SiC颗粒增强铝基复合材料制动盘的研究
颗粒增强铝基复合材料的研究与进展
颗粒 利用 率低
ｌ １
轧 制件
工 艺复 杂 润 湿 性 好 燃 气涡轮 机 ；热 交换机 ；耐 热
增 强体 分布 均匀 元 件；切 削工具
即得 到所需 的复合材料 。用该方法制备 的颗粒与铝基体之 于形状和尺寸都不相同的各种颗粒 ， 对 于颗粒增强铝基 复合材 料的 浇注 ， 间的润湿性好 ， 粒 子分布均匀 ， 且制备设备 简单 ， 成本低 廉 ， 能够大 可设计性有 了很大的提高。 同时 ， 粉末冶金法存在不少独特 的优点 ， 规模生产 。 现在 ， 成熟 的半 固态搅拌铸造法 主要应用于微米级颗粒 ， 制备 的复合材料颗粒分布均匀 、 组织细密 ， 不易出现偏析和偏聚 ； 烧 对 于亚微米级和纳米级颗粒 ， 搅拌铸造法还 比较难控制其在铝液 中 结 温度 比金属 的熔点 低 ， 减 轻了界面之 间的反 应 ， 减少 了化合物 的 此方法金属液处于半 固态 ， 粘度 比较大 ， 易形 生成 ， 提高了产 品的精度 。 在航天领域 ， 英 国航天金属基复合材料公 的均匀分布㈣。同时 ， 成 团聚现象 ， 导致复合材料的相关性能降低 。齐海波等采用半 固态 司（ Ａ ＭＣ ） 采用高能球磨 粉末冶金法成功研 制出碳化硅 颗粒增强 铝 搅拌挤压铸造方法制备出 Ｓ ｉ Ｃ复合材料制动盘 ， 与传统 Ｈ Ｔ ２ ５ ０铸铁 基（ ２ ０ ０ ９ ／ Ｓ ｉ Ｃ ／ １ ５ ｐ ） 复合材 料 ， 用此材料 制造 的直 升机旋翼 系统连 接 该新 型制动盘热膨胀系数更小 、 导热性能更好 、 质量也 用模锻件 已成功应用于欧直公司生产 的新 型直升机旋翼上 。 该材料 制 动盘相 比， 不仅延长 了制动盘 的使用周期 ， 也节约了成本㈣。 与铝合金相 比， 弹性模量提高约 ４ ０ ％， 构建刚度提高约 ３ ０ ％， 寿命提 更轻 ，
短碳纤维增强铝基复合材料的制备及其性能研究
短碳纤维增强铝基复合材料的制备及其性能研究一、内容描述短碳纤维增强铝基复合材料（Short Carbon Fiber Reforced Aluminum Matrix Composite, SCFRA）作为一种先进的复合材料，凭借其轻质、高强、高刚度、良好的耐腐蚀性等优异性能，成为了现代材料科学领域的研究热点。
本文将围绕SCFRA的制备及其性能展开深入探讨。
在制备方面，本文首先介绍了短碳纤维（Short Carbon Fiber, SCF）的基本特性和常用的制备方法。
SCF具有高强度、低密度、良好的热导性和电导性等特性，因此在众多工业领域如航空航天、汽车制造、建筑工程等得到了广泛应用。
文章详细阐述了铝基复合材料（Aluminum Matrix Composite, AMC）的组成、分类及制备工艺。
铝基复合材料以铝合金为基体，通过填充其他材料如陶瓷颗粒、碳纤维、塑料等，可以显著提高其力学性能、耐磨性、耐高温性等。
结合SCF和AMC的特点，本文提出了一种新型的短碳纤维增强铝基复合材料，旨在充分发挥两者优势，实现高性能化。
通过优化SCF 与AMC的配比、制备工艺和微观结构调控，有望获得具有更高比强度、更高比刚度、良好耐磨性和耐腐蚀性的复合材料。
在性能研究方面，本文首先分析了SCFRA的基本力学性能，如拉伸强度、弯曲强度、压缩强度等。
实验结果表明，SCFRA的力学性能明显优于相同成分的铝合金，显示出短碳纤维对铝基体的增强作用。
本文还探讨了SCFRA的热稳定性、耐磨损性、耐蚀性等性能，并与铝合金和碳纤维增强铝基复合材料进行了对比分析。
研究结果显示，SCFRA在高温下仍能保持较高的力学性能和热稳定性，同时具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
针对SCFRA在实际应用中可能遇到的问题，如界面结合强度低、复合材料易氧化等，本文也提出了相应的解决方案。
通过优化表面处理工艺、控制SCF与AMC的界面相容性等手段，可以提高SCFRA的整体性能。
颗粒增强铝基复合材料研究与应用发展
3、结构性能
通过观察复合材料的显微组织，分析碳化硅颗粒的分布情况和界面结合情况。 实验结果显示，随着碳化硅颗粒含量的增加，颗粒分布逐渐均匀，界面结合强度 也逐渐提高。Fra bibliotek结果分析
实验结果表明，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的物理性能、化学性能和结构 性能均得到显著改善。随着碳化硅颗粒含量的增加，复合材料的密度、硬度和界 面结合强度逐渐提高，而热导率呈现先增加后减小的趋势。这些现象和结果与碳 化硅颗粒含量、分布情况以及界面结合情况密切相关。
材料选择
碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要包括搅拌铸造法、挤压铸造法、 粉末冶金法和喷射沉积法等。本次演示选取搅拌铸造法进行研究，具体实验过程 如下：
1、按照一定比例将铝材和碳化硅颗粒混合均匀； 2、将混合物放入坩埚中，加热至熔化；
3、搅拌熔融的混合物，确保碳化硅颗粒均匀分布； 4、浇注至预定的模具中，冷却凝固后得到碳化硅颗粒增强铝基复合材料。
然而，尽管颗粒增强铝基复合材料具有诸多优点，但在其研究与应用方面仍 存在一些问题和不足之处。首先，制备工艺复杂且成本较高，限制了其广泛应用。 其次，材料的各向异性较为明显，影响了其性能的进一步提升。此外，关于颗粒 增强铝基复合材料在复杂服役条件下的长期性能和可靠性方面仍需进一步研究和 验证。
未来，随着科学技术的不断进步和研究的深入，颗粒增强铝基复合材料将会 在更多领域得到应用和发展。为进一步提高其性能和降低成本，可以研究新的制 备工艺和优化现有工艺参数，探索新型增强颗粒和基体合金。针对其各向异性和 长期性能问题，可以开展深入的理论和实验研究，建立完善的性能评价体系，为 实际应用提供更加可靠的依据。
感谢观看
3、结构设计难度大：由于碳化硅颗粒增强铝基复合材料的力学性能与传统 的金属材料存在较大差异，因此在进行结构设计时需要考虑更多的影响因素，增 加了设计的难度。
SiCP_Al基复合材料的研究与进展
