铝基复合材料

（三）碳—铝复合材料
特点：碳纤维的长度与直径比例对碳—铝复合材料的性能有很 大的影响（当长径比增大时，抗拉强度增大，增大到一定值
时，抗拉强度又开始减少）
（四）晶须和颗粒增强铝基复合材料
特点：优异的性能，制造方法简单，增强体主要是碳化硅和氧 化铝。 碳化硅：随它的含量增加，抗拉强度和弹性模量都增加氧化铝： 比强度和比刚度高。
铝基复合材料的应用
1、在汽车领域的应用
美国的Duralcan研制出用SiC颗粒增强铝基复合材料
制造汽车制动盘，用其代替传统铸铁制动盘，使其重 量减轻40%~60%，而且提高了耐磨性能，噪音明显减 小，摩擦散热快；同时该公司还用 SiC 颗粒增强铝基 复合材料制造了汽车发动了活塞和齿轮箱等汽车零部
件，这种汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、
2 、在航空航天领域的应用
Cercast公司采用熔模铸造工艺研制成A357
SiC20%Vol+复合材料，用该材料代替钛合金制造 直径达180mm、重17.3kg的飞机摄相镜方向架,使其 成本和重量明显降低, 同时该复合材料还可用来制 造卫星反动轮和方向架的支撑架。
美国DWA公司用6061SiC 25%p（这是什么 怎么念）
Shear lag mode：在某一局部范围内，剪力所能起的作用有限，所以 正应力分布不均匀，把这种正应力分布不均匀的现象叫剪切滞后。这一 理论可以用于描述碳纳米管在铝基中的刚化效应。
易加工等。
铝基复合材料的增强纤维有硼纤维，碳纤维，碳化硅纤 维等。
铝复合材料的种类与分类

铝合金材料可按增强相,铝基体及材料特性三方面进行 分类。 按增强体分类：
长纤维增强复合材料 短纤维增强复合材料 颗粒增强复合材料 混合增强复合材料 纳米复合材料 层合复合材料 倾泻复合材料 表面复合材料
以铝基体分类
粉末冶金法
粉末冶金法是最早用来制造铝基复合材料
的方法，是一种比较成熟的工艺方法。采
用粉末冶金法时，首先将颗粒增强物和铝 合金粉末用机械手段均匀混合，进行冷压 实，然后加热除气，在液相线与固相线之 间进行真空热压烧结，得到复合材料的坯
料，在将坯料进行挤压、轧制、锻造、拉
拔等二次加工就可制成所要的型材零件。
铝基复合材料基体
铝有许多特点，如质量轻、密度小、可塑性好， 熔点低制备工艺简单。 铝基复合技术容易掌握，易于加工，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
后即形成复合材料。 这种工艺简单，但预制件中的气体不易在凝 固前排出而造成气孔与疏松，同时预制件也 易产生变形和偏移。
液态金属搅拌铸造法
液态金属搅拌铸造法的基本原理是将颗粒增强物直接加 入到熔融的铝合金中，通过一定方式的搅拌使颗粒均匀 地分散在基体熔体中，复合成颗粒增强铝基复合材料。
复合好的熔体可浇铸成锭坯、铸件等使用。这种工艺简
球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆和滑雪板等。
用SiC颗粒增强铝基复合材料制作的自行车链齿轮
重量轻、刚度高、不易挠曲变形,性能优于铝合金 链齿轮。
发展趋势
采用颗粒增强制备铝基复合材料成本相对较低 , 原材 料资源丰富,制备工艺简单。选择适当的增强颗粒与基 体组合可制备出性能优异的复合材料,具有很大的发展 潜力和应用前景。可以预料,在现代工业的高速发展和 技术水平的高要求下,颗粒增强铝基复合材料必将以其 独特优势在工业领域占据重要位置。但同时也应看到, 颗粒增强铝基复合材料在未来的时间里要取得更进一 步发展 , 并列入规模化生产的行列 , 还需要进行更多的 探索和实践。因此 , 进一步加强理论研究 , 建立完整的 理论模型,不断进行实践探索,将是今后的工作重点。
优点：
高能量高速度脉冲有利于将冷模中的导电粉体 快速加热到指定温度，从而控制相变和组织粗
化，这是常规粉末冶金工艺无法实现的。高能高速固结工艺可使复合材料的相对密度达95%以 上。
压力浸渗工艺
压力浸渗工艺是先将增强体制成预制件，再将 预制件放入模具后，以惰性气体或机械装置
为压力媒体将铝液压入预制件的间隙，凝固
