以铝合金为基体复合材料发展现状与其应用

1、关于以铝合金为基体复合材料的发展现状及其应用第1页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四铝基复合材料概述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。复合材料可分为三类：聚合物基复合材料（PMCs）、金属基复合材料（MMCs）、陶瓷基复合材料（CMCs）。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,阻尼性能好,热膨胀系数低。同其他复合材料一样,它能组合

2、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。按照增强体的不同,铝基复合材料可分为颗粒增强铝基复合材料，纤维增强铝基复合材料和晶须增强铝基复合材料。第2页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四SiC颗粒增强铝合金复合材料航天航空工业的高速发展为金属基复合材料的发展提供了动力。近年来, 对重量轻, 强度高, 刚度大材料的需求使其应用扩大到包括汽车工业的民用领域。在金属基复合材料中, 增强相一般为熔点高, 弹性模量大, 比刚度大的陶瓷, 如SiC,AI2O3。其可以是连续纤维方向性分布, 以制备大体积分数增强相的复合材

3、料, 也可以是短纤维, 晶须或颗粒随机分布形成各向同性的低体积分数强化相的复合材料。基体的选择必须保证在复合材料制备过程和使用条件下, 陶瓷增强相的稳定性, 一般为轻金属铝、镁、钛、等及其合金。由于颗粒增强铝合金复合材料性能好, 价格低廉, 对制备设施要求不很高, 还能像铝合金那样制成各种型材, 板材和箔材。因而受到广泛的关注和研究。第3页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四颗粒增强金属基复合材料可以通过多种方法制备。其中最常用的是固态法,与熔铸法等其它方法相比, 固态法具有制备温度较低, 增强相基体之间界面反应少, 且增强相比例可以任意调整等优点。下面主要介绍用粉末冶金法

4、制备SiC 颗粒增强铝合金基复合材料。制备方法第4页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四第5页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四表3是两种交合材料及对应基体合金在常温下的拉伸性能和硬度测试数据, 从试验结果可以看出,SiC颗粒加入可以使基体的弹性模量增加约20% 以上, 布氏硬度增加1/3以上。在LD31(AL-SI-Mg）基复合材料中,SiC颗粒加入使基体抗拉强度提高, 而在LY12（Al-Cu-Mg）基中, 则使其抗拉强度下降。第6页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四 综上所述，对SiC颗粒增强铝合金复合材料有以下两点结论：复

5、合材料的强度得到明显提高。强化效果主要取决于增强体类型、含量, 以及基体合金类型、材料的热处理状态等。增强体在基体中的分布均匀性也是影响复合材料强度的重要因素, 增强体偏聚团是材料受载时的裂纹源, 并加快裂纹扩展。另外, 材料不同制备工艺产生的基体微观结构差异也会影响材料强度, 如基体中亚晶粒大小、位错等。颗粒增强铝合金基复合材料的最大缺点是延伸率低。第7页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四颗粒增强铝基复合材料的应用1 在航空领域美国Bell Helicopter Textron，Inc 与Boing 合作，采用40% SiCp /A206 复合材料生产V 22 直升机的

6、液压导管( 多向接头) ，美国Boing Military Aircraft andMissile Systems 采用DWA 公司15 5% SiCp /2009 复合材料生产美国海军F /A 18 E /F 飞机落地起落架的液压部件，采用40% SiCp /A206 复合材料生产AC 130Ugunship 的弹药支架，采用DWA 公司175%SiCp /6092 复合材料坯锭经热挤压生产Boing777Pratt and Whitney 4000 系列发动机导流叶片( 长610mm、宽140 190 mm) ，替代树脂基复合材料，服役寿命提高300%，降低了维护成本。第8页，共36页，2

7、022年，5月20日，18点55分，星期四2 在航天方面颗粒增强铝基复合材料在火箭、导弹和卫星等航天器上应用，受保密限制的影响，直接公开报道较少，多数报道停留在试制应用与演示验证研究阶段。英国he Defence Evaluation Research Agency ( DERA) 和Matra Bae Dynamics UK Ltd 在英国国防部的支持下，联合开展了导弹弹翼用耐短时高温颗粒增强铝基复合材料的研究与评价，目标是开发出导弹用轻质耐热铝基复合材料结构件; 采用颗粒增强铝基复合材料替代40%Cf /6061Al 复合材料用于哈勃望远镜天线展开机构支撑杆; 作为结构材料或结构 功能一体