SiCP/Al基复合材料的研究与进展罗洪峰 林 茂 陈致水 廖宇兰（海南大学机电工程学院 海南 570228）摘 要： 综述了SiCP/Al基复合材料的国内外研究现状，从材料的选择、制备技术和性能等方面，分析了该材料发展过程中存在的一些问题，并且展望了该材料今后的发展。
关键词：铝基复合材料 碳化硅颗粒 研究进展1、前言SiC P/Al基复合材料具有较高的比强度、比刚度、弹性模量、耐磨性和低的热膨胀系数等优良的物理性能，且制造成本低，可用传统的金属加工工艺进行加工，引起了材料研究者们的极大兴趣，在航空航天、军事领域及汽车、电子仪表等行业中显示出巨大的应用潜力。
从80年代初开始，国外投入了大量财力致力于颗粒增强铝基复合材料的研究，并已在航空航天、体育、电子等领域取得应用。
如DWA公司生产的25V ol%SiC P/6061Al基复合材料仪表支架已用于Lockheed飞机的电子设备。
美国海军飞行动力试验室研制成SiC P/Al基复合材料薄板并应用于新型舰载战斗机。
俄罗斯航空、航天部门将SiC P/Al基复合材料应用于卫星的惯导平台和支承构件。
国内从80年代中期开始在863计划的支持下，经过十几年的努力，SiC P/Al基复合材料的研究方面有了很大提高，在材料组织性能、复合材料界面等方面的研究工作己接近国际先进水平。
2、SiC P/Al基复合材料的制备工艺目前用于生产颗粒增强铝基复合材料的工艺方法大体可分为四类：液态工艺（搅拌铸造、液态金属浸渗、挤压铸造等）、固态法（粉末冶金等）、双相（固液）法（喷射共沉积、半固态加工等）、原位复合法。
2.1、搅拌铸造法搅拌铸造法是通过机械搅拌装置使增强体颗粒与固态或半固态的合金相互混合，然后浇注成锭子的技术。
与其它制备技术相比，该方法工艺设备简单、制造成本低廉，可以进行大批量工业生产，而且可制造各种形状复杂的零件，因此是目前最受重视、用得最多的制备铝基复合材料的实用方法。
颗粒增强铝基复合材料的研究现状
颗粒增强铝基复合材料的研究现状杨佳;曹风江;谭建波【摘要】复合材料是一种重要的工程材料,具有优异的力学性能.颗粒增强铝基复合材料是众所周知的复合材料之一,具有优异的性能,如高强度、硬度、刚度、耐磨性和耐疲劳性,因此成为了20世纪最具有发展前途的材料之一.本文综述了颗粒增强铝基复合材料的研究现状,从基体、增强颗粒的选择,复合材料的制备方法、影响复合材料制备的因素及解决方法等方面进行了详细阐述,并且针对目前面对的问题,提出了以后的发展方向.【期刊名称】《铸造设备与工艺》【年(卷),期】2017(000)005【总页数】5页(P69-72,78)【关键词】铝基复合材料;基体;增强颗粒;制备方法;润湿性【作者】杨佳;曹风江;谭建波【作者单位】河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄050018;沧州职业技术学院,河北沧州061000;河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄050018【正文语种】中文【中图分类】TB333复合材料是将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或微观上复合而成的具有优良性能的新材料，新材料具有组成材料的互补性能[l]。
根据复合材料的基体不同，复合材料可以分为：陶瓷基复合材料、金属基复合材料和树脂基复合材料[l]。
根据复合材料的增强相不同可分为：颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料[l]。
其中颗粒增强铝基复合材料是2l世纪最具有发展前途的先进材料之一。
该种复合材料具有高比强度、高比刚度、高比模量、低密度以及良好的高温性能，并且颗粒增强铝基复合材料耐磨、耐疲劳、热膨胀系数低、导热性能良好[2～4]。
与纤维增强铝基复合材料相比，颗粒增强铝基复合材料价格低，并且各向同性、克服了纤维损伤、微观组织不均匀和纤维与纤维接触反应带大等问题[5]。
目前常用的颗粒增强铝基复合材料的基体有纯铝和铝合金[l]，常用的增强颗粒有 SiC、Al2O3、TiC、Si3N4、B4C、石墨等[6，7]。
颗粒增强铝基通讯复合材料研究进展
刚度高 、热稳定性好 、耐磨性 好 、抗 腐蚀 、抗 疲 劳、密度
小 、不吸潮 、不老 化等 优 点＿ ，是一 种 优 良的 结构 材 料。 １ ］ 它不仅满足 了航 空航天 、能 源、高精 度机床 、尖 端武 器及 汽车等高端领域对材 料高性 能的要求 ，而且材料 的各 向同 性还使得材料可 以使用 传统 的金属加 工工艺 进行加 工 。所 有这些优点都使 Ｐ ＡＭＣ 在高 、精 、尖领域 以及通讯 设施 Ｒ ｓ
高温合成 法、原位热压放热反应合成 法、放热 弥散技术 、反应 自发浸渗技术等工艺 。对各工艺做 了详细的介 绍 ，指 出了未
来 的发 展 方 向 。
关 键 词 ：颗 粒 增 强 ；制 备 工 艺 ；强 制 加 入 ；原 位 反 应
中 图分 类 号 ：ＴＢ ３ ３
文 献 标 识 码 ：Ａ
越 大 。根 据 文献 ＿ 可 知 颗 粒 的 直 径 、 间 距 以 及 体 积 分 数 之 ２ ］
２ １ ２铸 造 法 ．．
铸 造 法 是 液 态 法 （ 融 金 属 加 工 法 ） 的 主 要 方 法 ，其 熔
关键是把 固相增强 颗粒均匀 地散布 于液态铝 中 ，并使 其最 终弥散地 分布在所 形成 的固态基体 中。铸造法 按增强 材料 与金属液体的混合 方式 不同 ，可分 为搅拌铸造 、正 压铸造 、 负压铸造等方法 。 ２１２１ ． ． ． 搅拌铸造法 目前 所采用的有液态机械搅 拌法及半 固态机械搅 拌法 。 液态机械搅拌法是通过搅拌 器 的旋 转运动使 增强材料 均匀 分布在液体中 ，然后浇注 成型 。此 法所用设 备 简单 ，操作 方便 ，但增强颗粒不易与 基体材料 混合 均匀 ，且材 料的 吸 气较严重 。半固态搅拌法是 利用合 金在 同液 温度 区间经搅 拌后得到的流变性质 ，将 增强颗粒 搅人 半 固态 熔液 中 ，依 靠半固态金属的粘性阻止 增强颗粒 因密度 差而浮沉 来制备 复合材料 。此法能获得增 强颗粒均 匀分 布的复 合材料 ，但