单、生产效率高、制造成本低廉。复合好的铸锭经重熔 后，可精密压成各种型材、管材、棒材等。
它是目前最成熟、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。
铝合金复合材料的结构与性能
碳纤维增强铝基复合材料结构
Ⅰ、用液态浸渍法制备（概念） 其铝基中无方向性，表明具有各向异性。 Ⅱ、用固态热压法制备（概念） 其铝基中含有纤维，表明具有较高拉伸强度。
在精密仪器和光学仪器的应用研
究方面 , 铝基复合材料用于制造
望远镜的支架和副镜等部件。
另外铝基复合材料还可以制造惯性导航系 统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测
镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜
子底座和光学仪器托架等许多精密仪器 和光学仪器。
4 、在体育用品上的应用
铝基复合材料可以代替木材及金属材料来制作网
良好的耐高温性能和抗咬合性能，同时热膨胀系数更 小，导热性更好。
用 SiCp/Al 复合材料制成的汽车齿轮箱在
强度和耐磨性方面均比铝合金齿轮箱有
明显的提高。铝合金复合材料也可以用 来制造刹车转子、刹车活塞、刹车垫板、 卡钳等刹车系统元件。
上个世纪80年代,日本丰田公司成功地用/AlOAl32复合材 料制备了发动机活塞,与原来的铸铁发动机活塞相比,重量 减轻了5%~10%,导热性提高了4倍。
压制-烧结-挤压(Al-MWCNT)
喷射沉积(6066Al/SiCP)
Biblioteka Baidu
微观结构
晶粒、碳纳米管、 挤压方向
力学性能
显微硬度及单向拉伸，如图
单向拉伸---应力与应变图
结果讨论
断面图
Al-MWCNT的性能显示：采用粉末压制-烧结-挤压工艺是可行 的，强度和弹性模量随着碳纳米管的增加而增加。SDS 能促进 碳纳米管的分散，作用显著。George等提出下面三种强化机制： 1.thermal mismatch；2.Orowan looping；3.shear lag theory
变形铝合金基复合材料
铸造铝合金基复合材料 新型铝合金基复合材料 工业纯铝基复合材料
以特性分类
功能复合材料
结构复合材料
智能复合材料
铝基复合材料的制造工艺
连续纤维增强铝基复合材料的制造方法：
1、粉末冶金法
2、高能-高速固结工艺
3、压力浸渗铸造工艺
4、液态金属搅拌铸造法
颗粒增强铝基复合材料的制造方法： 1、粉末冶金 2、搅拌熔铸 3、压力铸造 4、喷射沉积 纳米管铝基复合材料的制备方法： 1、粉末冶金 2、搅拌铸造 3、熔体浸渍 4、原位合成
碳纳米管应用范围：锂离子电池、超级纤维、场发射器、复合材料、超 级电容器等。 、、、 碳纳米管增强铝基复合材料 特点：密度低、高强度、抗氧化性好和耐腐蚀等。 制备方法：粉末冶金、搅拌铸造法、熔体浸渍法、原位合成法
十二烷基硫酸：阴离子表面活性剂。易溶于水，与阴离子、非离子复配伍性好， 具有良好的乳化、发泡、渗透、去污和分散性能。 差热分析仪：测量与材料内部热转变相关的温度、热流的关系，应用范围非常 广，特别是材料的研发、性能检测与质量控制。 差示扫描量热仪应用范围: 高分子材料的固化反应温度和热效应、物质相变温 度及其热效应测定、高聚物材料的结晶、熔融温度及其热效应测定、高聚物材 料的玻璃化转变温度。 从差热图上可清晰地看到差热峰的数目、高度、位置、对称性以及峰面积。峰 的个数表示物质发生物理化学变化的次数，峰的大小和方向代表热效应的大小 和正负，峰的位置表示物质发生变化的转化温度。在相同的测定条件下，许多 物质的热谱图具有特征性。因此，可通过与已知的热谱图的比较来鉴别样品的 种类。理论上讲，可通过峰面积的测量对物质进行定量分析，但因影响差热分 析的因素较多，定量难以准确。 Al4C3：生成温度在550℃到600℃，一般为针状或片状，大量存在，会恶化 基体的性能。
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实例:碳纳米管增强铝基复合材料的制备及表征 1
背景介绍
4
5
讨论分析
2 3
实验材料
实验结论
实验结果
6
存在问题
