颗粒增强铝基复合材料研究与应用进展

颗粒增强铝基复合材料研究与应用进展摘要：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，并介绍了该复合材料的广泛应用。

关键词：颗粒；铝基复合材料；制备方法; 应用Abstract ：The research progress of particle reinforced aluminum matrix composite was summarized. The research status of the composite was reviewed in detail from the choice of the reinforcement and the matrix, the preparation technique of aluminum matrix composite, the factors which can affect the performance of the composite.Key words ：particle; aluminum matrix composite; preparation methods; application1.前言铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体 , 以金属或非金颗粒、晶须或纤维为增强相的非均质混合物。

按照增强体的不同 , 铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。

由于颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度、比刚度，优良的高温力学性能和耐磨性，并且价格便宜，适于批量生产，良好的耐磨性和导热性能等优点，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[1] 。

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[2]。

2.铝基复合材料的选择2.1.铝基复合材料的基体铝基复合材料的基体可以是纯铝，也可是铝合金，其中采用铝合金的居多。

工业上常采用的铝合金基体有Al-Mg、Al-Si、Al-Cu、Al-Li和Al-Fe等。

选择合适的基体材料与增强体材料进行搭配，主要目的是为了获得力学性能良好的铝基复合材料，但是，选择基体材料时，并不是基体材料强度越高，制得的铝基复合材料的力学性能就越好的性能却更低。

因此，只有选择的基体材料和增强体合理搭配时，两种材料融为一体，各自发挥其自身的优势，而且彼此之间不产生冲突，优势互补，才能削弱单独使用时的缺点，以提高铝基复合材料的性能[3]。

2.2.铝基复合材料的增强体增强体的选择和基体材料的选择类似，根据所需铝基复合材料的性能和用途进行选择，而且也要综合考虑增强体和基体材料之间各方面的因素，如结合状态、界面反应和润湿性等。

一般情况下，增强体材料的选择需具备基体材料不具备的特殊性能，如高强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨性、低密度和良好的化学稳定性，或者选择具有探索研究价值的增强体。

目前，增强颗粒的种类主要有SiC 、Al2O3、TiC 、Si3N4、B4C 和石墨等。

其中以 SiC 和 Al2O3 颗粒的研究最为普遍，且应用范围越来越广[3]。

3.颗粒增强铝基复合材料的制备方法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、原位复合工艺、挤压铸造法和喷射沉积法等。

3.1.粉末冶金法粉末冶金技术又称固态金属扩散技术，是最早用来制造金属基复合材料的方法，此方法是将两种或两种以上的增强体与金属粉末充分混合后冷压成型，真空加热到固液两相区内热压，热压后的坯料可以进行热挤压或轧制变形制成零部件。

粉末冶金技术具有一些独特的优点，如制造温度低，减轻了基体和增强颗粒之间的界面反应；减少了界面上硬质化合物的生成；增强颗粒的体积份数比较高；增强颗粒分布均匀，不易出现偏析和偏聚。

但粉末冶金技术也存在着一些弊端，如制件的大小和形状受到一定的限制，制备周期长，成本高。

在粉末冶金铝基复合材料研究中使用最多的增强体是ＳｉＣ和Ａｌ2Ｏ3。

，尤其是以ＳｉＣ颗粒为增强体的铝基复合材料[4]。

3.2.原位复合工艺原位复合工艺是在一定条件下通过元素之间或元素化合物之间的化学发应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目的。

该方法中增强体是在基体中原位生成，表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，界面结合强度较高。

该工艺主要包括 G-L 法（气-液法）S-L法（固-液法）S-S法（固-固法）[5]。

原位复合法省去了外加增强颗粒单独合成、处理和加入等工序，不仅简化了工艺，而且使原材料成本降低，并可实现材料的特殊显微结构和特殊性能，因而成为金属基复合材料研究的热点。

3.3.挤压铸造法挤压铸造是先将增强体颗粒通过一定的方式粘结制成所需形状的增强体预制件，将增强体预制件放在压膜中，然后将液态的铝合金溶液浇入到压膜中，并施加一定的压力，使溶液渗透到预制件的间隙或孔隙中，自然冷却成型制成所需形状的铝基复合材料。

该工艺的主要优点：制出的复合材料与预制件的形状相同或相近；挤压铸造时，铝合金溶液冷却速度快，合金溶液与预制件在高温状态下接触时间短，可以减轻有害的界面反应；增强体颗粒的体积分数调整范围大。

