颗粒增强复合材料制备

1、本科毕业论文（设计）题目：红柱石增强铝合金复合材料制备与性能姓名：廖丽云学号：07080406院（系）：材料科学与工程学院专业：金属材料工程指导教师：阎峰云第一章文献综述1.1 颗粒增强铝基复合材料研究1.1.1 概述金属铝基复合材料在20世纪80年代和90年代得到迅速发展，目前仍是材料领域的研究热点之一。金属基复合材料具有耐高温、耐磨损、导电导热性好、不吸湿、不放气、尺寸稳定、不老化等许多特点，在航空航天领域占有重要地位，目前已经发展的有铝基、镁基、钛基、高温合金基、铜基等多种材料，其中以铝基发展最快并且成为当前金属基复合材料发展和研究工作的主流。这是因为铝基复合材料具有密度低、基体合金选择

2、范围广、可热处理性好、制备工艺灵活多样等许多优点。铝基复合材料具有很大的应用潜力，并且已有部分铝基复合材料成功进入商业化生产阶段。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，并列人规模化生产的行列，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

3、重点1o01.1.2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。文九巴等人采用铸造法制备出Al/Al3Ti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。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2o2 .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

4、数、低的磨损率3。王宝顺等人研究了大范围(15%55%qSiCp(45、63mm)/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4。3 .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。CHENZhenzhon等人利用粉末冶金技术制备了10%的

5、SiC增强Al203,SiC的平均颗粒尺寸为5mi研究了SiC颗粒对疲劳裂纹扩展的影响。结果表明，很少的颗粒出现在断裂表面，即使在高的AK区域里也几乎没有出现。这就说明裂纹的扩展主要是在基体的内部，而避开了SiC颗粒，这是因为颗粒的强度较高和牢固的颗粒/基体界面的结合5。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。张建云等人的研究指出，在温度低于200。C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200。C时增幅较大6。张强等人的实验结果也表明，SiCp/Al复合材料的热膨

6、胀系数随温度的上升而增大，在300。C左右达到最大，随后随着温度的上升而下降7。在200°C范围内，热膨胀系数在5.6X10-6-7.5X10-6。C之间8。这说明SiCp/A1复合材料的热膨胀系数较小，能与电子元件基良好匹配。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/A1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；复合材料的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9o5 .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

7、应变能的一个量度。当材料的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的分析。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10。杨会智对喷射共沉积工艺制备的6013A1/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300C,内耗值均大于0.01;150c以下，不同热处理制度试样的内耗值基本相同，在150c270c温度范围内，阻尼能力的大小顺序为：炉冷水淬-9

8、0C淬火空冷原样-195C淬火1101.1.3颗粒增强铝基复合材料的制备方法粉末冶金法、搅拌铸造法、挤压铸造法和喷射沉积法是制备颗粒增强铝基复合材料的几种常用方法。1 .粉末冶金法粉末冶金法是最早开发用于制备颗粒增强金属基复合材料的工艺，具体工艺是先将金属粉末或预合金粉末和增强相均匀混合，制得混合坯料，经不同的固化技术制成锭块，再通过挤压、轧制、锻造等二次加工制成型材。粉末冶金法的优点是增强体的加入量可以任意调节，成分比例准确，体积分数控制方便，复合材料组织中位错密度高，因而材料强度大。缺点是原材料和设备成本高，制造出的复合材料的内部组织出现不均匀现象，孔洞率较大，因此必须对复合材料进行二次塑

9、性加工，以提高其综合力学性能；工艺比较复杂，而且都必须在密封、真空或保护气氛下进行，设备及生产成本较高；所制零件的结构和尺寸均受限制12,13o2 .搅拌铸造法搅拌铸造法就是将增强体颗粒加人到基体金属液中，通过高速旋转的搅拌器使液固相混合均匀，然后浇人金属铸型。搅拌铸造法制备复合材料的过程中，由于增强体颗粒与铝液湿润性差，因此实现增强体颗粒均匀分布较为困难，同时，增强体颗粒极易与铝溶液发生严重化学反应，因此界面结合较差。止匕外，添加的增强体颗粒的大小通常应大于10仙mi体积含量一般为20%左右。与其他方法相比，该方法制备的复合材料性能较差14。3 .挤压铸造法挤压铸造法是将增强体颗粒预制件放人

