铝基复合材料

关于铝基复合材料1、综述2、种类及分类3、材料的制备工艺

4、结构与性能5、应用6、实例分析第2页,共50页，星期六，2024年，5月金属基复合材料的综述

金属基复合材料，是在各金属材料基体内用多种不同复合工艺，加进增强体，以改进特定所需的机械物理性能。金属基复合材料在比强度、比钢度、导电性、耐磨性、减震性、热膨胀等多种机械物理性能方面比同性材料优异得多。金属基复合材料(MMCs)有铝基、镁基、钛基、镍基、铁基复合材料等多种,其中尤以铝基复合材料发展最快而成为金属基复合材料中的主流。第3页,共50页，星期六，2024年，5月铝基复合材料基体

铝有许多特点，如质量轻、密度小、可塑性好，熔点低制备工艺简单。

铝基复合技术容易掌握，易于加工，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。第4页,共50页，星期六，2024年，5月常见铝基体（1）工业纯铝（2）铸造冶金变形铝合金（常见有2014、2024、2124

等，且不含Mn、Cr的铝合金，因其产生脆性相）（3）粉末冶金变形铝合金（4）铸造铝合金（5）新型铝合金第5页,共50页，星期六，2024年，5月复合材料增强基

分类：连续的和非连续的纤维、晶须、颗粒

特性：

高强度、高模量、高刚度、抗疲劳、耐热、耐磨、抗腐蚀、热膨胀系数小、导电、导热以及润湿性、化学相容性、易加工等。

铝基复合材料的增强纤维有硼纤维，碳纤维，碳化硅纤维等。第6页,共50页，星期六，2024年，5月铝复合材料的种类与分类铝合金材料可按增强相,铝基体及材料特性三方面进行分类。

按增强体分类：

长纤维增强复合材料

短纤维增强复合材料

颗粒增强复合材料

混合增强复合材料

纳米复合材料

层合复合材料

倾泻复合材料

表面复合材料第7页,共50页，星期六，2024年，5月

变形铝合金基复合材料

铸造铝合金基复合材料

新型铝合金基复合材料

工业纯铝基复合材料

以特性分类

功能复合材料

结构复合材料

智能复合材料以铝基体分类第8页,共50页，星期六，2024年，5月铝基复合材料的制造工艺连续纤维增强铝基复合材料的制造方法：1、粉末冶金法2、高能-高速固结工艺3、压力浸渗铸造工艺4、液态金属搅拌铸造法第9页,共50页，星期六，2024年，5月1、粉末冶金2、搅拌熔铸3、压力铸造4、喷射沉积颗粒增强铝基复合材料的制造方法：纳米管铝基复合材料的制备方法：

1、粉末冶金

2、搅拌铸造

3、熔体浸渍4、原位合成第10页,共50页，星期六，2024年，5月

粉末冶金法

粉末冶金法是最早用来制造铝基复合材料的方法，是一种比较成熟的工艺方法。采用粉末冶金法时，首先将颗粒增强物和铝合金粉末用机械手段均匀混合，进行冷压实，然后加热除气，在液相线与固相线之间进行真空热压烧结，得到复合材料的坯料，在将坯料进行挤压、轧制、锻造、拉拔等二次加工就可制成所要的型材零件。

第11页,共50页，星期六，2024年，5月优点:

可将增强物颗粒和铝合金粉按任意比例混合,而且混合均匀性好,不会出现偏析和偏聚,制备的复合材料机械性能较高。缺点：

粉末冶金法制造工艺及装备复杂,生产成本高。第12页,共50页，星期六，2024年，5月第13页,共50页，星期六，2024年，5月高能-高速固结工艺

优点：

高能量高速度脉冲有利于将冷模中的导电粉体快速加热到指定温度，从而控制相变和组织粗化，这是常规粉末冶金工艺无法实现的。高能-高速固结工艺可使复合材料的相对密度达95%以上。在短时间内使陶瓷颗粒和铝合金粉末的混合物受到高脉流的放电作用后，迅速提高能量，并在较小外力作用下，使之固结成复合材料的工艺。第14页,共50页，星期六，2024年，5月压力浸渗工艺

