昆明理工大学材料学院学生大四上学期专业课论文_颗粒增强铝基复合材料

铝基复合材料的研究发展现状与发展前景——颗粒增强铝基复合材料
课程名称：复合材料
学生：XX
学号：XXXXX
班级：XX
日期：20XX年X月X日
铝基复合材料的研究发展现状与发展前景
——颗粒增强铝基复合材料
XX
（刚理工大学，省市，650093）
摘要：介绍了颗粒增强铝基复合材料的发展历史、制备工艺、性能及应用，以碳化硅颗粒增强铝基复合材料为例指出了颗粒增强铝基复合材料这一行业存在的问题，并对这种材料的未来发展趋势做了预测。

关键词：颗粒增强铝基复合材料；历史；工艺；性能；应用；趋势
0.引言
近年来在金属基复合材料领域, 铝基复合材料(包括纤维增强和颗粒增强)的发展尤为迅速。

这不仅因为它具有重量轻、比强度、比刚度高、剪切强度高、热膨胀系数低、良好的热稳定性和导热、导电性能, 以及良好的抗磨耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀等一系列优点, 而且因为在世界围有丰富的铝资源, 加之可用常规设备和工艺加工成型和处理, 因而制备和生产铝基复合材料比其他金属基复合材料更为经济, 易于推广和应用,因此, 这种材料在国外受到普遍重视。

而其中的颗粒增强铝基复合材料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, 而且材料各向同性, 克服了制备过程中出现的诸如纤维损伤、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。

所以颗粒增强铝基复合材料已成为当今世界金属基复合材料研究领域中的一个最为重要的热点, 并日益向工业规模化生产和应用的方向发展。

1.发展历史
金属基复合材料（复合材料）自60年代初期开始研究，现在已经取得了突破性的进展。

初期研究的工作主要集中在连续纤维增强复合材料]1[,但由于连续长纤维本身的制造工艺复杂、价格昂贵，再加上纤维的预处理以及纤维增强复合材料制造工艺限制，使连续纤维增强复合材料成本极高，仅限用于要求极高性能的场合。

因此，进入80年代，研究重点转向了成本较低的SiC、Al
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等颗粒或晶须作为增
强材料的不连续增强复合材料，这种材料具有比刚度、比强度强，耐磨性、抗蠕变性好、热膨胀系数小等特点]2[，其比刚度超过了钢和钛合金，而价格不到钛合金的十分之一]3[，用以取代钢、钛等材料，对减轻产品结构重量，降低成本具有明显的经济效益，尤其是取代航空、航天飞行器中的合金钢、钛合金构件，更具有巨大的潜力。

20世纪70年代末，美国政府开始将复合材料列入武器研究清单，并对其研究成果限制发表。

日本通产省在20世纪80年代初期开始实施的“下世纪产业基础技术”规划中，把发展铝基复合材料放在了主要位置，并在财力、物力上向有关院所、高校和公司倾斜。

我国从20世纪80年代中期开始经过十几年的努力，在颗粒增强铝基复合材料的组织性能、复合材料界面等方面的研究工作已接近国际先进水平，铝基复合材料已列为国家“863”新型材料研究课题。

2.制备工艺
2.1 原位复合法
原位复合法的原理是通过元素间或元素与化合物之间反应制备瓷增强金属基复合材料，是近年来迅速发展的一种新的复合工艺方法，目前已成功地在铝基中实现了硼化物、碳化物、氮化物等的原位反应。

由于这些增强相引入的特殊性，不仅它的尺寸非常细小，而且与基体具有良好的界面相容性，使得这种复合材料较传统外加增强相复合材料具有更高的强度和模量以及良好的高温性能和抗疲劳、耐磨损性能。

原位自生铝基复合材料的制备方法较多，主要包括自蔓延高温合成法、原位热压放热反应合成法、放热弥散技术、反应自发浸渗技术、接触反应法、混合盐反应法、气液反应合成法、技术反应喷射沉积法、熔体直接反应法等。

