铝基复合材料的发展现状与研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.5半固态搅拌复合制造法
金属熔体的搅拌温度控制在液相线与固相线之间，在搅拌过程中，将增强物颗粒加入半固态铝合金熔体，通过熔体中的金属粒子把增强物颗粒带入熔体中。该工艺优点在于通过部分凝固粒子对增强体的分散和捕捉作用，可将润湿性不好的增强颗粒加入到铝合金熔体中，并能防止颗粒的聚集和上浮，而使之能均匀分散[9]。此法为目前最成熟最具竞争力也是工业化规模生产铝基复合材料的最主要的方法。
2制备工艺
金属基复合材料的制备工艺较复杂。由于金属熔点较高，需要在高温下操作，同时，不少金属对增强体表面的润湿性很差在高温下很活泼，易于多种增强体发生反应。铝基复合材料可用固态扩散法压制，也可用粉末冶金和铸造等如下几种方法制造。
2.1固态扩散法
这是制造连续纤维增强铝基复合材料的传统方法。这方法主要有二步，第一步是先把纤维或经过预浸处理因而包覆有铝的复合丝与基体合金的箔片细丝有规则地排列和堆叠起来。第二步是通过加热加压使他们紧密地扩散结合成为整体。为了防止铝合金在加热加压过程中氧化，热压必须在真空或保护气氛下进行。用固态扩散法制造的铝基复合材料往往具有很高的质量和性能，如美国特殊材料公司就用本方法制成的SiC连续纤维铝基复合材料的工字梁和板材做成一种先进战斗机的尾翼，性能良好。但本方法工艺复杂，纤维的排列堆叠要很精细而繁重的手工操作，热压过程又要求很严格的工艺参数控制和环境条件。所以用这方法进行生产，难度较大，成本很高，有很大的局限性。
表1不同铝基复合材料的力学性能
Tab.1 The mechanical properties of aluminum matrix composite
增强相/基体
增强相含量（vol%）
拉伸强度
/Mpa
弹性模量
/GPa
伸长率（%）
Al2O3/Al-1.5Mg
20
226
95
5.9
SiC/Al-4Cu
15
1.3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，为了有效降低复合材料的热膨胀系数，使其与半导体材料或陶瓷基片保持热匹配，常选用低膨胀的Al-Si合金作为基体和采用不同粒径的颗粒制备高体积分数的复合材料。张强等人[5]选用粒径为20和60μm的α-SiC颗粒，基体用LD11铝硅共晶合金，采用挤压铸造的方法实现了70%的体积分数。结果表明，SiCP/Al复合材料的导热率达到151W/m·℃，高于基体的导热率(基体的导热率为140W/m·℃)，并且他们在等比表面积的基础上，引入等效颗粒直径的概念(EMA）[6]，基于EMA方法，可以较为准确地预测两种粒径颗粒混合增强铝基复合材料的导热率，这为以后进行铝基复合材料导热率的研究奠定了基础。
反应自生成法分为固态自生成法和液态自生成法，两者均是在基体中通过反应生成增强相来增强金属基体。固相反应自生成法是将预期构成增强相的两种组分均匀混合。加热到基体熔点以上温度，当达到反应温度时，两元素发生放热反应，温度迅速升高，在基体溶液中生成弥散颗粒增强物。液相反应自生成法是在基体熔体中加入能反应生成预期增强颗粒的元素或化合物，在一定温度下发生反应，生成细小、弥散、稳定的颗粒增强物，形成自生增强铝基复合材料[8]。
4.1连续纤维增强的铝基复合材料
美国Textron特殊材料公司用固态扩散结合法制成SiC连续纤维增强的铝基复合材料，他们的工艺过程是先把SiC连续纤维缠在滚筒上，再用等离子喷溅的方法把铝基合金喷上去，然后把这铝合金一连续纤维的复合片堆叠起来进行热等静压，这样制成的复合材料性能很高，抗拉强度达到1500MPa以上，杨氏模量达200GPa，密度则仅为2.7克/厘米[15]，所以深受航空航天工业的欢迎，以它做成的工梁和板材已制成战斗机尾垂，并通过鉴定。
3基复合材料的界面
3.1界面结构、界面反应与性能的关系
界面是连接基体和增强体的“桥梁”。金属基复合材料宏观性能的好坏在很程度上取决于基体和增强体之间的界面结合状况[10]。一般情况下，随着反应程度增加，界面结合强度亦增加，但由于界面产物多为脆性物质，而当界面层达到一定厚度时，界面上的残余应力可使界面破坏[11]。并且过度的界面反应可能损伤纤维，使其强度降低。
476
92
2.3
SiCp/ZL101
20
375
101
1.64
CF/Al
26
387
12
1.2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[4]。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[5]。
4.2颗粒、晶须或短纤维增强的铝基复合材料
