复合材料研究进展讲述

铝基复合材料的制备和增强技术的研究进展

摘要本文简单介绍了铝基复合材料的一些基本的制备方法。对于纳米相和碳化硅颗粒增强的铝基复合材料，它们也有不同的制备方法。

关键词铝基复合材料纳米相碳化硅颗粒

0前言

复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成。金属基复合材料基体主要是铝、镍、镁、钛等。铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。此外,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。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。本文主要讲述铝基复合材料的制备方法以及增强技术的发展情况。

1 铝基复合材料的制备工艺

1.1 无压浸渗法

无压浸渗法是Aghaianian 等于1989 年在直接金属氧化工艺的基础上发展而来的一种制备复合材料的新工艺[1]，将基体合金放在可

控气氛的加热炉中加热到基体合金液相线以上温度，在不加压力和没有助渗剂的参与下，液态铝或其合金借自身的重力作用自动浸渗到颗粒层或预制块中，最终形成所需的复合材料。

Aghajanian 等[2]撰文指出，要使自发渗透得以进行，需具备两个必要条件：①铝合金中一定含有Mg元素；②气氛为N2环境。影响该工艺的主要因素为：浸渗温度、颗粒大小和环境气氛种类。无压渗透工艺的本质是实现自润湿作用，通过适当控制工艺条件，如合金成分、温度、保温时间和助渗剂等，可取得良好的润湿，使自发浸渗得以进行。

1.2 粉末真空包套热挤压法

采用快速凝固技术与粉末冶金技术相结合制备高硅含量铝基复合材料。由于Al 活性很高，在快速凝固制粉时不可避免地会形成一层氧化膜，导致在致密化过程中合金元素的相互扩散受到阻碍，难以形成冶金粘结。因此，采用了粉末真空包套热挤压这一特殊的致密化工艺[3]。

1.3 喷射沉积法

喷射沉积技术是一种新的金属成形工艺，由Singer 教授于1968 年提出，后经发展逐步形成了Osprey工艺、液体动态压实技术和受控喷射沉积工艺等。

喷射沉积的基本原理是：熔融金属或合金经导流管流出，被雾化

喷嘴出口的高速高压惰性气体气流破碎，雾化为细小弥散的熔滴射流；雾化熔滴射流在高速气流动量作用下加速，并与气流进行强烈的热交换；到达沉积表面以前，小于某一临界尺寸的熔滴凝固成为固体颗粒，较大尺寸的仍然为液态，而中间尺寸的熔滴则为含有一定比例液相的半凝固颗粒，这些大大小小凝固程度不同的熔滴高速撞击接收体表面，并在沉积表面附着、铺展、堆积、熔合形成一个薄的半液态层后顺序凝固结晶，逐步沉积生长成为一个大块致密的沉积坯[4]。

液态金属在喷雾沉积过程中的冷却分为3个阶段：金属液雾化过程中的冷却；雾化后液滴在冷却介质中飞行时的冷却；半固态的液滴沉积到基底上以后的冷却。在喷射沉积过程中，增加雾化气体压力也可以细化喷雾沉积材料的组织，由于雾化气体同时又作为冷却介质，增大雾化气体压力相应地增加了冷却介质的流率及其传热能力，这两方面的结果势必会造成金属液在雾化及其飞行中的冷速增大，从而细化组织[5]。

由于喷射沉积所制备的铸锭存在一定的空隙度，给材料性能带来了不利影响，必须经过后续加工工艺，如热锻、热挤压、热等静压等方法来提高其致密度。

2铝基复合材料的增强技术

采用不同的增强体制备复合材料时，制备的工艺方法有所不同，接下来简单介绍不同增强体铝基复合材料的制备方法。

2.1 纳米相增强铝基复合材料制备技术

由于纳米相增强铝基复合材料的制备方法和工艺过程的不同对其结构、性能和应用具有重要的影响，所以，纳米相增强铝基复合材料的制备方法探索在铝基纳米复合材料科学研究中占有举足轻重的地位。

2.1.1原位反应合成法

原位反应合成法制备纳米相增强铝基复合材料的基本原理是通过元素间或化合物间的化学反应，在铝基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷材料增强相，从而达到增强铝基体的目的[6]。首先，由于原位反应合成技术基本上能克服其它工艺通常出现的一系列问题，如克服基体与增强体浸润不良，界面反应产生脆性层，增强相分布不均匀，特别是纳米级增强相极难进行复合问题等；其次，在基体中反应生成的增强相热力学稳定，具有优良的力学性能。

董晟全和郭永春[7]等利用原位反应合成法制备出纳米AlN颗粒增强铝基复合材料。由于原位增强体纳米颗粒AlN的产生，复合材料与基体相比，其拉伸强度和伸长率都有所提高，室温强度由250 MPa增至280 MPa，伸长率也提高了1．81％。

2.1.2 快速凝固工艺

快速凝固(RS，Rapid Solidification)[8]对晶粒细化有着显著的效果，利用RS工艺可以获得与传统材料性能迥异的新型材料。仝兴

存[9]等将Rs工艺与热挤压成型技术相结合，成功地制备出TiC／A1原位复合材料，与常规熔铸工艺相比，其室温拉伸强度增加了100 MPa 左右，并表现出良好的高温力学性能。

2.1.3 大塑性变形法

大塑性变形法(SPD，Severe plastic defornlation)[10]是近年来逐步发展起来的一种独特的纳米粒子铝及铝合金材料制备工艺。它是指铝及铝合金材料处于较低的温度(通常低于0．4Tm)环境中，在大的外部压力作用下发生严重塑性变形，从而将材料的晶粒尺寸细化到纳米量级。

Alexandmv等[11]利用SPTS压实微米级的铝和纳米级的陶瓷混合粉末制备出相对密度大于98％的Al-5％Al2O3的高强度、高热稳定性的纳米相增强铝基复合材料，力学性能测试结果表明，在Al-5％Al2O3复合材料样品中发现了超塑性现象(400℃、塑性应变率为10-4s-1的拉伸实验显示，样品失效前的延伸率几乎高达200％，塑性应变率灵敏度为0.35)。

2.1.4 高能球磨法

高能球磨法(high energy ball milling)[12]是利用球磨机的高速转动或振动，使研磨介质对增强体进行强烈的撞击、研磨和搅拌，将其粉碎为纳米级微粒的方法。

K．D．Woo与D．L．Zhang[13]合作采用高能球磨法成功得到纳米