压力浸渗工艺是先将增强体制成预制件，再将预制件放入模具后，以惰性气体或机械装置为压力媒体将铝液压入预制件的间隙，凝固后即形成复合材料。这种工艺简单，但预制件中的气体不易在凝固前排出而造成气孔与疏松，同时预制件也易产生变形和偏移。第15页,共50页，星期六，2024年，5月液态金属搅拌铸造法

液态金属搅拌铸造法的基本原理是将颗粒增强物直接加入到熔融的铝合金中，通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在基体熔体中，复合成颗粒增强铝基复合材料。复合好的熔体可浇铸成锭坯、铸件等使用。这种工艺简单、生产效率高、制造成本低廉。复合好的铸锭经重熔后，可精密压成各种型材、管材、棒材等。

它是目前最成熟、最具竞争力、也是工业化规模生产铝基复合材料的最主要的方法。第16页,共50页，星期六，2024年，5月铝合金复合材料的结构与性能

碳纤维增强铝基复合材料结构

Ⅰ、用液态浸渍法制备（概念）其铝基中无方向性，表明具有各向异性。Ⅱ、用固态热压法制备（概念）

其铝基中含有纤维，表明具有较高拉伸强度。第17页,共50页，星期六，2024年，5月（一）、长纤维增强铝基复合材料性能

1、硼—铝复合材料特点：有优异的疲劳强度，比强度和比模量高，尺寸稳定性好，线膨胀系数与半导体芯片非常接近。硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱第18页,共50页，星期六，2024年，5月（二）短纤维增强铝基复合材料

特点：在室温和高温下的弹性模量有较大的提高，但线膨胀系数由所下降，耐磨性改善，并具有良好的的导热性。第19页,共50页，星期六，2024年，5月（三）碳—铝复合材料

特点：碳纤维的长度与直径比例对碳—铝复合材料的性能有很大的影响（当长径比增大时，抗拉强度增大，增大到一定值时，抗拉强度又开始减少）第20页,共50页，星期六，2024年，5月（四）晶须和颗粒增强铝基复合材料

特点：优异的性能，制造方法简单，增强体主要是碳化硅和氧化铝。碳化硅：随它的含量增加，抗拉强度和弹性模量都增加氧化铝：比强度和比刚度高。第21页,共50页，星期六，2024年，5月铝基复合材料的应用1、在汽车领域的应用

美国的Duralcan研制出用SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘，用其代替传统铸铁制动盘，使其重量减轻40%~60%，而且提高了耐磨性能，噪音明显减小，摩擦散热快；同时该公司还用SiC颗粒增强铝基复合材料制造了汽车发动了活塞和齿轮箱等汽车零部件，这种汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、良好的耐高温性能和抗咬合性能，同时热膨胀系数更小，导热性更好。第22页,共50页，星期六，2024年，5月

用SiCp/Al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。第23页,共50页，星期六，2024年，5月上个世纪80年代,日本丰田公司成功地用/AlOAl32复合材料制备了发动机活塞,与原来的铸铁发动机活塞相比,重量减轻了5%~10%,导热性提高了4倍。第24页,共50页，星期六，2024年，5月

2、在航空航天领域的应用

Cercast公司采用熔模铸造工艺研制成A357

SiC20%Vol+复合材料，用该材料代替钛合金制造直径达180mm、重17.3kg的飞机摄相镜方向架,使其成本和重量明显降低,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。美国DWA公司用6061SiC25%p（这是什么怎么念）铝基复合材料代替7075制造航空结构的导槽、角材，使其密度下降了17%，模量提高了65%。第25页,共50页，星期六，2024年，5月

铸造SiC颗粒增强A356和A357复合材料可以制造飞机液压管、直升机的起落架和阀体等。第26页,共50页，星期六，2024年，5月

铝基复合材料,特别是SiC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。SiC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。