用粉末冶金方法制造这种类型的铝基复合材料有很多优点，从七十年代起就有美国DWA复合材料专业公司等开始研制，现在美国的DWA复合材料专业公司、ARCO化学公司所属的先进复合材料分公司(ACMC)和INCO公司所属Novamet工厂以及英国石油研究中心(British Petroleum Researeh Center)等都已研制成功，投入生产,初步达到商品化。DWA和ACMC公司都把出产的粉末冶金铝基复合材料分为结构材料级、电子材料级、仪表材料级和光学材料级四类。性能都很优良[9]。如ACMC公司生产的SXA结构级材料，30 -35vol%SiC/2024Al复合材料,抗拉强度达800MPa,屈服强度达690MPa,弹性模量则高于150GPa，都大大高于基体合金，而密度在2.89g/m左右，热膨胀系数约在8~10x10-5/℃之间，都低于基体[16]，很适合用作航空航天的结构材料。
近几十年来，经过各国科学家的持续不断的努力研究，铝基复合材料得到了异乎寻常的发展。不仅探索和改进了如上所述的很多制造工艺和设备，试制出各种类型的铝基复合材料，包括连续纤维增强的和颗粒、晶须、短纤维增强的。而且在美、日、加拿大等一些发达国家已投入不同规模的批量生产，开始作为商品供应市场。并已在航空航天工业、汽车工业、运动器材等方面得到应用[14]。
Tangnong-j
Abstract:With the development of modern manufacturing technology, The material performance requirements more and more high,The development of aluminum matrix composite materials was reviewed with their properties. Espectively in accordance with the classes to which they belong. The fundamental property and application field of aluminum matrix composite were briefly introduced. The main research achievements and development were summarized in recent years. Meanwhile, the outlook of its development was put forward.
Key words:aluminium matrix composites,material properties,research
findings,trend
复合材料是由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（微观）上组成具有新性能的材料。复合材料包括三类：聚合物基复合材料(PMC)、金属基复合材料(MMC)和陶瓷基复合材料(CMC)[1]。在金属基复合材料中，铝基复合材料具有比基体更高的比强度，比模量和低的热膨胀系数，尤其是弥散增强的铝基复合材料不仅具有各向同性特征，铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体，以金属或非金属颗粒、晶须或纤维为增强相的非均质混合物。在金属基复合材料中占主导地位。而且具有可加工和价格低廉等优点。
2.2粉末冶金法
用粉末冶金法制造铝基复合材料的工艺过程是这样的。先将增强物(通常是SiC、A12O3等材质的颗粒、晶须或短纤维)和激冷微晶铝合金粉用机械手段均匀混合,进行冷压实，然后加热去气,在液相线与固相线之间进行真空热压烧结，就得到了复合材料坯料，再将坯料进行热挤压等热压力加工就可制成所要的零件。或者取消对混合粉料的热压，把混合粉料密封于铝包套内，直接进行热挤压，也可成功地制造出致密的铝基复合材料[7]。
3.2界面Hale Waihona Puke Baidu优化
由前述可知，控制界面反应可以优化界面。控制界面反应的方法有增强体预处理、基体金属合金化以及优化制备工艺参数等。
优化工艺参数包括对制备的温度、反应的时问、压力、气氛等的控制。过低的制备温度导致增强体和基体金属的界面活性太低，从而不能良好润湿；而过高的制备温度会造成过度界面反应的发生[12]。
对增强体进行预处理可以显著改善其与金属基体液的润湿性，控制过度界面反应的发生。增强体预处理的方法有很多，如在SiC表面涂覆一层Ni或Cu；对从Al2O3颗粒进行稀土表面改性也可以提高界面润湿性[13]，还有研究人员通过对增强材料进行高温氧化处理以改善润湿性，并认为高温氧化足一种简单有效的方法。
4铝基复合材料的现状