10、经过精密加工的石墨浇铸模内，预热到一定温度，加人熔化的铝合金液，在压力作用下先渗入模壁间隙中，继而渗入预制件中，最后去压，冷却。该工艺预制件的预热温度、铝合金液的渗人温度、压力大小、冷却速度是关键工艺参数。该法施加压力可以较大，生产时间缩短，渗透可以在几分钟完成，工艺的稳定性好，但是该方法在生产形状复杂的零件方面受到很大限制14。4 .喷射沉积法喷射共沉积技术是20世纪80年代逐渐成熟的一种新的粉末冶金技术，具具体工艺过程如下：将铝合金在培竭中熔化，加压流经雾化器后被高速气体分散成极其细小的微滴，微滴高速冷却后沉积到基板上，便可得到理想的快凝材料；若同时通过一个或几个喷嘴射人增强粒子并使之与雾

11、化液滴一起沉积在基板上，这样便制得了复合材料。该工艺综合了粉末冶金和快速凝固的特点，可以实现制粉和材料复合一步完成。考虑了传统喷射共沉积制备大尺寸坯的困难，陈振华等人发明了一种新型的培竭移动式喷射共沉积方法。该方法主要特点是雾化喷嘴和地竭一起移动，沉积坯的直径取决于雾化喷嘴移动距离。熔体同样通过喷嘴雾化成液滴(内含一部分固相颗粒)沉积在基板上，通过基板的旋转和下降的复合运动，使沉积坯成形。新的共沉积方法解决了国际上制备大尺寸沉积坯的难题，目前用Ig法已能制800mm<1000mm沉积坯。这种大尺寸坯具有高的冷速(103K/s104K7s),颗粒增强相均匀，基体为微晶状态等特点，具挤压坯和

12、锻造坯力学性能优异15o综上所述，颗粒增强铝基复合材料的制备方法各有千秋，实际应用时.可根据材料的性能要求及设备条件选择适宜的制备方法铝基复合材料的制备工艺.1.1.4颗粒增强铝基复合材料的应用状况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16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“T田em”项目支持下，DW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(6092A1)复合材料用于F-16战斗机的

13、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。F18“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、EC120直升机以及波音777大型客机上也得到了应用。2O世纪9O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，

14、在F22“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铝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、EA6B“徘徊者”预警机、ALE50型诱饵吊舱等航空器，以及摩托罗拉钺星、火星“探路者”和“卡西尼”深空探测器等航天器。2 .汽车领域17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

15、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18作为电子材料，LEC公司生产的SiCp/A1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

16、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19。1.1.5颗粒增强铝基复合材料的国内外发展现状201 .国外发展现状从80年代初开始，国外投入大量财力致力于颗粒增强铝基复合材料的研究。相继开发了粉末冶金、搅拌熔铸、压力铸造和喷射沉积4种主要的制备技术，解决了增强体颗粒在基体中的分布均匀性和基体与增强体之间界面结合两大技术难题，并系统地研究了颗粒分布均匀性、界面结构及性能、材料断裂特征及物理性能特点等一系列问题。材料性能水平和性能稳定性很快达到了工业应用水平。2 .国内发展现状国内在材料的组织性能、复合材料界面等方面的研究工作己接近国外先进水平。在材料制备技术方面已基本掌握了粉末