原位法固然有许多优点，但也存在一定的问题，如：
a.化相的种类有限,限制了材料的研发种类。

b.对制备过程中材料微观组织的形成规律有待深入认识。

c.工艺控制问题。

在目前的制备水平下,增强体的均匀化分布程度难以提高,反应过程也无法精确控制。

d.界面问题。

界面的结构和结合强度极影响材料的性能界面反应产生的脆性相甚至使材料报废。

对界面的研究还不够深入,如增强体的尺寸和体积分数、第二强化相、第三组元的加入对界面的影响、在热加工和使用环境下界面结构的变化等。

e.反应副产物问题。

在反应生成增强体的同时，往往产生其它物质，使材料的性能恶化，因此必须在工艺过程中抑制或消除副产物的产生。

f.应用问题。

许多原位铝基复合材料具有优异的综合性能，然而许多材料还处于研发阶段。

目前，制备成本无法大幅度降低限制了其在民用工业领域的应用。

2.2 粉末冶金法(PM)
粉末冶金法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。

粉末冶金法工艺过程分为混合、压实和烧结三个步骤，工艺过程如下：
首先将碳化硅颗粒和激冷微晶铝合金粉用机械手段均匀混合制得复合坯料。

然后将复合坯料装人金属或非金属的摸具中经冷压、除气，然后加热到固液两相区进行真空热压制成复合材料锭块，再通过挤压、轧制、铸造等二次加工制成型材和零件。

粉末冶金法可以任意改变碳化硅与铝的体积百分比，故能够根据不同要求制得各种不同体积分数的复合材料，而且颗粒分布均匀，性能稳定。

该方法的缺点是制造出的复合材料的部组织出现不均匀现象、孔洞率较大、工艺比较复杂、所制零件的结构和尺寸均受限制。

随着科研人员对粉末冶金法的不断深入研究，开发出了新的粉末冶金方法——机械合金化粉末冶金法。

机械合金化粉末冶金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围调节、增强体含量可高达70%(体积分数）。

同时，该方法制备的复合材料的力学性能最高，制备工艺较为成熟。

但工艺成本较高，产品价格比基体合金约高十倍左右，所以还只能用于航空航天和军事用途，不能在民用工业推广使用。

2.3 喷射沉积法
喷射沉积成形技术是一种新型的快速凝固技
术，是在雾化器将瓷颗粒与金属熔体相混合后被
雾化喷射到水冷基底上形成激冷复合颗粒(见图
1)。

喷射沉积成形过程中将一定量的增强相颗粒
喷人与金属熔滴强制混合后在沉积器上共沉积以
获得复合材料坯件。

其突出的优点是可以直接由
液态金属雾化与沉积形成具有快速凝固组织和性
能特征的具有一定形状的坯件，以减少或去除各
种高成本的制造和加工中间环节。

利用喷射沉积
成形技术制备颗粒增强金属基复合材料是该技术
近年来发展的一个重要方向。

但这类方法的最大
缺点是增强颗粒利用率低、材料制备成本高。

为了有效解决喷射沉积成形金属基复合材料
制备过程中增强颗粒分布不匀和颗粒利用率较低的问题，目前又研发出了多层喷射沉积技术和熔铸-原位反应喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备技术。

多层喷射沉积技术可以改善增强颗粒在材料中的微观均匀性，改善或消除微区域增强体颗粒的偏聚，有效解决颗粒在基体中分布不匀和利用率较低的难题。

熔铸-原位反应喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备技术的突出优点是：颗粒在熔体部原位反应生成，不存在颗粒损失问题；材料制备成本降低，颗粒在基体中均匀分布，可沿用现行喷射沉积成形制备金属材料的各项工艺参数，设备无需做任何改动。

2.4 液态金属浸渗法
在这种方法中增强物须预先用适当的粘结剂粘结并冷压成一定形状和尺寸的预制件, 然后进行烘干。

在进行浸渗之前, 先把预制件加热至600～ 800℃, 再将其放入预热的金属压型的适当位置, 浇入精炼后的熔融金属液, 用加压或抽真空的方法, 使熔融金属渗入预制件中, 保持一段时间, 待其凝固后即得到所需的颗粒增强铝基复合材料制件。

这种方法的优点是制备工艺及设备简单, 制造成本相对较低, 可以避免增强物与基体不浸润的问题, 制得的材料密度较为均匀, 制备过程周期短, 熔融金属冷却
快, 减轻了颗粒界面反应, 材料性能较高; 但是制造有一定孔隙的颗粒预制件相当困难, 制造过程中还存在颗粒与基体的结合问题, 浸渗工艺参数也不易控制, 压力过高时可能破坏预制件, 制造形状复杂的工件较为困难, 因此该工艺的应用受到一定限制。