颗粒增强铝基复合材料的研究
颗粒增强铝基复合材料的研究专业:金属材料工程班级:09-1姓名:孟XX学号:09XXXXXX颗粒增强铝基复合材料的研究摘要：综述了颗粒增强铝基复合材料的研究现状，从基体、增强体的选择，铝基复合材料的制备方法，影响复合材料性能的因素和改善措施等方面进行阐述，并指出了该复合材料的研究方向和发展前景。
关键词：颗粒；铝基复合材料；制备方法；润湿性；分布铝基复合材料,就是在铝或铝合金中加人其他材料而形成的一种具有金属特性的材料,其中前者是复合材料中的基本材料称为基体材料,后者为添加材料称为增强材料或增强体。
颗粒增强铝基复合材料是21世纪最有发展前途的先进材料之一，以其高比强度、高比刚度、高比模量、低密度及良好的高温性能、更耐疲劳和更耐磨，阻尼性能好，热膨胀系数低、导电性能良好等优良的综合力学性能和使用性能。
其中弥散增强的铝基复合材料，不仅各向同性特征突出，而且可加工性强、价格低廉以及无高分子复合材料常见的老化、高温蠕变现象和在高真空条件下不释放小分子的特点，这克服了树脂基复合材料在航空领域中使用时存在的缺陷，更是受到复合材料工作者的广泛关注。
在航空航天、先进武器系统、汽车、电子封装及体育器材等领域都显示出广阔的应用前景，因此，颗粒增强铝基复合材料已成为铝基复合材料研究领域中最重要、最常用的材料之一。
从理论上分析，颗粒越小，复合材料的弥散强化作用越好，复合材料的性能越佳。
如果粒径太小，将导致材料在制备时由于铝合金溶液的粘度大，使得颗粒在液态铝合金中不易分散开来，造成复合材料整体不均与，而且界面反应也不易控制；颗粒太大，将会由于颗粒自重产生沉降或上浮，造成严重的铸造偏析，影响铝基复合材料的力学性能。
所以，应选择大小合适、密度相当的颗粒，才能使其发挥良好的弥散增强效果，颗粒尺寸通常选取5～20μm。
在制备复合材料过程中，颗粒数量太少，则起不到良好的增强作用；太多又容易聚集成团，使铝基复合材料变得疏松，颗粒与颗粒之间的结合不牢固，也可能引起基体的连接受阻，导致作用力不强，使得铝基复合材料的致密度不高。
SiC颗粒增强Al基复合材料及其性能研究
SiC颗粒增强Al基复合材料及其性能研究杨雅静;李付国;袁战伟【摘要】SiC颗粒的加入使SiC增强铝基复合材料拥有了优异的综合性能,从而成为具有广泛使用价值的先进复合材料.本文综述了SiC颗粒增强铝基复合材料的第二相特征及其对使用性能的影响规律.特别是对近年来倍受关注的SiC颗粒形状、尺寸、体积分数、颗粒分布和界面特征等对复合材料宏、微观性能的影响进行了详细论述.%The second phase characteristics of Silicon carbide particles reinforced Al matrix composites and its influence law on the performance have been overviewed in the text. The influence of silicon carbide particle factors, including particle shape, particle size, volume fraction, particles distribution and interface characteristics between particjle and matrix, on macro and micro performance of matrix composites have been expounded in detail.【期刊名称】《锻压装备与制造技术》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】7页(P82-88)【关键词】复合材料;SiCp/Al;性能;综述【作者】杨雅静;李付国;袁战伟【作者单位】西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安 710072【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+11 前言SiCp/Al基复合材料由于具有高比强度、高刚度、耐疲劳、耐磨损、热膨胀系数低、优良的尺寸稳定性、较强的可设计性等优异的综合性能，已成为具有广泛使用价值的先进复合材料。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状
精密成形工程第15卷第12期表面改性技术研究现状甘国强1，韩震2，鲍建华1，WOLFGANG Pantleon3（1.合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009；2.中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波 315000；3.丹麦技术大学，哥本哈根 2800）摘要：SiC颗粒增强铝基复合材料因具有高的比强度、比刚度、耐磨性及较好的高温稳定性而被广泛应用于航空航天、电子、医疗等领域，但由于SiC颗粒高熔点、高硬度的特点以及SiC颗粒与铝基体间存在界面反应，碳化硅铝基复合材料存在加工性差、界面结合力不足等问题，已无法满足航天等领域对材料性能更高的要求，因此开展如何改善基体与颗粒之间界面情况的研究对进一步提升复合材料综合性能具有重要的科学意义。
结合国内外现有研究成果，总结了SiC颗粒与铝基体界面强化机制、界面反应特点、表面改性技术原理及数值建模的发展现状，结果表明，现有经单一表面改性方法处理后的增强颗粒对铝基复合材料性能的提升程度有限，因此如何采用新的手段使复合材料性能进一步提升将成为后续研究热点，且基于有限元数值模拟方法进行复合材料设计也是必然趋势。
最后针对单一强化性能提升有限的问题，提出了基于表面改性的柔性颗粒多模式强化方法，同时针对现有的技术难点展望了后续的研究方向，以期为颗粒增强复合材料的制备提供理论参考。