8、化材料，颗粒增强铝基复合材料在卫星有效载荷光学反射镜镜坯及支撑杆等部件上取得了应用。，据1999 年欧洲BCC 组织不完全统计表明，金属基复合材料的用量达2 500 t 中，在航空航天及军工领域用量达到137 t，其中仅在美国采用粉末冶金法制备的、应用于航空航天领域的颗粒增强铝基复合材料质量达50 t。第9页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四3 在核能领域先进国家的核反应堆采用DWA Technologies，Inc 生产的BORTEC# B4Cp /Al 复合材料和Ceradyne，Inc 生产的BORAL#B4Cp /Al 复合材料制造核废料处理容器。4 在电子领域美

9、国Motorola，Inc Semiconductor Products Sector采用dmc2 Electronic Components 公司的SiCp /Al 复合材料应用于卫星电子基片、散热基片，PCC、CeramicsProcess Systems、LEC 等多家公司研制生产封装、导热材料，应用量较大。第10页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四面对未来高技术领域的更高要求以及各种新材料的取代性竞争，颗粒增强铝基复合材料仍需要不断的提高和发展，面临的创新性研究工作包括: ( 1) 降低成本。针对复合材料坯锭和零部件加工成本高，开展复合材料低成本化技术研究，包括选

10、用低成本的增强体; 选择低成本的复合制备工艺; 开发零件近净成形工艺; 研究高效精密机加工工艺、焊接工艺; 发展功能梯度复合材料; ( 2) 提升材料综合性能。通过研究微观组织结构与性能之间的关系、提高颗粒与基体之间的界面结合、调控颗粒粒度、优化二次加工技术等措施，进一步提高复合材料的强度、耐磨性、耐高温性能、塑韧性、疲劳性能等; ( 3) 扩大复合材料应用。颗粒增强铝基复合材料国内研究现状我国对金属基复合材料的研究和发展非常重视，国家“863”计划将金属基复合材料作为新材料的一个重点予以支持。第11页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四在颗粒增强铝基复合材料的制备技术、组

11、织性能、应用研究等方面的研究工作取得了突破性进展。国内以碳化硅颗粒增强铝基复合材料体系为主，围绕界面与组织控制、颗粒分布均匀性等关键问题，开发了粉末冶金、搅拌铸造、压力浸渗和无压浸渗等制备方法，制备的复合材料性能达到了国际先进水平。第12页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四围绕颗粒增强铝基复合材料的应用技术，从材料性能、坯锭制备能力、构件塑性变形、零件精密加工到应用试验等颗粒增强铝基复合材料大尺寸复杂结构件研制全流程取得了重大突破，解决了有无问题，但距离工程化应用仍然存在成本高、制造效率低、可靠性与稳定性有待提高等新材料实用化过程中面临的共性问题，为此，需要攻关大尺寸、复

12、杂形状颗粒增强铝基复合材料结构件低成本、高效率制备技术，突破构件的近终成型; 大尺寸颗粒增强铝基复合材料及结构件的可靠性控制技术; 大尺寸、复杂形状颗粒增强铝基复合材料结构件高效精密制造技术，实现多项典型应用，把颗粒增强铝基复合材料发展成为一种航空航天领域用主体材料。研究展望第13页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四纤维增强铝基复合材料以其高的比强度、比刚度、轴向拉伸强度和耐磨性, 优异的耐高温性能和低的热膨胀系数, 良好的导电、导热性、抗疲劳性和潮湿或辐射环境下良好的尺寸稳定性等优点,已在航天航空、汽车、机械电子等领域作为高强度耐高温材料, 显示出巨大的应用潜力 1-

13、6。复合材料研究者围绕铝基复合材料加工温度高、制造工艺复杂、性能波动大、成本高等主要问题进行了大量的研究工作,如何有效地利用高性能纤维高的轴向强度和弹性模量, 强化密度小、强韧性和抗腐蚀性能优异的铝及铝合金基体, 以获得高比强度、高比弹性模量和高温性能优异的轻质高强度复合材料, 是纤维增强铝基复合材料目前的研究重点。纤维增强铝基复合材料第14页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四纤维增强体的制备纤维增强铝基复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能。铝基复合材料的制备在高温下完成, 增强纤维应具有高的比强度、比弹性模量和优异的耐高温性能。纤维增强铝基复合材料的增强纤维主要有

