铝基复合材料简述

铝基复合材料

1. 铝基复合材料的基本性能

1.1 强度，模量与塑性

铝基复合材料比强度和比刚度高．高温性能好。更耐疲劳和更耐磨，阻尼性

能好，热膨胀系数低。同其他复合材料一样，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要。因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。

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。

另外增强相的加入又赋予材料一些特殊性能，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。

尤其是弥散增强的铝基复合材料，不仅具有各向同性特征，而且具有可加工

和价格低廉的优点，更加引起人们的注意。

1.2 耐磨性

高的耐磨性是铝基复合材料(SiC、A1203)增强的特点之一

颗粒体积分数对复合材料摩擦系数的影响显著，而颗粒尺寸对复合材料摩擦系数影响不大。

与基体合金相比，铝基复合材料表现出良好的抗磨损性能，并随着加入颗粒

尺寸的减小和数量的增多而变强。在滑动磨损实验中，颗粒及纤维增强的铝基复合材料的耐磨性有两个数量级的提高，但随着磨粒尺寸的增大，载荷中冲击成分的提高使其耐磨性迅速下降。材料的耐磨性的好坏取决于强化机制、增强相之间的相互制约及与基体在变形过程中的协调作用。当然，也与增强相类型及基体合金的性能有关。

增强相的聚结显著降低材料的耐磨性。

1.3 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。影响铝基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等。界面结合状态良好，可以有效地传递载荷，并阻止裂纹扩展，提高材料的断裂韧性。

目前对复合材料疲劳断裂过程的研究分为疲劳裂纹的萌生和扩展两个方面。现有的研究工作在实验的基础上得出疲劳裂纹萌生于SiC 附近。SiC与铝合金界

面或SiC 晶须端部附近的基体中，也观察到基体中大块夹杂物破碎导致裂纹萌生。再者，由于使用的绝大部分颗粒是在加工过程中从大的颗粒上碎裂下来的，碎裂的颗粒存在于复合材料中从而提供了裂纹萌生的位置。裂纹的扩展取决于裂纹尖端的微结构和宏观上最大应变方向。由断口分析可以看到断面上的空穴分为两种，一种控制材料的脆性行为，而另一种则控制其塑性行为。

1.4 热性能

增强体和基体之间的热膨胀失配在任何复合材料中都难以避免，但可通过控制增强体和基体的含量以及增强体在基体中的分布来减小热失配。

导热性是另一个重要的热性能。铝基体中单向排列的碳纤维在纤维方向上具有很高的导热性，纤维横向的导热性约为铝的三分之二。

1.5 腐蚀

有许多因素影响复合材料的耐腐蚀性，包括孔隙、杂质相的析出、颗粒/基

体界面处的高密度位错、界面反应产物、增强相的种类、大小和含量、基体的成分等。通常，铝基复合材料的耐蚀性比相应的基体金属要低一些，其主要腐蚀机制是点蚀。

铝基复合材料的耐蚀性较基体金属差，所以应根据材料及其服役的环境来选择控制腐蚀的方法。大致可分为两类，一类为施加保护涂层，目前已经证实化学转化膜、硫酸阳极氧化膜及有机涂层对铝基复合材料有较好的防护效果。

另一类为改善铝基复合材料的设计，在增强相表面上施加涂层，除可改善增强相与基体间的润湿性，减少界面反应以及释放热应力外，还可起到减小电偶腐蚀的作用。

2.铝基复合材料的主要应用领域：

2.1 航空、航天及军事工业的应用

2.2 交通运输方面的应用

交通运输工具始终是铝基复合材料最重要的民用领域之一．但这一领域特别

是汽车工业对价格极为敏感，因此竞争也格外激烈。所以，连续纤维增强铝基复合材料以及成本偏高的非连续(如晶须)增强铝基复合材料就被排除在这一应用

领域之外。因此也就剩下了廉价的颗粒增强铝基复合材料，尚有大规模应用的可能。

2.3 铝基复合材料的应用展望

因其工作温度不超过150℃，航空发动机、低压压气机和外涵是Al-MMCs最具

应用潜力的部件。AI-MMCs可以替换铝合金，在质量没有改变的同时提高了性能。当减重成为重要因素时，可以用AI—MMCs替代钛合金。不过，尽管随着产量增加，A1-MMCs的成本在不断下降，但是目前仍比铝合金和钛合金的成本高。

Al-石墨复合材料具有优良的摩擦与磨损特性,其减震性与灰铸铁不相上下,可用于制备汽缸体和轴承等零件[28]。SiCp、Al2O3w增强铝基复合具有优异的耐磨性及低的热膨胀系数等性能,是理想的活塞材料

3.铝基复合材料的研究现状

3.1 铝基复合材料研究的主要成果

3.1.1 采用单相颗粒增强铝基复合材料

目前。国内外大多数研究者基本上都采用原位生成颗粒增强铝基复合材料。原位铝基复合材料具有强化相多、设计性广、晶粒细小、综合性能好、增强体与基体界面结合牢固且结合强度高、成本相对较低且能进行近终型铸造等优势．这一优势正赢得越来越多的研究者、科研机构和企业的高度重视，并已开发出一部分可以应用于高精尖端领域的材料和新工艺。代表性的复合材料有TiB2和A1203颗粒增强铝基复合材料。

3.1.2 采用双相或多相颗粒增强铝基复合材料

采用搅拌铸造和原位反应合成相结合的方法，制(TiB2+SiC)／ZLl09复合材料，弥补了单一SiC颗粒强化的不足，复合材料的硬度比基体提高34．8％。原位反应合成(TiB2+A13Ti)／A16Si4Cu复合材料，其抗拉强度、硬度分别比A1。Si4Cu合金提高20％、29．6％

3.1.3 颗粒增强铝基复合材料减震性能的研究

Al/TiAl3复合材料的吸振能力比铝基的要高，并且与增强物TiAl3的体积分数是成比例的。

3.2 铝基复合材料研究的热点问题

3.2.1 纳米相增强铝基复合材料

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若能以纳米级颗粒作为增强相。应该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。由此可见，纳米颗粒在含量较低(≤5％)时，对A1-MMC的增强作用明显．但由于随纳米颗粒含量的增加，颗粒的团聚趋势明显增大。这就涉及到如何解决纳米相的团聚问题。在以后的研究过程中，这将成为研究的一大课题。