关键词：碳化硅颗粒；表面改性；复合材料；模拟；界面DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.12.008中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)012-0058-10Research Status of Particle Interface Modification Technology for Silicon CarbideParticle Reinforced Aluminum Matrix CompositesGAN Guo-qiang1, HAN Zhen2, BAO Jian-hua1, WOLFGANG Pantleon3(1. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2. Ningbo Branch of China Academy of Ordnance Science, Zhejiang Ningbo 315000, China;3. Technical University of Denmark, Copenhagen 2800, Denmark)ABSTRACT: SiC particle reinforced aluminum matrix composites are widely used in aerospace, electronics, medical and other fields due to their excellent properties such as high specific strength, high specific stiffness, high wear resistance, and high tem-perature stability. However, due to the high melting point and high hardness of SiC particles, as well as the interface reaction between silicon carbide reinforced particles and aluminum matrix, SiC aluminum matrix composites have problems such as poor收稿日期：2023-09-03Received：2023-09-03基金项目：安徽省重点研究与开发计划（JZ2022AKKG0100）Fund：Anhui Provincial Key Research and Development Project (JZ2022AKKG0100)引文格式：甘国强, 韩震, 鲍建华, 等. 碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状[J]. 精密成形工程, 2023, 15(12): 58-67.GAN Guo-qiang, HAN Zhen, BAO Jian-hua, et al. Research Status of Particle Interface Modification Technology for Silicon第15卷 第12期 甘国强，等：碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状59processability and insufficient interfacial adhesion. It is no longer possible to meet the requirements for material performance in fields such as national defense and aerospace. Therefore, studying the ways to improve the interface between particles and ma-trix is of great scientific significance for improving the comprehensive performance of composite materials. In combination with existing research results at home and abroad, the interface strengthening mechanism, interface reaction characteristics, existing surface modification technology principles and numerical simulation development status of SiC reinforced particles and alumi-num matrix composites were summarized. The results showed that the performance improvement of reinforced particle alumi-num matrix composites after strengthening was limited after being treated with a single surface modification method. Therefore, how to adopt new methods to improve the performance of composite materials will become a hot research topic in the future, and the design of composite materials based on finite element numerical simulation methods is also an inevitable trend. Finally, in response to the limited improvement of single