14、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等 7- 9 。 1 .硼纤维硼纤维是最早用于高性能复合材料的增强纤维, 具有弹性模量高、与金属基体之间的润湿性较好且反应性较低、纤维直径较大等特点。硼纤维一般采用CVD 方法在氢气氛中将硼气相沉积在已加热的钨纤维或碳纤维芯材上而制成的。硼纤维因其直径较大, 制成复合材料时在纤维的纵向容易断裂, 制造成本相当高。2.碳纤维第15页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四碳纤维是将有机纤维烧结后得到的一种含碳量在90% 以上的纤维 8 。碳纤维质轻而强度高, 具有良好的润滑及耐磨性能, 其价格约为硼纤维的十分之一。碳纤维的制备包括原料纤维制造

15、、纤维稳定处理和高温碳化及石墨化烧结等工艺过程。常用的碳纤维有PAN 类、沥青类和人造丝类。其中PAN类碳纤维性能较好, 但价格较高, 主要用于对材料性能要求极高的航空航天领域。 3 .碳化硅纤维碳化硅纤维因其高的抗拉强度和弹性模量、良好的高温强度和耐热性、与金属间润湿性极好且纤维直径小等优点, 完全有可能满足2 000 e 耐温性能的要求 10 。碳化硅纤维的制备方法主要有两种: 一是利用CAD 方法将碳化硅沉积在钨丝或碳纤维表面以得到碳化硅纤维; 二是以有机硅化合物为原料,经过热处理和烧结后而获得碳化硅连续纤维。第16页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四 4. 氧化铝

16、纤维氧化铝纤维一般指以Al2O3 为主要成分、含有SiO2 或B2O3 的A-Al2O3 连续纤维或C-Al2O3 连续纤维。与碳纤维相比, 氧化铝纤维的强度略低, 但它具有优良的高温力学性能和抗蚀性能、优异的电绝缘性和高温稳定性。氧化铝纤维的制备多采用泥浆法和溶胶法。第17页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四纤维增强铝基复合材料的制造方法为获得无纤维损伤、无空隙、高性能的致密复合材料, 必须考虑增强纤维与铝及铝合金间的润湿性好坏和反应性大小、增强纤维的分布状态和高温下的损伤老化程度及界面稳定性等。纤维增强铝基复合材料的制造方法主要有熔融浸润法、加压铸造法、扩散粘接法和粉

17、末冶金法等。熔融浸润法此法是用液态铝及铝合金浸润纤维束, 或将纤维束通过液态铝及铝合金熔池, 使每根纤维被熔融金属润湿后除去多余的金属面得到复合丝, 再经挤压而制得复合材料。其缺点是当纤维很容易被浸润时, 熔融铝及铝合金可能会对纤维性能造成损伤。第18页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四加压铸造法该法是使熔融铝及铝合金强制压入内置纤维预制件的固定模腔, 压力一直施加到凝固结束。加压铸造法因高压改善了金属熔体的浸润性, 所制得复合材料的增强纤维与铝及铝合金间的反应最小, 没有孔隙和缩孔等常规铸造缺陷。扩散粘接法扩散粘接法主要是指铝箔与经表面处理后浸润铝液的纤维丝或复合丝或单

18、层板按规定的次序叠层, 在真空或惰性气体条件下经高温加压扩散粘接成型以得到铝基复合材料的制造方法。粉末冶金法 此方法是采用等离子喷溅法在排列好的增强纤维上喷涂金第19页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四属铝粉, 或把金属铝粉分散在丙烯酸树脂( 或聚苯乙烯树脂) 上, 制成预浸板, 将其交替重叠后在真空或氩气中, 在接近铝熔点温度下加压烧结以获得纤维增强铝基复合材料。第20页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四纤维增强铝基复合材料（FRAMC）应用3.1 在宇航中的应用宇航是应用铝基复合材料最早的一个领域。美国的NASA（国家航空和宇宙航行局）在1981

