颗粒增强铝基复合材料

颗粒增强铝基复合材料

1.复合材料

1.1复合材料的概述

材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。在许多方面，传统的单一材料已不能满足实际需要，这些都促进人们对材料的研究逐步摆脱过去单纯靠经验的摸索方法，向预定性能设计新材料的研究方展发展。复合材料(Composite Materials)一词大约出现在20世纪50年代，随之也出现复合材料较为严格的定义。复合材料是由两种或两种以上物理和纯学性质不固的物质组合两成的一种多相固体材料[1]。复合材料的组分材料虽然保持其相对的独立性，但复合材料的性能却不是组分材料的简单加和，两是有着重要的改进。复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界面。分教相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。

自上世界40年代美国诞生了玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢)以来，新型增强材料不断出现，到目前为止，聚合物基、金属基、陶瓷基、混凝土基复合材料和碳，碳复合材料正以前所未有的速度发展。随着航天航空技术的发展，对结构材料的比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工提出了新的要求。高强度、高模量的耐热纤维和颗粒与金属复合，特别是轻金属复合焉成的金属基复合材料，克服了树脂基复合材料耐热性差和不导电、导热性能低等不足，加上增强体不仅提高了材料的强度，还可以保持密度变纯不大甚至降低。此外，这种材料还具有耐疲劳、耐磨耗、高阻尼、不吸潮放气等特点，已经广泛应用予尖端技术领域，是理想的结构材料。2l世纪我们面临筋将是复合材料迅猛发展和更广泛应用的时代[2-4]。

1.2颗粒增强铝基复合材料

金属基复合材料(Metal Matrix Composite，简称MMC)是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷、碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。在结构材料方面，

不但要求强度高，还要求重量轻，在航天领域尤其如此。金属基复合材料正是为满足上述要求而诞生的。与传统的金属材料相比，它具有优良的导电性与耐热性，与陶瓷材料相比，它具有高韧性和高冲击性能。这些优良的性能决定了它成为新材料中重要一员，已经在一些领域得到应用并且应用领域正在逐步扩大。

铝基复合材料是金属基复合材料的一种，具有密度低、基体合金选择范围广、可热处理性好、制备工艺灵活等优点，成为金属基复合材料研究和发展的主流。根据材料使用性能要求，来选择基体金属、增强相和制备方法。纯铝和铝合金均可用作基体，铝合金基体主要选用AI—Cu-Mg系、A1-Mg-Si系和m．Zn．Mg系：增强相主要为SiC、Al2O3；常用制备方法有粉末冶金法、液态金属浸渗法、搅拌铸造法与原位复合法等[5]。按增强体不同，铝基复合材料分为纤维增强和颗粒增强铝基复合材料。

颗粒增强铝基复合材料的增强体主要有SiC、TiC、A12O3和石墨颗粒，解决了纤维增强铝基复合材料增强纤维制备成本昂贵的问题。而且这类复合材料各向同性，克服了制备过程中出现诸如纤维损伤、微观组织不均匀、纤维与纤维相互接触、反应带过大等影响材料性能的许多缺点。颗粒增强铝基复合材料可广泛应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育用品等。随着增强体与基体结合理论的进一步研究，成本更低的增强体和制备工艺的不断开发，成本将更加低廉，使其应用领域将越来越广[6]。颗粒增强铝基复合材料作为先进的材料，具有优异的性能，同时原材料资源丰富，相对成本较低，在各经济领域有着广泛的应用前景，已受到普遍重视。我国相关领域也应大力开展这方面研究，包括基础理论研究，如强化相，基体对材料性能影响的机理等。还应重点加强对材料制备工艺及其对材料性能影响的研究，积极开拓颗粒增强铝基复合材料在众多领域中的应用，使其在国防和国民经济中发挥更大作用[7]。

2.颗粒增强铝基复合材料制备

颗粒增强铝基复合材料的制备方法对材料的性能影响很大，其成本也取决于材料的制造工艺，因此研究和发展有效的制造工艺一直是铝基复合材料的重要研究内容。

2.1固态法

金属基复合材料的固态制备工艺主要为固态扩散法和粉末冶金法两种方法。

(1)粉末冶金法(powder metallurgy)是将金属粉末充满在排列规整或无规取向的短纤维或晶须中，然后进行烧结或挤压成型。在制造短纤维复合材料中，粉末冶金方法用的最多，大致上分为两种，热压法和冷压成型、烧结法。采用此种方法制备SiCp/AL复合材料具有一些独特的优点[8~11]：

1)粉末冶金法所使用的温度较低，可有效减轻增强体与基体间的有害界面反应，制得的复合材料具有较好的力学性能；

2)颗粒或晶须与基体混合较均匀，偏聚或团聚现象不太严重；

3)增强体的加入量可以任意调节，体积分数控制方便，成分比例准确；

4)此法能够制备其它方法所不能制备的铝基复合材料；

缺点是：

1)原材料和设备成本高；

2)工艺较为繁琐，材料易受污染；

3)制造出的复合材料一般都存在内部组织不均匀、孔洞率较大的现象，因此必须进行二次塑性加工，以提高其综合性能；

4)制品的结构和尺寸受到限制。

热压是把成型和烧结同时进行的一种工艺，把混合料装在模腔内，在加压的同时，使温度升到烧结温度，在短时间内获得均匀致密的材料。

冷压成型、烧结法是在常温下把粉末加工成坯体，然后再用稍低于熔点的温度烧结的工艺，由于冷压烧结工艺过程易于掌握和控制，对温度要求不高，特别适合大规模自动化生产。

随着科研人员对粉末冶金法研究的不断深入，开发出了新的粉末冶金方法(机械合金化粉末冶金法)。用此法制备的复合材料中增强体颗粒分布均匀、界面结合良好，增强体颗粒粒度可在纳米至微米范围内调节，增强体可高达70％的体积分数，同时复合材料的力学性能高。此项制备工艺较为成熟，但工艺成本较高固态扩散法(diffusion bonding)是将固态的纤维与金属基体适当组合，在加压加热条件下使他们互相扩散结合成复合材料的方法。这种工艺优点是可适用于广泛的