strengthening performance, the author proposes a flexible particle multimodal strengthening method based on surface modification, and looks forward to future research directions in response to existing technical difficulties, hoping to provide theoretical reference for the preparation of particle reinforced composite materials. KEY WORDS: SiCp; surface modification; composite material; simulation; interface碳化硅颗粒增强铝基复合材料是以碳化硅颗粒（SiCp ）作为增强相，以铝或铝合金作为基体的一种复合材料，因具有密度和价格成本低、高温性能良好、耐腐蚀耐磨及比强度和比弹性模量高等特点，已成为热门的新型结构材料之一，现已广泛应用于航空航天、电子、汽车及体育等多个领域，如汽车刹车盘、发动机缸体活塞等结构件中。
颗粒增强铝基复合材料的介绍与研究
颗粒增强铝基复合材料的介绍与研究作为金属基复合材料的一种，铝基复合材料有着最广泛的发展和应用。
这是一种通过在基体中加入一些具有特殊性能的增强体材料（如具有高硬度、耐磨的陶瓷颗粒）来制备在性能上优于基体金属的复合材料的方法。
为了使材料的的力学性能和致密性达到最好，充分发挥弥散增强的效果，所以要选择适当大小、密度和数量的颗粒来作为增强体。
本文主要介绍颗粒增强铝基复合材料的优点以及如何选择基体和增强体。
标签：颗粒增强；基体；增强体铝基复合材料——目前种类最多、应用最广的MMCs。
因为其性能优异、研究深入，所以是MMCs阵营中不可或缺的重要成员。
铝的面心立方结构决定了其会有良好的塑韧性，除此之外它良好的加工性能和价格便宜等许多优点都促成了它在工程上的广泛使用。
而其质量轻、塑性好等优点在制备复合材料时同样也是不可多得的优点，所以铝基复合材料发展最快。
因为铝合金综合性能比铝更加优异，所以铝基复合材料多选用铝合金作基体。
其增强体则多种多样，既可以是连续增强长纤维，也可是短纤维或颗粒。
颗粒增强金属基复合材料就是指增强相是以颗粒的形式存。
基体的作用是把通常平均直径大于1微米的颗粒粘合在一起。
常用增强体颗粒有：TiC、TiB2等陶瓷颗粒还有石墨颗粒甚至是金属颗粒等。
颗粒增强铝基复合材料颗粒增强型金属基复合材料（简称PRMMC），是复合材料的一个重要的分支。
PRMMC的最大特点成本较低使其应用范围变广，同时材料综合性能也不错。
和纤维增强型金属基复合材料相比，PRMMC有着各向同性和加工工艺更为简单的特点。
虽然从理论说只要复合材料中增强体颗粒尺寸越小，其带来的强化效果就会越强，材料的力学性能也就越好。
这是忽略复合材料制备过程而得出的结论。
实际在铝基复合材料制备时，如果增强体颗粒太小就会使基体熔液粘度太大，颗粒团聚在一起不易分开。
这样不仅达不到均匀弥散的制备要求，而且界面反应也不好掌握，最终可能导致材料中增强相不均匀或者发生有害界面反应。
100503颗粒增强铝基复合材料制动盘的组织和性能
３．１耐磨性检测结果
各试样在铸态、固溶态和时效态下的磨损量见图 ８。铸态下，ａ试样磨损量从边部到心部递增，ｂ。、ｂｚ试 样磨损量边部和心部高于中部，Ｃ。试样磨损量从边部 到心部递减；ｃ：试样边部和心部磨损量低于中部。
——试验研究——特种铸造及有色合金 ２０１０年第３０卷第５期 颗粒增强铝基复合材料制动盘的组织和性能
邹茂华刘昌明 王雪峰 王 开 （重庆大学材料科学与工程学院）
摘 要对过共晶铝合金颗粒增强复合材料在不同的工艺条件下（即不同的浇注温度、模具温度和离心机转速）成形的５
个铸件在铸态、Ｔ４态和Ｔ６态的金相组织、耐磨性和硬度进行对比分析，以得到最适合做制动盘的材料和成形工艺。研究
３９６万方数据
一颗粒增强铝基复合材料制动盘的组织和性能 转速、各种指令提醒等。
邹茂华 等 这样可以利用同～块试样，在上表面做耐磨性试
１．３铸件的解剖与制样
验，下表面做硬度试验，侧面做金相试样。
第１次解剖是将零件分成３个大致相等的扇形，其
１．４硬度的测量
中一块等待下一次解剖，一块进行Ｔ４热处理，另一块
（ａ）铸态口试祥
（ｂ）铸态ｂｊ试棒
（ｃ）铸态６２试样
（ｄ）铸态ｆｌ试样
图５铸态下制备的制动盘的微观组织
（ｅ）铸态ｃ２试样
（ａ）目溶态ｂ１试祥
（ｂ）固溶态６２试样
（ｃ）固溶态ｆｌ试样
目６ Ｔ４态（固溶）下制备的制动盘的微观组织
（ｄ）回溶态Ｃ２斌样
、
（ａ）时效态ｂｌ斌样
万方数据
（ｂ）时效态６２试样
（ｃ）时效态ｃｌ试样
用．２００４（８）：５０—５４． ［１０］张新平，于思荣，何镇明．离心铸造梯度功能材料的研究现状及
颗粒增强铝基复合材料的介绍与研究
颗粒增强铝基复合材料的介绍与研究作者：刘珂刘春刘琦来源：《科学导报·学术》2017年第10期摘要：作为金属基复合材料的一种，铝基复合材料有着最广泛的发展和应用。
这是一种通过在基体中加入一些具有特殊性能的增强体材料（如具有高硬度、耐磨的陶瓷颗粒）来制备在性能上优于基体金属的复合材料的方法。
为了使材料的的力学性能和致密性达到最好，充分发挥弥散增强的效果，所以要选择适当大小、密度和数量的颗粒来作为增强体。
本文主要介绍颗粒增强铝基复合材料的优点以及如何选择基体和增强体。
关键词：颗粒增强；基体；增强体【中图分类号】 TB33 【文献标识码】 B【文章编号】 2236-1879（2017）10-0208-01铝基复合材料——目前种类最多、应用最广的MMCs。
因为其性能优异、研究深入，所以是MMCs阵营中不可或缺的重要成员。
铝的面心立方结构决定了其会有良好的塑韧性，除此之外它良好的加工性能和价格便宜等许多优点都促成了它在工程上的广泛使用。
而其质量轻、塑性好等优点在制备复合材料时同样也是不可多得的优点，所以铝基复合材料发展最快。
因为铝合金综合性能比铝更加优异，所以铝基复合材料多选用铝合金作基体。