19、 年已将硼纤维增强铝合金复合材料用于制造航天飞机中部20m 长的货舱架。碳纤维增强铝基复合材料， 现已成为制造卫星、航天飞机等构件的理想材料。用C/Al 复合材料制成的导航系统和航天天线， 可有效的提高其精度;用碳纤维增强铝基复合材料制成的卫星抛物面天线骨架， 热膨胀系数低，导热性好， 可在较大温度范围内保持其尺寸稳定，使卫星抛物面天线的增益效率提高4 倍。DWA 公司用石墨纤维增强铝基复合材料为NASA 和Lockheed 公司制造卫星上的波导管。复合材料波导管不但轴向刚度高、膨胀系数低、导电性能好，而且比原用石墨/环氧-铝层复合制成的波导管还轻30%。第21页，共36页，2022年，5月2

20、0日，18点55分，星期四3.2 在航空中的应用铝基复合材料的高的比强度、比模量、良好的疲劳性能以及低的密度等优异性能， 一直是航空材料研究人员和飞机制造商所追求的目标。美国NASA 的Lewis 研究中心用B/Al 复合材料制造的发动机风扇叶片与钛合金的叶片相比， 质量轻，刚性高， 工作时的离心力小， 叶尖速度高， 改善了发动机的气动效率， 在F-100 发动机（用于F-15和F-16 战斗机）上通过了试验。前西德的DFVLR（航空航天研究试验院）在20 世纪70 年代就对B/Al 叶片进行了研究， 用于高性能喷气发动机中。前苏联航空材料研究所已对铝基复合材料进行了多年研究， 并把硼纤维增强

21、铝基复合材料用于飞机机体结构上， 在提高可靠性的同时， 零件质量可减轻25%40%。日本也在小型民用飞机中使用了长纤维增强铝基复合材料。第22页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四3.在兵器武装中的应用近十年来， 纤维价格的降低和挤压铸造、真空吸铸、真空压渗等复合工艺的出现， 使复合材料有可能用于大批量的常规兵器中。纤维增强铝基复合材料因其良好的综合性能， 在兵器中的应用已越来越广。美国陆军早在20 世纪70 年代末期就对A12O3/A206 复合材料制造履带板进行了研究， 通过采用复合材料制造履带板可使其质量从铸钢的544680kg 下降到272362kg， 减轻近50%

22、。美国海军地面武器中心把SiC/Al 复合材料用于船舶结构体和舱板，还打算将这种材料用于多种水下工程以及鱼雷、水雷的外壳。用碳化硅纤维增强铝合金复合材料制成的跨度为30m 的舟桥， 质量只有5t， 刚度比铝合金的高30%。随着价格和技术问题的不断解决， 此类材料在兵器领域中的应用将会更加广阔。第23页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四3.4 在汽车零部件中的应用纤维增强铝基复合材料在汽车上的应用是从短纤维增强材料的成功应用开始的。因为纤维增强铝基复合材料的热传导性较好， 尚可降低活塞顶部的温度。1983 年日本丰田汽车公司研制了氧化铝短纤维局部增强铝活塞， 用以代替传统的

23、普通铝活塞。目前的Art 金属公司采用他们的常规挤压铸造生产法， 每月生产10 万件增强活塞装配在丰田轿车柴油发动机上。由于代替了更昂贵的高镍铸件镶圈， 在这一用途中并没有增加成本。连杆是汽车发动机中继活塞之后第二个成功的应用纤维增强铝基复合材料的例子。美国杜邦公司和本田公司合作制造了多种氧化铝纤维及碳化硅纤维增强的铝基复合材料连杆， 其质量比钢质连杆减轻35%50%， 并已成功应用在本田公司的试验车FX-1 上及意大利Fiat 生产的高级赛车上。第24页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四纤维增强铝基复合材料面临的问题与展望经过近几十年的努力和探索， 纤维增强铝基复合材料

24、在基础理论、制备工艺、性能水平等方面都有了很大的进步， 并且率先在宇航、航空和兵器中得到应用， 在民用工业中的应用也日渐增多。尽管它的性能优于钢铁， 却没有被普遍使用， 主要是由于纤维增强铝基复合材料不但增强纤维价格昂贵， 而且制造工艺独特、成本高。因此， 为了进一步推广纤维增强铝基复合材料的应用， 必须努力降低成本。同时还要对纤维表面涂层技术、合金元素对于界面稳定性和结构的影响， 以及纤维增强体与铝及铝合金基体的界面结合强度对材料性能的影响等问题进一步展开研究。相信随着科学技术的发展， 纤维增强铝基复合材料将日臻完善和成熟， 必将为人类文明的进步做出应有贡献。第25页，共36页，2022年，