近年来, 国外不少研究机构对这一工艺开展了较为深入的研究]6~4[。

2.5 搅拌制备法
搅拌法又称为漩涡法，其基本原理是将颗粒增强物直接加入到熔融的铝合金熔体中，通过一定方式的搅拌，使颗粒分散在铝合金熔体中，最后复合成PRAMCs 熔体。

按照增强颗粒与铝液混合搅拌方式，其可分为机械搅拌法、高能超声复合法和电磁搅拌法等。

其中机械搅拌法对设备要求低、工艺简单，对颗粒种类和尺寸适应围广，并且几乎可以采用所有的铸造方法成形，吴召玲等[7]采用该法制备的SiCp/A356复合材料通过差压铸造技术，制备了铁道车辆用制动盘。

但是，由于机械搅拌过程中易卷入气体产生铸造缺陷，朱瑞杰等[8]在真空条件下，利用电磁搅拌
技术与机械搅拌技术复合法制备了含量为10%的α-Al
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铝基复合材料，结果表明
该复合搅拌方法解决了采用单一械搅拌法制备复合材料易出现增强体分布不均和卷气现象的问题。

飞等[9]采用机械搅拌法经过后续液态模锻成形工艺，制备
5%SiCp/ZL102复合材料。

SiCp分布均匀、组织致密、无铸造缺陷。

2.6 其他工艺
诸如流变铸造、高能-高速工艺等制备工艺可望解决增强颗粒的有效加入, 以及保证其分布均匀等技术问题。

3.性能及应用
3.1 颗粒增强铝基复合材料的特性
(1)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。

研究人员采用铸造法制备出Al/Al
3
Ti复合材料，抗拉强度比纯Al基体提高77.5％，硬度提高132％，而延伸率较纯铝略有下降[10]。

王文明等人以SiCp/6066A复合材料为例研究了颗粒增强铝基复合材料弹性模量的影响因素，发现界面性能对复合材料的弹性模量影响显著，细观结构的影响不明显[11]。

颗粒增强铝基复合材料和铝合金力学性能相比较之下的优缺点在表1中表现得很明显。

表1 铝基复合材料和铝合金力学性能的比较
(2)疲劳与断裂韧性
颗粒增强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。

影响铝基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。

(3)耐磨性
高的耐磨性是颗粒增强铝基复合材料的特点之一。

马东辉对颗粒增强铝基复合材料及其基体与40Cr钢摩擦材料组成的摩擦副的摩擦磨损特性进行了对比试验研究，研究表明复合材料具有较稳定的摩擦系数、低的磨损率[12]。

王宝顺等人研究了大围(15％～55％)的SiCp（45、63μm)／Al复合材料与半金属刹车材料配副的摩擦磨损性能。

其结果表明．颗粒体积分数对复合材料摩擦系数的影响显著，而颗粒尺寸对复合材料摩擦系数影响不大[13]。

(4)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难以避免，但可通过控制增强体和基体的含量以及增强体在基体中的分布来减小热失配。

建云等人的研究指出，在温度低于200C。

时，SiCp／Al复合材料的线膨胀系数随温度的升高有一定程度的增大，但高于200C。

时增幅较大[14]。

强等人的实验结果也表明，SiCp／Al 复合材料的热膨胀系数随温度的上升而增大，在300C。

左右达到最大，随后随着温度的上升而下降[15]。

在200C。

围，热膨胀系数在5.6×10-6～7.5×10-6C。

之间[16]。

这说明SiCp／Al复合材料的热膨胀系数较小，能与电子元件基良好匹配。

SiCp／Al复合材料线膨胀系数见表2。

表2 SiC颗粒增强的ZL101A复合材料铝合金热膨胀系数的比较
导热性是另一个重要的热性能。

于家康等模拟研究了SiC颗粒尺寸及界面热导率对 SiCp／Al复合材料有效热导率的影响。

结果表明，当界面热导率一定、且界面厚度与颗粒尺寸之比不变时，颗粒尺寸对复合材料的热导率几乎没有影响；复合材料热导率随界面热导率的增加而增大并且当界面热导率较小时增大更快[17]。