其增强体则多种多样，既可以是连续增强长纤维，也可是短纤维或颗粒。
颗粒增强金属基复合材料就是指增强相是以颗粒的形式存。
基体的作用是把通常平均直径大于1微米的颗粒粘合在一起。
常用增强体颗粒有：TiC、TiB2等陶瓷颗粒还有石墨颗粒甚至是金属颗粒等。
颗粒增强铝基复合材料颗粒增强型金属基复合材料（简称PRMMC），是复合材料的一个重要的分支。
PRMMC 的最大特点成本较低使其应用范围变广，同时材料综合性能也不错。
和纤维增强型金属基复合材料相比，PRMMC有着各向同性和加工工艺更为简单的特点。
虽然从理论说只要复合材料中增强体颗粒尺寸越小，其带来的强化效果就会越强，材料的力学性能也就越好。
这是忽略复合材料制备过程而得出的结论。
SiC颗粒增强铝基复合材料的制备及性能
SiC颗粒增强铝基复合材料的制备及性能SiC颗粒增强铝基复合材料具有良好的性能，其制备过程是通过将SiC颗粒加入铝基合金中，并在高温下进行加热、烧结和冷却等过程得到的。
在制备过程中，需要考虑材料选择、成分配比、加热温度和时间等因素。
首先，选择合适的铝基合金是制备SiC颗粒增强铝基复合材料的重要一步。
通常选择含有硅、铜、镁等元素的铝合金作为基体材料，因为这些元素可以提高铝合金的强度和硬度，使其更适合作为复合材料的基体。
其次，粒径和配比也是影响制备SiC颗粒增强铝基复合材料的因素之一。
通常，SiC颗粒的粒径应控制在10-50μm之间，同时需要适当调整其添加量，以达到复合材料的最佳性能。
在制备过程中，需要对复合材料进行高温加热，以实现SiC颗粒与铝基合金的结合。
通常可以通过烧结或热压等方法进行加热处理。
在加热过程中，需要控制加热温度和时间，以避免过度烧结或热压，导致复合材料的性能下降。
最后，制备好的SiC颗粒增强铝基复合材料具有优异的机械性能和耐磨性能。
其强度和硬度比普通铝合金要高，而且耐磨性能也较好，可用于制作各种机械零件和工具等。
总之，制备SiC颗粒增强铝基复合材料是一项复杂而有挑战性的工作。
只有深入了解其成分和加工工艺，才能制备出优质的复合材料。
SiC颗粒增强铝基复合材料的关键性能指标主要包括强度、硬度、耐磨性能等。
下面将针对目前文献报道的数据进行分析，并探讨其可能的影响因素。
首先是复合材料的强度。
根据文献报道，SiC颗粒增强铝基复合材料的强度通常高于单纯的铝合金，其中最高的强度值可以达到1100MPa。
这是由于SiC颗粒的加入增加了复合材料的晶间模量，从而提高了材料的强度。
此外，当SiC颗粒的大小适中时，其与铝基合金的界面结合更紧密，对于强度的提升也有一定的贡献。
其次是复合材料的硬度。
SiC颗粒的硬度高于铝合金，加入后可以明显提高复合材料的硬度。
根据文献报道，复合材料的硬度通常在100~200Hv之间，其中SiC颗粒的含量和均匀性是影响硬度的主要因素。
SiC 颗粒增强铝合金基复合材料
还有一种韧窝存在于基体上,在撕裂棱上分布着轮廓清晰、尺寸较 小的小韧窝,大小一般在 3 μm以下( 见图 (a) 。
微观断口分析
正断一般为脆性断裂，切断一般为韧性断裂。
微观断口分析
• 如图显示了两类 PRMMCs 的微观拉伸断口形貌。可见, SiC 颗粒 增强铝合金基复合材料拉伸断裂有基体韧断界面脱开和颗粒断裂 三种方式
• 就微观角度来看, 这两类材料断裂时均未出现解理面, 断口中存在 着不同大小和深浅的韧窝, 呈现出韧性断裂特征。
• 上述实验结果, 随增强体颗粒增加, 材料弹性模量升高具有一般性。 这是因为材料弹性模量和刚度是增强体颗粒和金属基体的平均表 现, 属于结构不敏感特性, 是由整体的量所决定的。
• 随 SiC 颗粒增加, 材料增强与否是有条件的。这是因为材料强度属 于结构敏感特性, 是由局部的量决定的, SiC 颗粒的加入, 造成了变 形的区域化, 区域化程度的差别及基体与增强体间界面状况的不 同便产生了增强与降强的相反效果 。
• 当基体屈服强度 较低时, 复合材料抗拉强度由基体 的韧断机制控制, SiC 颗粒的加入提高了基体内的 位错密度并阻止滑 移进行, 从而起到了增强作用; 当基体屈服强度较高 时, 界面受到数倍于基体的高 应力作用, 在基体尚未 发生塑性变形前便破坏, 故 其抗拉强度由界面脱开 机制控制。显然, 只有基体 与界面强度的合理匹配, 才能使该类复合材料性能
达到最佳。
•
• 由上面的分析可知，当基体的强度较低时, SiC 颗粒的加入起到了增强的作用;当基体的强度 较高时, SiC 颗粒的加入起到了降强的作用。
铝基复合材料也可应用于汽车的刹车系统元件上
铝基复合材料也可应用于汽车的刹车系统元件上
1995年Lanxide和Waupaca合作生产的陶瓷增撂羽響一-运动车上。
英国的T&N Technology公司也使用20%SiC的Duralcan铝基复合材料制造刹车转子，预计这种刹车转子将在近年内达到大规模市场化。
同时汽车的刹车活塞、刹车垫板、卡钳等刹车系统元件。
日本日产公司采用SiC晶须增强铝基复合料制造了汽车连杆，日本本田也研制出18-8不锈钢长纤维增强铝基复合材料制造了汽车连杆。
而美国ART?’以}司制造的汽车连杆采用的是70%（体积含量）AIN颗粒增强2124铝基复合材料。
铝基复合材料还可用来制造汽车驱动轴、摇臂等汽车零件。
但这些MMCs连接杆等零部件普遍存在工艺复杂、价格昂贵等间开发新的工艺相对简单的MMCs，使其价格大幅度降低，才能在汽车工业中大规模应用。
采用硅酸铝纤维增强铝硅合金[(55 % Al2 03·45 %Si02)/(AI-Si)l制造发动机活塞在欧洲已获得应用。
SiC晶须增强铝硅合金复合材料活塞也在试用中。
在活塞环槽部位用硅酸铝纤维局部增强铝合金，这种活塞不仅具有较高的高温强度和疲劳强度，而且进一步降低了成本。
我国对铝基复合材料应用于汽车工业的研究也取得了很大的进展，如上海交通大学开发研制的SiCp/Al基复合材料制造活塞环槽嵌入铝合金活塞，已通过长时间试车；兵器学研究院52所宁波分所羽普通制造方法制造的Al2 03短纤维增强铝基复合材料环槽的活塞也已于汽车工业。
但在基础研究特别是界面增强浸性、提高复合材料性能等方面仍需加强研究工。
SiC颗粒增强Al基复合材料的研究及应用