25、5月20日，18点55分，星期四晶须增强铝基复合材料晶须是指无缺陷( 也就是在生长轴上只存在一个螺型位错) 的微细针状晶体, 具有一定长径比( 一般大于10) 和截面积小于52 10- 5 cm2, 现也称短纤维状晶体为晶须, 由于晶须的晶体结构比较完整,内部缺陷较少, 使其具有惊人的力学强度, 作为塑料、金属和陶瓷等物质的改型添加剂, 显示出极佳的物理化学性质和优异的机械性能.碳化硅晶须( SiC) 是已合成出晶须中硬度最高、模量最大、抗拉强度最大、而热温度最高的晶须产品, 它有- SiC 和- SiC 两种形式, 型性能优于型. SiC 晶须增强铝基复合材料具有高比强、高阻尼、高比模、而磨

26、损、耐高温、耐疲劳、尺寸稳定性好以及热膨胀系数小等一系列性能, 具有广阔应用前景的新型结构材料.第26页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四制备方法大体上可采用液相法和固态法. 晶须增强铝基复合材料的制备工艺较成熟, 研究方向较广.但由于SiC 晶须价格昂贵, 仅应用在航天航空领域. 而做为廉价晶须硼酸铝的价格是SiC 晶须的1/20, 有希望成为复合材料领域广泛应用的晶须之一.下面我们主要介绍一下硼酸铝晶须增强铝基复合材料。 90 年代, 日本开发出了硼酸铝晶须( 9Al2O3B2O3) , 其特性参数如下:平均长度 10 mm 30 mm;平均直径 0. 5 mm 1.

27、 0 mm;密度 2. 93 g/ cm3;莫氏硬度 7;抗拉强度 8 GPa;杨氏模量 400 GPa;热膨胀系数1. 9 10- 6/ K。第27页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四 该种晶须有着十分优良的物理特性: 高的杨氏模量、低的热膨胀系数、高的强度等; 由于它的原料便宜、制造工艺相对简单, 所以它的价格比较低廉,仅为SiC 晶须或Si3N4 晶须价格的1/ 20 左右 1, 2 。同时, 硼酸铝晶须同铝合金有着较好的相容性 3 , 是铝基材料良好的增强相。目前, 对硼酸铝晶须增强铝基复合材料的研究还比较少, 但是由于其较高的性能价格比, 有望在不久的将来得到广

28、泛的研究与应用。第28页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四硼酸铝晶须增强铝基复合材料基本上承袭了晶须增强铝基复合材料的制取工艺, 主要采用挤压铸造法和粉末冶金法来制取。挤压铸造法可以说是制取硼酸铝晶须增强铝基复合材料较为成熟的工艺。此工艺排除了对硼酸铝晶须与铝合金液结合有重要影响的反应性、润湿性等因素的作用。如果预制件制造得好, 挤压温度、挤压压力等参数控制得当, 能成功获得晶须分布均匀、性能优良的复合材料。粉末冶金法可以制得晶须与基体合金粉任意比例的复合材料。混合体容易均匀, 不易出现偏析或偏聚现象; 同时由于烧结温度较低, 由反应造成的晶须损伤比较少。 无论是采用挤压

29、铸造法还是粉末冶金法, 硼酸铝晶须在铝合金基体中的排列一般都是呈不连续分布的三维随机状态, 这一特点使此类复合材料容易进行锻造、轧制、挤压等二次加工。第29页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四第30页，共36页，2022年，5月20日，18点55分，星期四由此可以看出: 此类复合材料不仅有着好的耐高温性能; 并且常温下的抗拉强度亦很好, 它的杨氏模量稍高于其它复合材料, 同时有着低的热膨胀系数。最为突出的是它的摩擦磨损性能, 由图2( d) 可知, 硼酸铝晶须增强铝基复合材料既有着好的耐磨性能又有着好的减摩性能( 对摩擦副产生的损伤小) 。它既不同于Al2O3 短纤维和SiCW 增强的复合材料, 它们尽管有着好的耐磨性, 但对摩擦副却有着较大的损伤; 又不同于ZL109( 最好的耐磨铝合金之一) , 尽管对摩擦副损伤较小, 但其耐磨性却远低于硼酸铝晶须增强铝基复合材料。可见, 硼酸铝晶须增强铝基复合材料的优良性能使其具有广泛的应用前景。日本丰田和铃木汽车