(5)阻尼性能
阻尼性能是材料在机械振动过程中在周期性加载和波传播条件下消耗应变能的一个量度。

当材料阻尼性能在结构应用中被有效利用时，它可以有效地降低噪声和减小振动。

于思荣等人采用熔体直接发泡法制备了SiCp／ZL104泡沫复合材料，并进行了阻尼性能和机理分析。

结果表明，SiCp／ZL104泡沫复合材料的损耗因子随SiCp含量的增加和SiCp粒度的减小而增大，即阻尼就越大[18]。

会智对喷射共沉积工艺制备的6013Al／SiCp／Gr复合材料，研究了5种热处理制度下材料的阻尼性
能。

结果表明：此材料在不同热处理制度下，温度高300℃，耗值均大于0.01；50℃以下，不同热处理制度试样耗值基本相同，在150℃—270℃温度围，阻尼能力大小顺序为：炉冷>水淬>-90℃淬火>空冷>原样>-195℃淬火[19]。

3.2 颗粒增强铝基复合材料的应用
由于颗粒增强铝基复合材料具有一系列优异的力学性能和物理性能，因此其应用领域非常广泛。

航天航空、军事、汽车、电子、体育等领域都是这种材料大显身手的地方。

（1）航空航天领域[20]
颗粒增强铝基复合材料具有的优异性能，使其在航空航天领域的应用很广泛。

在美国国防部“Title Ⅲ”项目支持下，DWA复合材料公司与洛克希德·马丁公司及空军合作，将粉末冶金法制备的碳化硅颗粒增强铝基 (6092Al)复合材料用于F-l6战斗机的腹鳍，代替了原有的2214铝合金蒙皮，刚度提高50％，使寿命由原来的几百小时提高到设计的全寿命约8000h，寿命提高17倍。

F-18“大黄蜂”战斗机上采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为液压制动器缸体，与替代材料铝青铜相比，不仅重量减轻、热膨胀系数低，而且疲劳极限提高1倍以上。

颗粒增强铝基复合材料在N4、EC-120直升机以及波音777大型客机上也得到了应用。

20世纪90年代末，电子级高体分(60％～70％)碳化硅颗粒／铝基复合材料，作为新型轻质电子封装及热控元件在一系列为世人所瞩目的先进航空航天器上获得正式应用。

其中，采用无压渗透法制备的碳化硅颗粒／铝基复合材料工程应用的实例最多、影响也最大。

例如，在 F-22“猛禽”战斗机的遥控自动驾驶仪、发电单元、飞行员头部上方显示器、电子计数测量阵列等关键电子系统上，碳化硅颗粒／铝基复合材料替代包铜的钼及包铜的殷钢作为印刷电路板板芯，取得了减重70％的显著效果。

由于此种材料的热导率可高达180W／(m·K)，从而降低了电子模块的工作温度，减少了冷却的需要。

该种材料在航空航天中的应用还包括：欧洲“台风”战斗机、EA-6B“徘徊者”预警机、ALE-50型诱饵吊舱等航空器，以及摩托罗拉铱星、火星“探路者”和“卡西尼”深空探测器等航天器。

（2）汽车领域[21]
在汽车制造方面，几乎所有的欧美汽车制造厂，都在研究采用金属基复合材料制造制动盘、制动鼓。

美国已将铝基复合材料应用于刹车轮，使其重量减轻了30％～60％，且导热性大大改善。

Martain公司将TiC颗粒增强复合材料用于汽车活塞等部件，达到了减重和减小摩擦的目的。

（3）电子领域[22]
作为电子材料，LEC公司生产的SiCp／Al复合材料1996年应用于GM电动汽车和EV1客车上，替代了Cu／W合金。

1997年用该材料制作IRIDIUMO的系统部件，应用于Motorola公司发射的卫星上，并决定以后70多颗卫星均使用该材料。

这一应用是电子级颗粒增强铝基复合材料发展的新的里程碑。

铝基复合材料还用于制造自行车、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，作为功能材料，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.存在的问题[23]
本文主要针对SiCp/Al复合材料的研发与应用现状指出了这一行业存在的问题：
4.1各种制备工艺方法期待完善
现有的工艺方法虽然都成功地制备了碳化硅铝基复合材料,但各种方法均有其优缺点,很难判断某种方法已成为主流方法,具有优异综合性能的碳化硅铝基复合材料的获得还存在某些障碍。

