外加颗粒增强铝基复合材料 - 图文

外加颗粒增强铝基复合材料

度、高弹性模量、高耐磨性、低密度和良好的化学稳定性，或者选择具有探索研究价值的增强体。

国外对铝基复合材料的研究起于20世纪60 年代，且仅局限于连续纤维增强铝基复合材料，主要是用来解决航空航天等关键技术领域所使用结构材料的性能问题，当时主要以聚合物类纤维材料为主。虽然该类纤维材料的性能优异，但成本太高，不耐高温，高温工作时会发生蠕变现象导致复合材料性能不够稳定，且纤维制备较困难，以致于该类纤维材料的发展和应用受到一定限制。但也有些纤维材料，如B、SiC、Al2O3和 C 纤维在某些特定的研究领域还具备研究价值及发展潜力。由于纤维增强体材料的限制，更促进了颗粒增强铝基复合材料的发展，而且颗粒增强铝基复合材料的制备成本相对较低 / 工艺简单，制得的铝基复合材料具有各向同性、微观结构无差别和易于二次加工，因此颗粒增强铝基复合材料的研究成为研究工作者的首选，并逐渐趋于成熟，而且制备方法也不尽相同。目前，增强颗粒的种类主要有 SiC、Al2O3、TiC、Si3N4、B4C和石墨等。其中以 SiC 和 Al2O3颗粒的研究最为普遍，且应用范围越来越广[26]。Tamer 等研究了体积分数离散型分布的 SiC 颗粒增强铝基复合材料，并在扫描电子显微镜下观察其微观结构，分析颗粒增强对铝基复合材料力学性能的影响。白朴存等[27]研究了应用挤压铸造法制备极微小粒径的Al2O3颗粒增强铝基复合材料，利用高分辨率透射电镜观察金相组织和界面结构， 并从晶体学的角度对界面的形成机制和对材料的有无伤害作用进行研究。 3.3 SiC 颗粒的结构及性能 3.3.1 SiC 的结构和性质

SiC 为强共价键化合物，其晶体结构由 Si-C 四面体组成的，Si原子处于四面体的中心，C 原子处于四面体的顶角，四面体排列形成六方层状，六方层状排列方式的多样性形成了 SiC 的多形体。SiC 的硬度仅仅次于金刚石和碳化硼,排在第三位。 3.3.2 SiC材料的特性

密度3.2g/cm，熔点2700℃，膨胀系数4×10/℃，弹性模量450GPa，弯曲强度400～500MPa。SiC的比刚度大，则单位载荷引起结构的变形小，尺寸稳定性好。SiC具有良好的热传导性能，当环境温度变化时，SiC材料内部很容易达到温度的平衡，不会引起很大 的内应力，对环境适应能力强，寿命长。 3.3.3 颗粒增强铝基复合材料性能优势

研究发现，增强颗粒的加入明显影响材料的力学和物理性能。颗粒增强物的加入不仅大幅度提高材料的强度和弹性模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强物的

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含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种应用的要求。对于 SiC 颗粒增强的铝基复合材料，金属基体占有很高的体积百分数，因此仍保持金属所具有的良好的导热和导电性，其导热性能与普通合金相当。但 SiC 颗粒的加入在提高强度和弹性模量的同时，降低了材料的塑韧性。

材料的比模量(E/ρ)是航空航天结构轻量化设计的关键。高比模量材料可实现结构系统的轻质和刚度稳定，有效满足结构轻量化要求。材料的模量是决定零件或构件振动频率的重要因素，并与材料的疲劳寿命直接相关。铝基复合材料的比模量[(3.5～4.0)×1010m2/s2］远高于包括铝合金、钛合金、镁合金、镍基高温合金以及钢等传统结构材料［(2.5～3.2)×1010m2/s2］，介于纤维树脂基复合材料纵向与横向性能之间(图5)。

高性能铝基复合材料是实现先进飞行器轻量化的理想材料。美国 DWA公司研制的SiCp/Al 结构复合材料规模应用于飞机、直升机等承力关键结构件就证实了这一点。航空航天的许多应用场合包括卫星与有效载荷的光机仪表结构件和功能件、导弹与卫星的导航系统等均要求材料同时具有抵抗机械载荷和热载荷产生变形的能力。机械变形抗力取决于材料的比模量、零件的形状和加载方式，材料的比模量越大，变形抗力越大。热变形抗力取决于材料的线胀系数α和热导率μ,α较小,构件的变形小;λ较高，构件的温度梯度小，产生的热应力小;因此,λ/α值越大,更有利于减小构件在热载荷作用下的变形。综合对比空天领域光机仪表结构与功能件上可能使用的各种金属、陶瓷及复合材料的 E1/2/ρ和λ/α表明(图6)，铝基复合材料制造光机、仪表系统的结构件和功能件具有显著的优势。