17、冶金、搅拌铸造、压力铸造及共喷沉积4种主要制备方法，并逐渐完善了材料的制备技术和工艺的稳定性。目前，国内对颗粒增强铝基复合材料的研究逐步从实验室转向应用开发阶段，并已取得突破。为了进一步推动国内颗粒增强铝基复合材料的实用化和产业化-国内已建成了国家级的中试基地和实验室.重点发展了颗粒增强铝基复合材料工业制备技术，并已形成年产上百吨的生产能力。3 .2粉末冶金技术概述粉末冶金是一种制取金属粉末，以及采用成形和烧结工艺将金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)制成材料或制品的工艺技术，由于粉末冶金的生产工艺与陶瓷的生产工艺在形式上类似，这种工艺方法又被称为金属陶瓷法。1.2.1 粉末冶金工艺的基

18、本工序:(1)原料粉末的制取和物料准备；(2)成形一将金属粉末制成所需形状和尺寸的坯块，并使其具有一定强度和密度；(3)烧结一将坯块在物料主要组元熔点以下的温度进行烧结，使制品具有最终的物理、化学和力学性能。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。粉末的一个重要特点是它的表面与体积之比大。粉末冶金学就是研究金属粉末的加工过程，包括粉末的制造，粉末的特征以及金属粉末转变成为有用工件的过程。这个过程改变了粉末的形状、性能以及他的结构组织而成为最终的产品。1.2.2 .粉末冶金的发展粉末冶金技术历史很悠久，早在公元3000年前，埃及人已经使用铁粉。公元300年，印度德里铁柱是用大约6.5t还原铁粉制成的。

19、公园18世纪粉末冶金技术才得到真正有价值的应用。在俄国和英国，为了生产白金实验室装置的需要，发展了化学沉淀粉末和新的凝固方法，避免了采用高温的工艺路线，克服了当时在高温处理方面的困难。现代粉末冶金发展中三个重要标志：(1)克服了难熔金属(如鸨、铝等)熔铸过程中产生的困难。(2)20世纪30年代用粉末冶金方法制取多孔含油轴承取得成功，继而粉末冶金铁基机械零件的发展，充分发挥了粉末冶金少切削甚至无切削的优点。(3)向更高级的新材料、新工艺发展。40年代，新型材料如金属陶瓷、弥散强化材料；60、70年代，粉末高速钢、粉末超合金相继出现；利用粉末冶金锻造及热等静压已能制造高强度的零件。1.2.3.粉末

20、冶金的优点和缺点1 .优点：(1)粉末冶金方法能生产用普通熔炼法无法生产的具有特殊性能的材料；控制制品的孔隙度；能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种特殊性能的材料。如鸨、铜假合金型的电触头材料、金属和非金属组成的摩擦材料等；能生产各种复合材料。例如生产由难熔化合物和金属组成的硬质合金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等复合材料。(2)粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相比，性能优越；高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好。例如：粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，同时，这种合金具有细晶粒组织使热加工性大为改善；生产难熔金

21、属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法。例如：鸨、钥等难熔金属，即使用熔炼法能制造，但比粉末冶金的制品的晶粒要粗，纯度要低。从制取材料方面来看，粉末冶金方法能生产具有特殊性能的结构材料、功能材料和复合材料。 从制造机械零件方面来看，粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑、无切屑的新工艺，可以大量减少机加工量，节约金属材料，提高劳动生产率。 总之，粉末冶金法既是一种能生产具有特殊性能材料的技术，又是一种制造廉价优质机械零件的工艺。一般来说，粉末冶金方法的经济效果只有在大规模生产时才能表现出来。因为粉末成形所需要的模具制作加工比较困难，而且较为昂贵。但是有时为了使材料或制品具有某些独特的性能，也可以进行小批量生产。2.缺点：粉末冶金工艺的不足之处是粉末成本较高，制品的大小和形状收到一定的限制，烧结件的韧性较差等。但是，随着粉末冶金技术的发展，新工艺不断出现与完善，这些不足正被逐步客服中。1.2.4. 粉末冶金的应用粉末冶金材料制品的应用范围十分