材料科学方法

材料科学方法江苏大学《复合材料》金属材料工程2011级2/2铝基复合材料发展现状及制备应用张谭谭3110702010金属1101材料科学与工程学院摘要：本文通过对当前铝基复合材料的研究，介绍了铝基复合材料的发展现状。综述了影响铝基复合材料的因素及铝基复合材料的制备与成形技术；概述了铝基复合材料的主要制备工艺，并且提出了铝基复合材料存在的问题。关键词：铝基复合材料、制备方法、颗粒（晶须）增强、纤维增强、发展应用引言金属基复合材料被誉为21世纪的材料,它兼有金属的塑性和韧性，以及其它材料如陶瓷的高强度和高刚度，而且比重小，因此具有较高的比强度、比刚度和更好的热稳定性、耐磨性以及尺寸稳定性等优点，从而在机械、汽车、航空航天、兵器、电子等许多领域得到了应用。复合材料是指由两种或两种以上异质、异形、异性的原材料通过某种工艺组合成的一种新的材料。它即保留了原组分材料的主要特性，又通过复合效应获得了原组分材料所不具备的新性能。而铝基复合材料又是金属基复合材料中应用最广泛的。铝基复合材料定义铝基复合材料是以金属铝或铝合金为基体与各种增强材料复合而制得的复合材料。铝基复合材料的性能铝基复合材料的性能取决于基体合金和增强物的特性、含量、分布等。与基体合金相比,铝基复合材料具有许多优良的性能。具有较低的密度、良好的尺寸稳定性；强度、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。耐磨性高的耐磨性是铝基复合材料(SiC、Al2O3增强)的特点之一。疲劳与断裂韧性铝基复合材料的疲劳强度一般比基体金属高,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。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都难以避免,为了有效降低复合材料的热膨胀系数,使其与半导体材料或陶瓷基片保持热匹配,常选用低膨胀的合金作为基体和采用不同粒径的颗粒制备高体积分数的复合材料。4、铝基复合材料的制备方法铝基复合材料的制备方法有固态法、液态金属法、自生成法以及其它的一些制备方法。固态方法是将铝粉末或铝箔与增强物（纤维，晶须，颗粒）按设计要求以一定的含量、分布、方向混合或排布在一起，再经加压、加热，将铝或铝合金基体与增强物复合在一起，形成复合材料。【1】整个过程处于较低的温度，铝基体与增强物都处于固态。铝基体与增强物之间的界面反应不严重。其包含粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、拉拔法。液态金属法是铝基体处于熔融状态下与固体增强物复合成材料的方法。铝在熔融状态下流动性好，在一定的外界条件下容易进入增强物间隙。为了克服液态铝基体与增强物浸润性差的问题，可采用加压浸渗。金属液在超过某一临界压力时，能渗入增强物诶的微小间隙，形成复合材料。也可通过增强物表面涂层处理使铝液与增强物自发浸润。液态方法制备的时候，制备温度高，容易发生比较严重的界面反应，有效控制界面反应是液态法的关键。液态法可用来直接制造复合材料的零件，也可用来制造复合丝，复合带，锭坯等作为二次加工成零件的原料。挤压铸造法，真空吸铸、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法、搅拌复合法等均属于液态法。自生成法制备是在铝金属通过加入反应物质，或者通入反应气体在液态金属的内部进行反应，产生微小的固态增强相。通过控制工艺参数获得所需的增强物的含量和分布。别的方法还有复合涂镀法，将增强物（主要是细颗粒）悬浮于镀液中，通过电镀或化学镀将金属与颗粒同时沉积在基板或零件表面，形成复合材料层。也可用等离子、热喷镀将金属与增强物同时喷镀在底板上形成复合材料。其会形成复合涂层，提高耐磨性，耐热性等作用。表四材料的耐磨性比较磨痕宽度/mm材料稀土铝硅合金66-12Al2O3纤维-铝SiC颗粒-铝高镍奥氏体铸铁最大1.94751.5000.94251.1670最小1.84761.3250.8651.1275平均1.8971.4120.90371.14726、纤维增强基铝基复合材料纤维增强铝基复合材料包括长纤维增强铝基复合材料和短纤维增强铝基复合材料。长纤维又叫连续纤维。一般情况下，短纤维增强铝基复合材料的力学性能不如连续纤维增强铝基复合材料，但其价格便宜。纤维增强铝基复合材料既可用固态法，也可用液态法来制备。长纤维增强铝基复合材料长纤维对铝基体的增强方式可以以单向纤维、二维织物和三维织物存在。长纤维增强铝基复合材料主要有：Bf/Al等硼纤维是在钨或碳丝化学气相沉积而形成的单丝，直径较粗（100-140微米），因而在工艺上比较容易制造。硼纤维增强铝基复合材料是长纤维复合材料中最早研究成功和应用的金属基复合材料。