例如由于碳化硅与铝液之间润湿性差,虽然可以通过细化碳化硅颗粒来提高材料的比力学性能,但颗粒越细,颗粒团聚现象越严重,从而影响了复合材料的性能。

另外,颗粒越细,即表面积越大,表面能也随之升高,此时气体易于被吸附而引入金属液中。

4.2 SiCp/Al复合材料的成本需要努力降低
复合材料应用受到限制的主要原因之一就是生产复合材料的成本居高不下。

目前碳化硅铝基复合材料主要应用于航空、航天、军工领域，而在民用结构上较少应用，这跟这种材料的高成本有密切关系。

通过优化制备工艺、缩短工艺流程、减少辅助设施、提高工艺效率以及回收利用复合材料等技术方法均可降低材料生产的成本。

这些技术方法尚需进一步深入探讨。

4.3 SiCp/Al复合材料后续加工性能值得考虑
SiCp/Al复合材料由于含硬而脆的SiC颗粒，切削难度大。

而现代精密的机械零件绝大多数仍需依靠机加工获得最终形状和精度，也就是说难以避免切削问题。

焊接加工也是金属基复合材料使用中不可避免的问题，材料难以焊接将会影响其使用围。

在获得优异性能的SiCp/Al复合材料的同时必须兼顾其后续加工性能。

4.4 界面理论的研究有待进一步深人
复合材料的界面理论研究即是研究复合材料的界面润湿、界面结构、界面结合机制和界面稳定性等问题。

界面结合状况影响着复合材料的各种性能。

研究界面与材料性能的相互关系已成为复合材料研究的前沿领域。

界面理论的形成有助于发现改善复合材料界面结合状况的途径。

例如，弄清了润湿机理及影响因素可以找到改善润湿的途径。

界面润湿性是界面相容性的一个方面，有时甚至能成为颗粒分布的决定性因素。

4.5 材料当与环境和谐
体现可持续发展当今人们对环保日益重视，国家要求可持续发展，碳化硅铝基复合材料研发制备过程中还应考虑到这种复合材料的再生和回收问题。

再生与回收一方面可降低制备成本，另一方面可减小对环境造成的负担。

因此，在碳化硅铝基复合材料研发制备过程中融贯环境意识实现废料的再生循环利用，让有限的资源发挥最大的用途，从而保证社会可持续发展。

因此需加大材料再生循环利用的研究力度。

5.未来发展趋势
颗粒增强铝基复合材料一直处于快速发展中，其发展趋势如下[24]：
5.1 优化设计方法和研发新型材料
优化设计方法和研发新型材料是颗粒增强铝基复合材料的重要发展趋势。

设计自由度大是颗粒增强铝基复合材料的最大优势，优化设计方法可以最大限度地开发
材料的性能，或根据应用情况进行性能的优化配置，并降低成本。

目前，新型颗粒增强铝基复合材料的主要研发种类：原位自生赴俄材料、超细颗粒增强复合材料和梯度复合材料等。

5.2 制备工艺的创新和降低成本
除了研发更种新型制备工艺外，将两种或两种以上的制备工艺结合，利用各自的优势，可以制备出性能更高的材料，如高能超声和原位反应复合法。

材料在商业领域实现广泛应用的前提是降低成本，复合材料的工艺成本比原材料成本高的多，因此，降低成本的途径是优化传统的制备工艺，或采用成本更低的新制备工艺。

5.3 国防工业将引领高性能复合材料的研发
航空、空间技术和先进武器等国防工业是体现国家科技实力的领域，对材料的性能的要求很高。

为了研发达到使用要求材料，各国政府对颗粒增强铝基复合材料在国防工业领域的研发投入较高。

由于颗粒增强铝基复合材料的种类很多，每一种材料的性能都不同，因此对服役期间的性能稳定性的监测也是一大难点。

所以，多数高性能的颗粒增前铝基复合材料的研发周期长，失败风险大。

只有政府才有能力投入巨大的成本进行这项艰难的工作。

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