但该工艺最大的缺点就是增强体预制件的制成较为困难，尤其是形状复杂的预制件，而且挤压的过程中，所需的压力也较大，否则合金溶液不易挤进去，但压力过大，又易造成预制件的破坏，因此需合理的控制挤压铸造时压力的大小。

制得的铝基复合材料的致密度不高。

袁武华等[6]通过喷射共沉积制备了 SiCP /7079 铝基复合材料，并对收集器上沉积的复合材料进行挤压和热处理，并用扫描扫描电镜观察了材料的微观组织和对其进行了力学性能的测试研究。

3.4. 喷射沉积工艺喷射沉积工艺是由英国 Singer 教授于 1968年提出的。

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[7]。

该工艺有几大优点：生产周期短，成型速度快；基体铝合金与增强体颗粒接触时间短，减少界面反应，改善界面结合状态。

但也存在一些弊端：在雾化混合喷射沉积过程中，增强体颗粒分布不均匀；设备昂贵、制造成本高、增强体颗粒利用率低，且制得的铝基复合材料的致密度不高。

目前喷射沉积工艺在颗粒增强铝基复合材料中得到了广泛的应用。

基体合金主要集中于6XXX，7XXX,2XXX 系列铝合金，Al-Si合金、Al-Li合金和Al-Fe合金；采用的增强相主要有SiC 、Si3N4 和 Al2O3等[8,9,10]。

4影响材料性能的因素和改善方法4.1. 增强颗粒与基体的润湿性基体铝合金与增强体颗粒之间的润湿性好坏很大程度上直接影响铝基复合材料的力学性能，因此改善润湿性是制备铝基复合材料的关键。

然而，对于大多数增强体颗粒而言，润湿性能都比较差。

而且当颗粒表面吸附气体、水液等污染物，或者颗粒表面与铝液存在氧化物薄膜时都会阻止铝液与颗粒的真正接触，使两者润湿困难。

改善润湿性的主要措施：①在增强颗粒表面涂覆一层润湿性良好的金属(如 Cu、Ni)，；②合金化处理：在铝基复合材料中加入Li、Mg、Ca 等，可以明显提高合金溶液与增强体颗粒的润湿性，③对颗粒进行预热处理；④酸溶液处理，如盐酸、氢氟酸等利用超声振动对增强体颗粒表面进行处理，使得颗粒表面凹凸不平，再进行亲水化、敏化和活化处理，同时也可以清除颗粒表面污染物和氧化物，从而改善润湿性。

4.2.界面反应和界面结合状态采用液态法制备铝基复合材料，当加热到较高温度时，增强体颗粒越容易与铝合金溶液会发生某些化学反应，生成的界面产物对铝基复合材料材料的性能有很大影响，一方面，适度的界面反应能增强润湿性能, 提高界面结合强度。

但过度的界面反应使得界面脆弱，严重降低了材料性能。

当受到足够的载荷时，材料首先从界面结合的位置开始断裂，严重降低材料的性能。

因此，在选取的基体铝合金和增强体颗粒时，应该选取合适的材料，搭配合理，找到两者最佳界面结合状态下的工艺参数使得彼此有牢固的界面结合强度，同时也要控制温度，把界面反应控制在允许的范围内。

4.3.颗粒分布由于增强体颗粒在基体合金溶液中分布的好坏直接影响复合材料的综合性能，因此为了保证铝基复合材料的性能则必须采取相应的措施来改善增强体颗粒在合金溶液中的均匀分布，(1) 合适大小的增强体颗粒(2) 选取适当的搅拌温度， (3) 选取合适搅拌时间(4) 采用复合搅拌方式 [3]。

5.颗粒增强铝基复合材料的应用目前，在航空、航天、汽车、电子等领域，颗粒增强铝基复合材料产品已经商业化或正在商业化开发。

5.1.航空、航天应用80年代就已开始在航空航天工程中成功应用。

如美国将碳化硅颗粒增强铝基（6092Al）复合材料用于F-16战斗机的腹鳍,在F-18大黄蜂”战斗机上采用 SiC ｐ/Al 复合材料作为液“压制动气缸体等使各方面性能都得到了极大提高。

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。

[11]5.2.汽车行业的应用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、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[12]。

5.3.电子及其它领域的应用研究表明碳化硅颗粒增强铝基复合材料由于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，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。