IBM公司2004年第2期黄永攀等：铝基复合材料的性能、应用及制造工艺就是利用其上述性能，在MCMs器件中使用该种材料封装和改进冷却系统结构，使其工作时产生的热量迅速扩散，提高了元件的有效性。3、在电子和光学仪器中的应用第27页,共50页，星期六，2024年，5月

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。第28页,共50页，星期六，2024年，5月

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。第29页,共50页，星期六，2024年，5月

4、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SiC颗粒增强铝基复合材料制作的自行车链齿轮重量轻、刚度高、不易挠曲变形,性能优于铝合金链齿轮。第30页,共50页，星期六，2024年，5月发展趋势

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,并列入规模化生产的行列,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,将是今后的工作重点。第31页,共50页，星期六，2024年，5月

背景介绍1

实验材料2

实验结果3

讨论分析4☞实例:碳纳米管增强铝基复合材料的制备及表征

实验结论5

存在问题6第32页,共50页，星期六，2024年，5月背景介绍碳纳米管应用范围：锂离子电池、超级纤维、场发射器、复合材料、超级电容器等。、、、碳纳米管增强铝基复合材料特点：密度低、高强度、抗氧化性好和耐腐蚀等。制备方法：粉末冶金、搅拌铸造法、熔体浸渍法、原位合成法碳纳米管：Iijima（饭岛澄男）教授于1991年首次发现碳的第五种同素异形体。碳纳米管是由单层或者多层石墨片卷曲而成的几何无缝石墨管。每层纳米管是由碳原子通过sp2杂化结构与周围3个碳原子完全键合而成的六边形平面围成的圆柱面，两端由五边形或七边形组合封闭。高模量，高强度，而密度低；极好的塑性变形能力，其弹性应变可达5％，甚至达到12％，约为钢的60倍。第33页,共50页，星期六，2024年，5月十二烷基硫酸：阴离子表面活性剂。易溶于水，与阴离子、非离子复配伍性好，

具有良好的乳化、发泡、渗透、去污和分散性能。差热分析仪：测量与材料内部热转变相关的温度、热流的关系，应用范围非常广，特别是材料的研发、性能检测与质量控制。差示扫描量热仪应用范围:高分子材料的固化反应温度和热效应、物质相变温度及其热效应测定、高聚物材料的结晶、熔融温度及其热效应测定、高聚物材料的玻璃化转变温度。Al4C3：生成温度在550℃到600℃，一般为针状或片状，大量存在，会恶化基体的性能。从差热图上可清晰地看到差热峰的数目、高度、位置、对称性以及峰面积。峰的个数表示物质发生物理化学变化的次数，峰的大小和方向代表热效应的大小和正负，峰的位置表示物质发生变化的转化温度。在相同的测定条件下，许多物质的热谱图具有特征性。因此，可通过与已知的热谱图的比较来鉴别样品的种类。理论上讲，可通过峰面积的测量对物质进行定量分析，但因影响差热分析的因素较多，定量难以准确。第34页,共50页，星期六，2024年，5月

实验材料第35页,共50页，星期六，2024年，5月

实验过程1.MWCNTs表面处理：用蒸馏水清洗，然后在63%的硝酸溶液中，用超声波处理4h，过滤后用NaOH溶液经行中和，然后在110℃的干燥炉中保温2h，随后在十二烷基硫酸钠溶液中，用超声波处理4h，最后过滤碳纳米管，并在110℃条件下，保温2h。2.复合材料的制备：将MWCNTs和铝粉末在水平混合机中经行机械混合2h，然后用25吨的液压机经行压制，烧结（每分钟10℃升到580℃），然后以每分钟3℃冷却到室温，最后在室温条件下，用25吨的液压机经行挤压。平均形变率0.81，挤压比为2.25。目的是将铝基体表面的CNTs嵌入铝粉内部，进一步提高CNTs的分散性。第36页,共50页，星期六，2024年，5月Fig2.DSCspectrumsforAL-MWCNTssinteredat580℃Fig3.DSCspectrumsforAL-MWCNTssinteredat520℃第37页,共50页，星期六，2024年，5月

