應(yīng)性、潤濕性等因素的作用。如果預(yù)制件制造得好, 擠壓溫度、擠壓壓力等參數(shù)控制得當(dāng), 能成功獲得晶須分布均勻、性能優(yōu)良的復(fù)合材料。粉末冶金法可以制得晶須與基體合金粉任意比例的復(fù)合材料?；旌象w容易均勻, 不易出現(xiàn)偏析或偏聚現(xiàn)象; 同時由于燒結(jié)溫度較低, 由反應(yīng)造成的晶須損傷比較少。 無論是采用擠壓

29、鑄造法還是粉末冶金法, 硼酸鋁晶須在鋁合金基體中的排列一般都是呈不連續(xù)分布的三維隨機(jī)狀態(tài), 這一特點(diǎn)使此類復(fù)合材料容易進(jìn)行鍛造、軋制、擠壓等二次加工。第29頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四第30頁，共36頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)55分，星期四由此可以看出: 此類復(fù)合材料不僅有著好的耐高溫性能; 并且常溫下的抗拉強(qiáng)度亦很好, 它的楊氏模量稍高于其它復(fù)合材料, 同時有著低的熱膨脹系數(shù)。最為突出的是它的摩擦磨損性能, 由圖2( d) 可知, 硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料既有著好的耐磨性能又有著好的減摩性能( 對摩擦副產(chǎn)生的損傷小) 。它既不同于Al2O3 短纖維和SiCW 增強(qiáng)的復(fù)合材料, 它們盡管有著好的耐磨性, 但對摩擦副卻有著較大的損傷; 又不同于ZL109( 最好的耐磨鋁合金之一) , 盡管對摩擦副損傷較小, 但其耐磨性卻遠(yuǎn)低于硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料?？梢? 硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的優(yōu)良性能使其具有廣泛的應(yīng)用前景。日本豐田和鈴木汽車