1铝基复合材料的基本性能
铝基复合材料的结构主要由基体、增强材料、中间相和界面组成，其性能取决于基体合金和增强物的特性、含量和分布等。与基体合金相比,铝基复合材料具有许多优良的性能[2]。
1.1强度、模量与塑性
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。大量研究表明，SiC增强的铝基复合材料较相应的铝-硅合金具有较高的强度，并随着SiC体积分数的增大，其强度和模量均有较大程度的提高，而塑性却降低，且在SiCP/Al复合材料中加入更为细小的弥散质点Al4C3和Al2O3可以明显提高复合材料的强度[3]。另外增强相的加入又赋予材料一些特殊性能[4]，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。表1是不同的铝基复合材料的力学性能。
2.3熔铸法
熔铸法制造铝基复合材料就是把增强物晶须或短纤维—颗粒、加入并均匀地散在熔化的铝液中,然后浇铸凝固成形[7]，这工艺看来简单，实际上不容易，因通常非金属增强物与基体合金性质差别很大。往往相互不润湿，倾向于排斥和分离。而且二者常有比重差。增强物有在铝液内上浮或下沉的偏析倾向。
2.4反应自生成法
铝基复合材料的发展现状与研究
摘要：随着现代生产技术的发展，对材料的性能要求越来越高，目前，铝基复合材料由于其优良的性能已经成为现时研究的热点。阐述了铝基复合材料的基本性能及应用情况，总结了近几年关于铝基复合材料的主要研究成果与发展趋势。
关键词：铝基复合材料,材料性能,研究成果,趋势
Development and progress of aluminium matrix composites
4.3碳管纳米增强铝基复合材料
纳米材料的尺寸非常细小(1～100 nm)，形状多为规则的近球状，因此，在铝基复合材料的制备中以纳米级颗粒作为增强相，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。随着碳纳米管(CNTs)的出现和纳米晶材料研究的深入，为复合材料性能的进一步提高提供了一个新的途径[17]。CNTs具有极小的尺度及优异的力学性能，其封闭中空管状结构具有良好的稳定性，并且具有优异的力学性能，因此，碳纳米管作为一维纳米晶须增强材料在复合材料中具有重要的应用价值。
金属熔体的搅拌温度控制在液相线与固相线之间，在搅拌过程中，将增强物颗粒加入半固态铝合金熔体，通过熔体中的金属粒子把增强物颗粒带入熔体中。该工艺优点在于通过部分凝固粒子对增强体的分散和捕捉作用，可将润湿性不好的增强颗粒加入到铝合金熔体中，并能防止颗粒的聚集和上浮，而使之能均匀分散[9]。此法为目前最成熟最具竞争力也是工业化规模生产铝基复合材料的最主要的方法。
2制备工艺
金属基复合材料的制备工艺较复杂。由于金属熔点较高，需要在高温下操作，同时，不少金属对增强体表面的润湿性很差在高温下很活泼，易于多种增强体发生反应。铝基复合材料可用固态扩散法压制，也可用粉末冶金和铸造等如下几种方法制造。
2.1固态扩散法
这是制造连续纤维增强铝基复合材料的传统方法。这方法主要有二步，第一步是先把纤维或经过预浸处理因而包覆有铝的复合丝与基体合金的箔片细丝有规则地排列和堆叠起来。第二步是通过加热加压使他们紧密地扩散结合成为整体。为了防止铝合金在加热加压过程中氧化，热压必须在真空或保护气氛下进行。用固态扩散法制造的铝基复合材料往往具有很高的质量和性能，如美国特殊材料公司就用本方法制成的SiC连续纤维铝基复合材料的工字梁和板材做成一种先进战斗机的尾翼，性能良好。但本方法工艺复杂，纤维的排列堆叠要很精细而繁重的手工操作，热压过程又要求很严格的工艺参数控制和环境条件。所以用这方法进行生产，难度较大，成本很高，有很大的局限性。
表1不同铝基复合材料的力学性能
Tab.1 The mechanical properties of aluminum matrix composite
增强相/基体
增强相含量（vol%）
拉伸强度
/Mpa
弹性模量
/GPa
伸长率（%）
Al2O3/Al-1.5Mg
20
226
95
5.9
SiC/Al-4Cu
15
1.3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，为了有效降低复合材料的热膨胀系数，使其与半导体材料或陶瓷基片保持热匹配，常选用低膨胀的Al-Si合金作为基体和采用不同粒径的颗粒制备高体积分数的复合材料。张强等人[5]选用粒径为20和60μm的α-SiC颗粒，基体用LD11铝硅共晶合金，采用挤压铸造的方法实现了70%的体积分数。结果表明，SiCP/Al复合材料的导热率达到151W/m·℃，高于基体的导热率(基体的导热率为140W/m·℃)，并且他们在等比表面积的基础上，引入等效颗粒直径的概念(EMA）[6]，基于EMA方法，可以较为准确地预测两种粒径颗粒混合增强铝基复合材料的导热率，这为以后进行铝基复合材料导热率的研究奠定了基础。