硼-铝复合材料的拉伸强度和弹性模量均明显高于基体，切纤维含量越高，其拉伸强度越大。该复合材料的性能的优越性在高温时尤为突出，在高达500度的高温，其纵向拉伸强度还有500MPa。硼-铝复合材料中纤维直径、纤维方向和铺层方式对材料的性能有很大的影响。其热膨胀系数主要取决于硼纤维的热膨胀性。由于纤维的纵向热膨胀系数与基体的热膨胀系数的差别较大，因此在界面上会产生较高的残余应力。碳纤维铝基复合材料，由于碳纤维密度小，具有非常优异的力学性能，是目前可做金属基复合材料增强物的高性能纤维中价格最便宜的一种，因此引起了人们广泛的注意，他们与很多金属基体结合，制成了高性能的金属基复合材料，其中最多的便是铝基体，但是由于碳纤维的浸润性比较差，高温下相互之间容易发生化学反应，生成严重影响复合材料性能的化合物。碳纤维铝基增强复合材料的制造方法主要有三种：扩散结合，热压法；挤压铸造；液态金属浸渍法。在目前所采用的制造方法中，由于制造工艺复杂，成本昂贵，影响了纤维增强金属基复材料的应用。但压力铸造在一定意义上是一种具有发展潜力的工艺方法，这种方法工艺简单，成本低，通用性强。碳纤维对复合材料的力学性能影响很大。不同来源的碳纤维，其性能有所不同。并且均需要石墨化。碳化硅纤维【3】除了具有优异的力学性能之外，在高温具有良好的抗氧化性能，与硼纤维和碳纤维相比，在较高温度下与铝的相容性较好。因此，他成为铝或铝合金的比较好的增强物。目前碳化硅纤维分为有芯和无芯两种，有芯碳化硅纤维以钨丝或碳丝作芯经化学气相沉积制备，是直径较粗的单丝，纤维上残留的游离碳少，含氧量低，与铝不易反应，在工艺上制造复合材料相对容易，是铝基复合材料较好的增强物。无芯碳化硅纤维由聚碳硅烷有机物热处理而得，一束多丝，单丝直径细，纤维中残留有较多的游离碳和氧，因此与化学气相沉淀法得到的碳化硅纤维相比，较易与铝反应，生成有害的反应产物，制作复合材料较直径粗的单丝困难。碳化硅纤维增强铝基复合材料具有高的抗拉强度，抗弯强度和优异的耐磨性。通常采用熔融浸润法、加压铸造法和热压扩散粘结法制造。基体铝经碳化硅纤维增强后，纤维方向抗拉强度非常高，弹性模量也显著提高，在一定温度范围内随温度升高强度降低不太大。短纤维增强铝基复合材料与长纤维相比，短纤维增强铝基复合材料具有增强体来源广、价格低、成形性好等优点，可采用传统的金属成形工艺。而且材料的性能是各向异性的。可用作铝基复合材料的增强物的短纤维有氧化铝、硅酸铝和碳化硅等。氧化铝纤维是晶态的，成分是三氧化二铝，并可以根据需要添加其他氧化物。硅酸铝纤维有晶态和非晶态两种。莫来石纤维属于晶态硅酸铝纤维。非晶态硅酸纤维中SiO2的含量超过化学计量。氧化铝和硅酸铝短纤维增强铝基复合材料的室温拉伸强度并不比基体高，但他们的高温强度明显高于基体，弹性模量在室温和高温都有较大的提高，热膨胀系数减小，耐磨性能得到改善。铝基复合材料的应用【4】在汽车领域的应用：用铝基复合材料制备了发动机活塞。颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘,使其重量减轻,而且提高了耐磨性能,噪音明显减小,摩擦散热快;还可用颗粒增强铝基复合材料制造汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件。用铝基复合材料制成的汽车齿轮箱在强度和耐磨性方面均比铝合金齿轮箱有明显的提高。铝合金复合材料也可以用来制造刹车转子、刹车活塞、刹车垫板、卡钳等刹车系统元件。铝基复合材料还可用来制造汽车驱动轴、摇臂等汽车零件。在航空航天领域的应用：现代科学技术的发展,对材料性能提出了越来越高的要求,特别是航空航天领域要制造轻便灵活、性能优良的飞机、卫星等，铝基复合材料恰能满足这方面的要求。公司采用熔模铸造工艺研制成复合材料,用该材料代替钛合金制造直径达、重的飞机摄相镜方向架,使其成本和重量明显降低,导热性提高。同时该复合材料还可用来制造卫星反动轮和方向架的支撑架。在电子和光学仪器中的应用：铝基复合材料,特别是增强铝基复合材料,由于具有热膨胀系数小、密度低、导热性能好等优点,适合于制造电子器材的衬装材料、散热片等电子器件。颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数完全可以与电子器件材料的热膨胀相匹配,而且导电、导热性能也非常好。在精密仪器和光学仪器的应用研究方面,铝基复合材料用于制造望远镜的支架和副镜等部件。另外铝基复合材料还可以制造惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等许多精密仪器和光学仪器。在体育用品上的应用：铝基复合材料可以代替木材及金属材料来制作网球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆和滑雪板等。用颗粒增强铝基复