实验结果密度：基于阿基米德原理测得挤压Al-MWCNT和Al的密度，密度梯度沿样品长度方向发现Al-MWCNT的密度随着MWCNT比重增加而增加。第38页,共50页，星期六，2024年，5月压制-烧结-挤压(Al-MWCNT)喷射沉积(6066Al/SiCP)第39页,共50页，星期六，2024年，5月微观结构晶粒、碳纳米管、挤压方向第40页,共50页，星期六，2024年，5月力学性能显微硬度及单向拉伸，如图单向拉伸---应力与应变图第41页,共50页，星期六，2024年，5月断面图

结果讨论

Al-MWCNT的性能显示：采用粉末压制-烧结-挤压工艺是可行的，强度和弹性模量随着碳纳米管的增加而增加。SDS能促进碳纳米管的分散，作用显著。George等提出下面三种强化机制：1.thermalmismatch；2.Orowanlooping；3.shearlagtheory

Shearlagmode：在某一局部范围内，剪力所能起的作用有限，所以正应力分布不均匀，把这种正应力分布不均匀的现象叫剪切滞后。这一理论可以用于描述碳纳米管在铝基中的刚化效应。

第42页,共50页，星期六，2024年，5月Al-MWCNT的杨氏模量Ef

和Em分别是MWCNT、Al的杨氏模量，s是MWCNT的长径比。Vf是增强相的体积，Vm是铝基体的泊松比。将通过应力-应变曲线的斜率及剪切滞后模型所得到的杨氏模量（见右图）经行对比，通常，保守的上限剪切滞后理论高估杨氏模量达到12%。作者的观点：1.MWCNT处于纳米尺度，对于指定含量（增强体）的情况下，硬质颗粒越小，导致的加工硬化越明显。2.由于MWCNT与铝基体的热膨胀系数不同，在冷却过程中，复合材料中存在很大的内应力，当内应力超过铝基体的屈服强度时，就会使基体发生塑性变形，产生大量位错，导致复合材料的硬度、强度增加。另一方面，通过XRD测得Al和Al-MWCNT(0.5,1.0,and2.0wt%)的晶面间距分别为2.3393A，2.32522.3235,和2.3194A，碳纳米管的存在，导致了晶格畸变，导致强度得到提高。3.奥罗万机制：碳纳米管阻碍了位错的运动，并导致位错弯曲，增殖。同时产生派纳力，进一步阻碍了位错的运动，最终导致屈服强度的增加。但是烧结之后的冷挤压使得使用奥罗万机制直接解释铝基复合材料的强度出现困难。第43页,共50页，星期六，2024年，5月1.通过压制-烧结-挤压工艺成功制备出0.5，1.0，2.0wt%Al-MWCNTs及纯铝近净试样；2.合理控制烧结温度可以避免出现中间化合物，烧结温度为580℃时，微观组织中出现了Al4C3，烧结温度为520℃时，没有发现铝碳化合物3.Al-MWCNTs的强度与硬度随着MWCNT含量的增加而增加，与纯铝相比，当添加2.0wt%的MWCNTs时，屈服强度及抗拉强度提高了90%。

实验结论第44页,共50页，星期六，2024年，5月Al-MWCNTs研究目前存在的问题和解决问题方法1.碳纳米管在铝基体中的分散问题碳纳米管密度小、高长径比、比表面能高，采用传统的液相法或固相法时CNTs极易偏聚或团聚，从而制备出的该复合材料性能低。所以为了有效提高材料性能，关键的步骤就是提高碳纳米管的分散性，或使其呈束状分布，避免碳纳米管在铝基体中团聚形成弱相。因为弱相易引发断裂、脆性界面，尤其是当碳纳米管在铝晶界处发生团聚时．使得晶界处强度降低，从而降低了复合材料性能。

第45页,共50页，星期六，2024年，5月

目前解决的方法：①原位合成法：主要是以化学气相沉积法为主，在金属基底上直接生长碳纳米管。该方法在制备碳纳米管的同时分散碳纳米管，而且使