反应自生成法分为固态自生成法和液态自生成法，两者均是在基体中通过反应生成增强相来增强金属基体。固相反应自生成法是将预期构成增强相的两种组分均匀混合。加热到基体熔点以上温度，当达到反应温度时，两元素发生放热反应，温度迅速升高，在基体溶液中生成弥散颗粒增强物。液相反应自生成法是在基体熔体中加入能反应生成预期增强颗粒的元素或化合物，在一定温度下发生反应，生成细小、弥散、稳定的颗粒增强物，形成自生增强铝基复合材料[8]。
4.1连续纤维增强的铝基复合材料
美国Textron特殊材料公司用固态扩散结合法制成SiC连续纤维增强的铝基复合材料，他们的工艺过程是先把SiC连续纤维缠在滚筒上，再用等离子喷溅的方法把铝基合金喷上去，然后把这铝合金一连续纤维的复合片堆叠起来进行热等静压，这样制成的复合材料性能很高，抗拉强度达到1500MPa以上，杨氏模量达200GPa，密度则仅为2.7克/厘米[15]，所以深受航空航天工业的欢迎，以它做成的工梁和板材已制成战斗机尾垂，并通过鉴定。
3基复合材料的界面
3.1界面结构、界面反应与性能的关系
界面是连接基体和增强体的“桥梁”。金属基复合材料宏观性能的好坏在很程度上取决于基体和增强体之间的界面结合状况[10]。一般情况下，随着反应程度增加，界面结合强度亦增加，但由于界面产物多为脆性物质，而当界面层达到一定厚度时，界面上的残余应力可使界面破坏[11]。并且过度的界面反应可能损伤纤维，使其强度降低。
476
92
2.3
SiCp/ZL101
20
375
101
1.64
CF/Al
26
387
12
1.2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[4]。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[5]。
4.2颗粒、晶须或短纤维增强的铝基复合材料
用粉末冶金方法制造这种类型的铝基复合材料有很多优点，从七十年代起就有美国DWA复合材料专业公司等开始研制，现在美国的DWA复合材料专业公司、ARCO化学公司所属的先进复合材料分公司(ACMC)和INCO公司所属Novamet工厂以及英国石油研究中心(British Petroleum Researeh Center)等都已研制成功，投入生产,初步达到商品化。DWA和ACMC公司都把出产的粉末冶金铝基复合材料分为结构材料级、电子材料级、仪表材料级和光学材料级四类。性能都很优良[9]。如ACMC公司生产的SXA结构级材料，30 -35vol%SiC/2024Al复合材料,抗拉强度达800MPa,屈服强度达690MPa,弹性模量则高于150GPa，都大大高于基体合金，而密度在2.89g/m左右，热膨胀系数约在8~10x10-5/℃之间，都低于基体[16]，很适合用作航空航天的结构材料。
近几十年来，经过各国科学家的持续不断的努力研究，铝基复合材料得到了异乎寻常的发展。不仅探索和改进了如上所述的很多制造工艺和设备，试制出各种类型的铝基复合材料，包括连续纤维增强的和颗粒、晶须、短纤维增强的。而且在美、日、加拿大等一些发达国家已投入不同规模的批量生产，开始作为商品供应市场。并已在航空航天工业、汽车工业、运动器材等方面得到应用[14]。
Tangnong-j
Abstract:With the development of modern manufacturing technology, The material performance requirements more and more high,The development of aluminum matrix composite materials was reviewed with their properties. Espectively in accordance with the classes to which they belong. The fundamental property and application field of aluminum matrix composite were briefly introduced. The main research achievements and development were summarized in recent years. Meanwhile, the outlook of its development was put forward.
