铝基复合材料

内容摘要

本次原位铝基纳米复合材料课程设计主要包括四个任务，即原位铝基纳米复合材料在国内外的应用和研究现状，原位铝基纳米复合材料的制备技术，原位铝基纳米复合材料的性能（其中包括力学性能，磨损性能，热学性能，和蠕变性能）以及原位铝基纳米复合材料制备及应用中存在的关键技术问题。

目录

一.原位铝基纳米复合材料的国内外应用及研究现状 (3)

1.1 原位铝基复合材料的定义 (3)

1.2 原位铝基纳米复合材料在国内外的应用 (3)

1.3 原位铝基纳米复合材料的研究现状 (4)

二.原位铝基纳米复合材料制备技术 (5)

2.1气-液反应制备工艺 (5)

2-2 固-液反应制备工艺 (7)

2-3固-固反应制备工艺 (7)

三. 原位铝基纳米复合材料的性能 (8)

3.1 力学性能 (8)

3.2 磨损性能 (9)

3.3 热学性能 (12)

3.4 蠕变性能 (16)

四.原位铝基复合材料制备及应用中存在的关键技术问题 (17)

参考文献 (17)

一.原位铝基纳米复合材料的国内外应用及研究现状

1.1 原位铝基复合材料的定义

复合材料(composite materials)是由两种或两种以上的材料通过先进的材料制备技术组合而成的性能优异的新材料。一般来说，复合材料由基体和增强材料组成。它既能保留原组成材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能。[1]

金属基复合材料(MMCs)是以金属或合金为基体，以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或陶瓷颗粒组合为增强相的非均质混合物。在金属基复合材料中，铝基复合材料具有更高的比强度、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，而且具有可加工和价值低廉的优点。在金属基复合材料制备过程中，往往会遇到增强材料与金属基体之间的相容性问题。如果增强体能从金属基体中直接原位生成，则相容性问题可以得到很好的解决。因为原位生成的增强体与金属基体界面结合良好，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强体之间的润湿和界面反应等问题。[2]

原位铝基复合材料,是利用混合体中组分之间的化学反应,生成一种或多种高硬度和高熔点增强相,均匀分布于铝合金基体上,达到强化基体的作用。由于增强相是反应合成的,内生于基体之中,因而具有许多外加强化相强化铝基复合材料所不具有的独特优点[3]：

1) 增强体在铝基体上原位形核、长大,具有强界面结合、良好的相容性。

2) 通过选择反应物来控制增强相种类、大小和数量,并可以通过工艺来控制其大小和分布,不易出现增强相的团聚或偏析。

3) 省去了增强物的预处理,简化了工艺流程,成本也相对降低。

4) 增强相颗粒细小,往往处于微米级或微米以下,能保证铝基复合材料不但有良好的韧性和高温性能,而且有很高的强度和弹性模量。

5) 能与铸造工艺结合,直接制造出形状复杂、尺寸变化大的近终形产品。

1.2 原位铝基纳米复合材料在国内外的应用

在航空航天方面，A356和A357／SiC颗粒增强铝基原位复合材料可制造飞机液压管，直升飞机支架和阀体。2099铝合金+25％SiC材料可以制造火箭发动机零件。美国DWA特种复合材料公司用f(SiCp)25％增强6061铝合金基复合材料代替7075铝合金生产宇航结构导槽、角材，其密度下降了17％，用A357合金+f(SiC)20％可以制造坦克火力控制镜的基片和导弹机翼。在汽车制造方面，几乎所有的欧美汽车制造厂，在研究采用金属基复合材料制造制动盘、制动鼓。国内已将铝基复合材料应用于刹车轮，使其重量减少了30％～60％，

且导热性大大改善。颗粒增强铝基原位复合材料还可用于制造自行车、医疗器具、运动器械等其他高性能要求的零部件。尤其现在研究较多的碳化硅颗粒增强铝基复合材料性能优异，用作功能材料，可望在机械、冶金、建材、电力等工业部门得到更广泛的应用。[4]

1.3 原位铝基纳米复合材料的研究现状

铝基复合材料的研究开始于上世纪50年代。近20年来，从理论上、技术上都取得了较大成就。第一代铝基复合材料用于受力不大的简单零件，如方向舵，减轻重量约20%；第二代铝基复合材料用于机翼、垂直安定面等受力较大的零件，可减轻重量约30%；第三代铝基复合材料用于机身，可减轻重量约50%。现今铝基复合材料已广泛用于航空航天、汽车和休闲物品。

铝基纳米复合材料的密度一般在2.8g/cm3左右，基本上与一般铝合金相当，比钢低2/3，同等几何尺寸的零件，其重量仅为钢制品的1/3左右；颗粒增强的铝基纳米复合材料，其强度在400-700MPa，与一般结构钢相当；颗粒增强的铝基纳米复合材料弹性模量E约为80-140GPa，其比刚度（E/P）比一般铝合金高约60%，是钢铁材料的1.5-2倍。

近年来，国内外科研工作者对CNTs／A1基复合材料的制备工艺、性能、组织结构等多方面内容进行了广泛而深入的研究，在CNTs对铝基体力学性能、耐磨性、电学性能、热稳定性等方面影响进行了探讨，极大推进了CNTs／A1基复合材料的研究和应用进程。例如，成会明等[5]通过在室温下冷压成型后再真空热压处理的工艺制备了CNTs／A1基复合材料，当热压温度为380℃时，复合材料硬度可达2．21GPa，是纯铝金属的15倍左右，比相同条件下热挤压的铝块硬度高36．4％。An等[6]采用热压法制备的CNTs／Al复合材料显示出良好的减磨抗磨效果。Kuzumaki等[7]用粉末冶金法经热压一热挤压工艺制备的CNTs／Al复合材料经873K退火50h和100h后，抗拉强度和延伸率分别保持在80MPa和25％左右不变，表现出良好的热稳定性；而相同处理条件下纯铝的抗拉强度由85MPa降至47MPa，延伸率从40％提高到80％。Xu等[8]

用热挤压法制备的CNTs／Al复合线材显示出优越的低温导电性能。Zhou等[9]采用无压渗透法制备的20％CNTs／A1基复合材料布氏硬度为170并显示出良好的耐磨性。George等[10]通过粉末冶金法制备的MWNTs／A1复合材料达到了抗拉强度150MPa、屈服强度99MPa、杨氏模量85．85GPa的性能，SWNTs／K2ZrF6／A1达到了抗拉强度181MPa、屈服强度98．7MPa、杨氏模量93．7GPa。

目前铝基复合材料的增强相主要是颗粒、晶须（短纤维）及连续纤维。表1-1[11]列出了铝基复合材料的常用增强相及碳纳米管的性能指标。