图 5颗粒增强铝基复合材料(DRA)与传统金属合金、纤维增强铝基、钛基复合材料和纤维增强树脂基复合材料的比强度和比模量对比

Fig.5 Space stiffness vs spacific strength for structural materials including DRA，conventional aerospace

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metals，fiber-reinforced Al［Al(f)］and Ti［Ti(f)］and aerospace organic matrix composites are shown

图 6铝基复合材料(Al-MMCp)与铝、钛、镁、铍、钢等合金,氧化铝、氮化硅、碳化硅、金刚石等陶瓷以及颗粒增强钛基复合材料和纤维树脂基复合材料的 E/ρ 和λ/α的比较

Fig.6 Materials selection chart for resistance to mechanical (vertical axis) and thermal(horizontal axis) distortions required for precision devices

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应用于空间飞行器通讯微波装置、雷达仪器板、高功率密度微处理器基板等器件的热管理材料不仅要求材料高导热、低膨胀,而且要求材料的密度小,图7比较了铝基复合材料与传统热管理材料的性能,可以看出,铝基复合材料克服了Kovar合金的高密度和导热性能差、铝合金的线胀系数高、Be/BeO 的毒性等常用热管理材料应用于空间环境的性能不足,自身表现出显著的综合性能优势，并已在航空航天领域得到规模应用。

图 7 DRA 与传统的热管理材料的性能比较

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Fig.7 Materials selection chart for thermal management applications

颗粒增强铝基复合材料，作为主要金属基复合材料之一，创新性展现了材料性能的可设计性和性能优势，克服了单一材料性能调整的局限性，实现了满足工程应用的性能延伸，对材料科学发展和满足工程领域的应用需求具有重要的意义。 3.4 材料制备过程中存在的问题及解决方法 3.4.1 SiC颗粒与铝液的润湿性问题

搅拌铸造法复合工艺是液态金属基体和固相增强体颗粒相互作用而实现的，两者之间的润湿性是能否实现复合、是否容易复合、复合后结合是否良好的关键因素之一。润湿性就是液体在固体表面上自动展开的能力，润湿程度可用两者之间的接触角表示，平衡时：

γSV =γSL+γLVcosθ （1）

式中：γ为表面能,角标 S、L 和 V 分别表示固体、液体和气体。

随着润湿角的增加，液体对固体的润湿性减小。通常，当θ<90°时，定义为润湿，反之则为不润湿。

大量研究结果表明，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺中，碳化硅颗粒与铝合金基体互不湿润。碳化硅增强颗粒与熔融铝基合金之间，难以润湿的原因在于熔融铝合金的表面张力比较大。除此之外，SiC 颗粒表面的原始状态，如吸附气体、氧化膜等均使润湿角增大；固相表面粗糙度将使润湿角减小；固相或液相之间的夹杂或相与相之间的化学反应所造成的产物都将影响润湿性。根据上述分析，可采用如下措施改善基体及增强体的润湿性。

a.采用高温加热、超声波震荡、真空处理及激光处理等方法对增强颗粒进行表面处理，以除去其表面吸附的气体、有机物及水分，促使SiC与铝熔液的润湿。

SiC颗粒表面常常吸附一层有机物、气体和水分,大大降低了SiC颗粒与基体合金之间的润湿性，而且这些杂质在熔液中还会与铝熔体发生化学反应，主要反应如[28]下：

Al (l)+

34O2(g) →Al2O3 (2)

321212 Al (l)+H2O（g）→Al2O3(γ)+3[H] (3)

4m3Al+CmHn→

m3Al4C3+H2 (4)

n2这些反应的生成物Al4C3和H2存在于熔体中破坏了复合材料的性能,对SiC颗粒进行高温预处理除去杂质，形成连续致密的SiO2氧化层。在复合材料的制备过程中，SiO2与铝熔液发生反应有利于提高润湿性[29]:

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