Key words:aluminium matrix composites,material properties,research
findings,trend
复合材料是由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（微观）上组成具有新性能的材料。复合材料包括三类：聚合物基复合材料(PMC)、金属基复合材料(MMC)和陶瓷基复合材料(CMC)[1]。在金属基复合材料中，铝基复合材料具有比基体更高的比强度，比模量和低的热膨胀系数，尤其是弥散增强的铝基复合材料不仅具有各向同性特征，铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体，以金属或非金属颗粒、晶须或纤维为增强相的非均质混合物。在金属基复合材料中占主导地位。而且具有可加工和价格低廉等优点。
2.2粉末冶金法
用粉末冶金法制造铝基复合材料的工艺过程是这样的。先将增强物(通常是SiC、A12O3等材质的颗粒、晶须或短纤维)和激冷微晶铝合金粉用机械手段均匀混合,进行冷压实，然后加热去气,在液相线与固相线之间进行真空热压烧结，就得到了复合材料坯料，再将坯料进行热挤压等热压力加工就可制成所要的零件。或者取消对混合粉料的热压，把混合粉料密封于铝包套内，直接进行热挤压，也可成功地制造出致密的铝基复合材料[7]。
3.2界面Hale Waihona Puke Baidu优化
由前述可知，控制界面反应可以优化界面。控制界面反应的方法有增强体预处理、基体金属合金化以及优化制备工艺参数等。
优化工艺参数包括对制备的温度、反应的时问、压力、气氛等的控制。过低的制备温度导致增强体和基体金属的界面活性太低，从而不能良好润湿；而过高的制备温度会造成过度界面反应的发生[12]。
对增强体进行预处理可以显著改善其与金属基体液的润湿性，控制过度界面反应的发生。增强体预处理的方法有很多，如在SiC表面涂覆一层Ni或Cu；对从Al2O3颗粒进行稀土表面改性也可以提高界面润湿性[13]，还有研究人员通过对增强材料进行高温氧化处理以改善润湿性，并认为高温氧化足一种简单有效的方法。
4铝基复合材料的现状
1铝基复合材料的基本性能
铝基复合材料的结构主要由基体、增强材料、中间相和界面组成，其性能取决于基体合金和增强物的特性、含量和分布等。与基体合金相比,铝基复合材料具有许多优良的性能[2]。
1.1强度、模量与塑性
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。大量研究表明，SiC增强的铝基复合材料较相应的铝-硅合金具有较高的强度，并随着SiC体积分数的增大，其强度和模量均有较大程度的提高，而塑性却降低，且在SiCP/Al复合材料中加入更为细小的弥散质点Al4C3和Al2O3可以明显提高复合材料的强度[3]。另外增强相的加入又赋予材料一些特殊性能[4]，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。表1是不同的铝基复合材料的力学性能。
2.3熔铸法
熔铸法制造铝基复合材料就是把增强物晶须或短纤维—颗粒、加入并均匀地散在熔化的铝液中,然后浇铸凝固成形[7]，这工艺看来简单，实际上不容易，因通常非金属增强物与基体合金性质差别很大。往往相互不润湿，倾向于排斥和分离。而且二者常有比重差。增强物有在铝液内上浮或下沉的偏析倾向。
2.4反应自生成法
铝基复合材料的发展现状与研究
摘要：随着现代生产技术的发展，对材料的性能要求越来越高，目前，铝基复合材料由于其优良的性能已经成为现时研究的热点。阐述了铝基复合材料的基本性能及应用情况，总结了近几年关于铝基复合材料的主要研究成果与发展趋势。
关键词：铝基复合材料,材料性能,研究成果,趋势
Development and progress of aluminium matrix composites
4.3碳管纳米增强铝基复合材料
纳米材料的尺寸非常细小(1～100 nm)，形状多为规则的近球状，因此，在铝基复合材料的制备中以纳米级颗粒作为增强相，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。随着碳纳米管(CNTs)的出现和纳米晶材料研究的深入，为复合材料性能的进一步提高提供了一个新的途径[17]。CNTs具有极小的尺度及优异的力学性能，其封闭中空管状结构具有良好的稳定性，并且具有优异的力学性能，因此，碳纳米管作为一维纳米晶须增强材料在复合材料中具有重要的应用价值。