理 不 力 ，不 利 于 企 业 树 立 统 一 形 象 ，
易造 成视 觉差 错。 企 业 在 注 重 培 育 自 己 品 牌 的 同 时 ， 要 注 意 保 护 好 自 己 辛 辛 苦 苦 创 还 立 的 品 牌 。 业 创 立 的 品 牌 因保 护 不 企 力 而 被 假 冒 、 注 、 偿 使 用 （ 时 甚 抢 无 有
优 势 ， 获 取 利 润 。 品 牌 能 够 在 市 场 并
这 并 非 是 一 个 宿 命 的 观 点 ， 是 因 为 而
每 一 个 成 功 品 牌 的 背 后 总 是 有 一 大 批 忠 诚 的 消 费 者 在 支 撑 ， 是 这 种 忠 但 诚 度 的 积 累 是 需 要 时 间 的 。消 费 者 需 要 品 牌 给 他 们 一 段 不 短 的 时 间 来 验
是 其 中一 个 重 要 的 方 面 。 别 是 金 属 特
、
ＳＣ颗粒 增 强 Ａ 基 复合材 料 ｉ ｌ
的特点
１材 料 各 向 同 性 ．
与 不 连 续 纤 维 增 强 金 属 基 复 合
基 复 合 材 料 的 出 现 ， 起 了世 界 各 国 引
专 家 学者 的关 注 。 在过 去 的几 十 年 里 ， 属 基 复 合 材 料 由 于 其 具 有 高 比 金
适 用 于 不 同 的 加 工 方 法 ，如 能 够 挤
借 用传 统 的铝 合 金 材 料 的 设 计理 论
强 度 、 比刚度 、 耐磨 性 等 优 良特 高 高 性 ， 理 论 和 实 际 应 用 价 值 都 取 得 了 其
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文章编号:1000-3851(2001)01-0062-05收稿日期:1999-05-30;收修改稿日期:1999-10-30基金项目:河北省博士基金资助项目(96Z1107)作者介绍:齐海波(1972),男,硕士,讲师,研究方向:金属基复合材料及纤维增强混凝土复合材料。
SiC 颗粒增强铝基复合材料制动盘的研究齐海波,丁占来,樊云昌,姜稚清(石家庄铁道学院材料科学与工程研究所,石家庄050043)摘 要: 采用半固态搅拌熔炼-液态模锻工艺制备了与Santana 轿车前制动器相匹配的SiC 颗粒增强铝基复合材料制动盘,对该制动盘进行了材料拉伸性能和微观结构分析,并在SCHENCK 制动试验台上进行了制动性能和制动磨损试验。
结果表明,复合材料的拉伸性能优于传统制动盘材料HT 250铸铁;在各种制动工况条件下,复合材料制动盘对制动衬片的摩擦系数均在大众公司企业标准规定的范围之内,且较稳定;此外,复合材料制动盘质轻、耐磨,制动噪音小、温升低,运转平稳;因此,可望以其替代传统的铸铁制动盘,提高制动器的安全可靠性和服役寿命,减轻轿车悬挂系统的重量,降低油耗。
关键词: SiC P /Al 复合材料;制动盘;台架试验;摩擦系数中图分类号: TB 331;U 467 文献标识码:ARES EARCH ON AUTOMOTIVE BRAKE DIS CS OF S iC P /Al COMPOSITEQI Ha i -bo ,DING Zhan -la i ,FAN Y un -chang ,JIANG Zhi -qing(Institute of Materia ls Science and Engineering,Shijia zhuang Railway Institute,Shijia zhuang 050043,China)Abstract : The SiC P /A l composite bra ke disc designed for the front bra ke of SANTANA ca rs was prepa red by semi-solid stirring melting and liquid forging.The tensile properties and microstructures of the disc ma terials were examined ,a nd the tribologica l -wear performa nces of the disc were tested on the SCHENCK brake testing system ma de in Germany.The results show that the tensile properties of the composites a re superior to those of the conventional disc ma teria l ,grey cast iron ;and tha t under different bra king conditions,the friction coefficients of the composite disc against the conventional brake pad a re within the ra nge specified by the sta ndard of VOLKSWAGEN compa ny and with sma ll fluctua tions.It is also found that the bra ke disc made of the composite ha s such adva ntages a s light weight ,high wear resistance ,low braking noise and low braking temperature rises ,smooth operat-ing,etc.Hence,it is hopeful to substitute the composite disc for the traditional cast iron disc to in-crease reliability and to prolong the survice life of the car brake ,to lighten the weight of the ha nging system,and thus,to decrease gas expenditure of cars.Key words : SiC P /Al composite ;brake discs ;dynamometer tests ;friction coefficients 目前,随着能源的日益紧缺和车辆速度的不断提高,车辆的减重已成为必然的趋势。