碳纳米管：Iijima （饭岛澄男）教授于1991 年首次发现 背景 介绍
碳的第五种同素异形体。碳纳米管是由单层或者多层石墨片 卷曲而成的几何无缝石墨管。每层纳米管是由碳原子通过 sp2杂化结构与周围3个碳原子完全键合而成的六边形平面围 成的圆柱面，两端由五边形或七边形组合封闭。高模量，高 强度，而密度低；极好的塑性变形能力，其弹性应变可达5 ％，甚至达到12％，约为钢的60倍。
优点:
可将增强物颗粒和铝合金粉按任意比例混 合,而且混合均匀性好 ,不会出现偏析和偏聚 , 制备的复合材料机械性能较高。
缺点：
粉末冶金法制造工艺及装备复杂,生产成本
高。
高能-高速固结工艺
在短时间内使陶瓷颗粒和铝合金粉末的混合物受到 高脉流的放电作用后，迅速提高能量，并在较小外 力作用下，使之固结成复合材料的工艺。
实验材料
实验过程
1.MWCNTs 表面处理：用蒸馏水清洗，然后在 63% 的硝酸溶液中，用超声波处理4h ，过滤后用 NaOH溶液经行中和，然后在110℃的干燥炉中保 温2h，随后在十二烷基硫酸钠溶液中，用超声波 处理4h，最后过滤碳纳米管，并在110℃条件下， 保温2h。
2.复合材料的制备：将MWCNTs和铝粉 末在水平混合机中经行机械混合2h，然 后用25吨的液压机经行压制，烧结（每 分钟10℃升到580℃），然后以每分钟 3℃冷却到室温，最后在室温条件下，用 25吨的液压机经行挤压。平均形变率 0.81，挤压比为2.25。 目的是将铝基体表面的CNTs嵌入铝粉内 部，进一步提高CNTs的分散性。
（一）、长纤维增强铝基复合材料性能
1、硼—铝复合材料
特点：有优异的疲劳强度，比强度和比模量高，尺寸稳定性
好，线膨胀系数与半导体芯片非常接近。
硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱
（二）短纤维增强铝基复合材料
特点：在室温和高温下的弹性模量有较大的提高，但线膨胀系数
由所下降，耐磨性改善，并具有良好的的导热性。
要的材料之一。
常见铝基体
（1）工业纯铝 （2）铸造冶金变形铝合金（常见有2014、2024、2124 等，且不含Mn、Cr的铝合金，因其产生脆性相 ） （3）粉末冶金变形铝合金 （4）铸造铝合金
（5）新型铝合金
复合材料增强基
分类：连续的和非连续的纤维、晶须、颗粒 特性：
高强度、高模量、高刚度、抗疲劳、耐热、耐磨、抗腐 蚀、热膨胀系数小、导电、导热以及润湿性、化学相容性、
铝基复合材料代替7075制造航空结构的导槽、角材， 使其密度下降了17%，模量提高了65%。
铸造SiC颗粒增强A356和A357复 合材料可以制造飞机液压管、
直升机的起落架和阀体等。
3、在电子和光学仪器中的应用
铝基复合材料,特别是SiC增强铝基复合材料， 由于具有热膨胀系数小、密度低、导热性能 好等优点，适合于制造电子器材的衬装材料、 散热片等电子器件。SiC颗粒增强铝基复合 材料的热膨胀系数完全可以与电子器件材料 的热膨胀相匹配，而且导电、导热性能也非 常好。 IBM公司2004年第2期黄永攀等：铝基复合 材料的性能、应用及制造工艺就是利用其上 述性能，在MCMs器件中使用该种材料封装 和改进冷却系统结构，使其工作时产生的热 量迅速扩散，提高了元件的有效性。
铝基复合材料及其应用
1、综述 2、种类及分类
3、材料的制备工艺
4、结构与性能 5、应用 6、实例分析
金属基复合材料的综述
金属基复合材料，是在各金属材料基体内用多种 不同复合工艺，加进增强体，以改进特定所需的机械 物理性能。金属基复合材料在比强度、比钢度、导电 性、耐磨性、减震性、热膨胀等多种机械物理性能方 面比同性材料优异得多。金属基复合材料(MMCs)有 铝基、镁基、钛基、镍基、铁基复合材料等多种,其 中尤以铝基复合材料发展最快而成为金属基复合材料 中的主流。
Fig2 .DSC spectrums for AL-MWCNTs sintered at 580℃
Fig3. DSC spectrums for AL-MWCNTs sintered at 520℃
实验结果
密度：基于阿基米德原理测得挤压Al-MWCNT和Al的 密度，密度梯度沿样品长度方向发现Al-MWCNT的密 度随着 MWCNT比重增加而增加。