与传统钢铁材料相比,SiC 颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度、比刚度,良好的耐磨性和热稳定性等特点,较适合于制作汽车和火车盘形制动器的制动盘,从而使悬挂系统的重量减轻50%以上。
国外,日、德等国相继开发出了适于高速列车的SiC 颗粒增强铝基复合材料制动盘[1],美国Ford 公司进行了轿车制动盘的研制和开发[2];国内,虽有上海交通大学王文龙等人研制铝基复合材料摩托车制动轮毂的报道[3],但在轿车和火车复合材料制动盘的研究方面,尚未见诸报道。
本研究中采用非真空条件下的搅拌熔炼-液态模锻工艺,制备了SiC 颗粒增强铝基复合材料,将制备的材料用于Santa na 轿车前制动盘的研制,并对复合材料制动盘进行了一系列的性能测试和台架试验,以期开发出高性能的新型轿车制动盘,达到减轻复合材料学报ACT A MATERIAE COMPOSIT AE SINICA第18卷 第1期 2月 2001年Vol.18 No.1 February2001轿车悬挂系统重量并降低油耗的目的。
1 制动盘的制备本研究制备的复合材料基体组分是与ZL 109相类似的铸造铝合金(wt%:11.0～13.0Si-0.5～1.5Cu -1.8～2.3Mg -0.8～1.5Ni );增强体组分选用粒度代号为W40的绿色T -SiC 颗粒,其在复合材料中的体积分数为20%。
块状铝合金经清洗烘干后放入带有石墨搅拌器的GWJ -0.05-100-1型中频感应炉内[4](坩埚内壁直径为200mm)熔化,加热至720℃后进行精炼、捞渣。
然后,按特殊工艺预处理后的SiC 颗粒,由Ar 气流携带被均匀地喷吹到熔液表面,借助重力和旋涡力量进入到熔液中去。
待全部SiC 颗粒加入后,将熔液降温至565℃(基体铝合金的半固态温度),以690rpm 的转速对其进行搅拌;同时,在熔液上方通入Ar 气,保护液面免被氧化;30min 后停止搅拌,再迅速将熔液升温到720℃,加入适量的A l -9%Sr 中间合金变质剂,对熔液进行变质处理;而后,往熔液内通入高纯Ar 气,对熔液再次进行精炼;扒渣、过滤后,将复合材料熔液浇入安装在6300kN 四柱式压力机上的制动盘模具中进行液态模锻成形,挤压比压为100MPa ,保压时间为40s,模具预热温度为250℃。
液态模锻所用模具如图1所示。
图1 液态模锻用模具图Fig .1 Scheme of squeeze -casting mould2 试验结果及讨论2.1 力学性能及组织分析从热处理后的SiC 颗粒增强铝基复合材料制动盘本体取样,并将其加工成标准拉伸试样。
试样直径为5mm ,标距段长度为25mm 。
材料的室温拉伸性变速率为6×10-4s -1。
同时,在HB 3000型布氏硬度计上测定了复合材料的硬度。
测试结果如表1所示。
表1 S iC P /Al 复合材料及铸铁HT 250的力学性能Table 1 Mechanical properties of the S iC P /Alcomposite and HT250Materia ls T ensile strength /M PaB rinell HardnessW40SiC P 20vol%/Al320152HT 250*250170～241*:数据摘自GB/T 9439-88,铸件壁厚在10～20mm 之间。
从表1可以看出,复合材料的抗拉强度比铸铁HT 250的抗拉强度提高了约28%,完全可以满足制动盘的强度要求。
由于本研究中采用的非真空熔炼条件下的复合材料制备工艺解决了搅拌铸造法的几个关键问题。
例如,采用特殊颗粒预处理工艺解决了SiC 颗粒与铝合金熔液浸润性差的问题;在基体铝合金处于半固态温度时,通过合理的强制搅拌工艺使SiC 颗粒在基体合金中达到了基本均匀的分布状态;选择高硅铝合金作为基体组分并采用低热胀系数陶瓷套管热电偶全过程监控铝液温度,使SiC 颗粒与基体铝合金的界面处无脆性反应物生成;采用高纯Ar 气保护液面、对合金熔液进行两次精炼,并采用液态模锻工艺成形,有效地避免了气孔、夹杂等铸造缺陷的发生。
因此,复合材料的内在质量得到了保障。
图2、图3分别为W 40SiC P 20vol %/A l 复合材料的微观结构和SiC 颗粒分布状况的光学显微照片。
从图中可以看出,复合材料中的T -相枝晶破碎、间距较小,共晶硅为球状颗粒且其尺寸细小、分布均匀;SiC 颗粒也基本处于均匀分布状态。
图 2 W 40SiC P 20vol %/A l 复合材料的微观结构Fig.2 Microstructure of W40SiC P 20vol%/Al composite・36・齐海波,等:SiC 颗粒增强铝基复合材料制动盘的研究图 3 SiC颗粒在基体铝合金中的分布Fig.3 Distribution of SiC P in Al-alloy matrix2.2 制动盘的摩擦磨损台架性能试验制动盘的摩擦磨损台架性能试验在德国SCHENCK LBA0049型惯性试验式双制动试验台上进行。
测试结果参照大众公司企业标准进行评定。
在试验过程中,测定了制动速度、制动压力与摩擦系数的关系,连续制动情况下制动盘表面温升与摩擦系数的关系,以及制动盘的制动磨损性能。
2.2.1 制动压力和制动速度对摩擦系数的影响研究中,采用W40SiC P20vol%/A l复合材料制备的制动盘和无石棉半金属制动衬片组成摩擦副(以下简称复合材料摩擦副)进行制动性能试验,并与HT250铸铁制动盘和同种制动衬片组成的摩擦副(以下简称铸铁摩擦副)的制动性能试验结果进行比较。
图4(a)为制动初速度一定时(v=80km/h),不同摩擦副的摩擦系数与制动压力的关系曲线,图4(b)为制动压力一定时(P=6MPa),不同摩擦副的摩擦系数与制动速度的关系曲线。