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1颗粒增强铝基复合材料的研究专业:金属材料工程班级:09-1姓名:孟XX学号:09XXXXXX2颗粒增强铝基复合材料的研究摘要:综述了颗粒增强铝基复合材料的研究现状,从基体、增强体的选择,铝基复合材料的制备方法,影响复合材料性能的因素和改善措施等方面进行阐述,并指出了该复合材料的研究方向和发展前景。关键词:颗粒;铝基复合材料;制备方法;润湿性;分布铝基复合材料,就是在铝或铝合金中加人其他材料而形成的一种具有金属特性的材料,其中前者是复合材料中的基本材料称为基体材料,后者为添加材料称为增强材料或增强体。颗粒增强铝基复合材料是21世纪最有发展前途的先进材料之一,以其高比强度、高比刚度、高比模量、低密度及良好的高温性能、更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低、导电性能良好等优良的综合力学性能和使用性能。其中弥散增强的铝基复合材料,不仅各向同性特征突出,而且可加工性强、价格低廉以及无高分子复合材料常见的老化、高温蠕变现象和在高真空条件下不释放小分子的特点,这克服了树脂基复合材料在航空领域中使用时存在的缺陷,更是受到复合材料工作者的广泛关注。在航空航天、先进武器系统、汽车、电子封装及体育器材等领域都显示出广阔的应用前景,因此,颗粒增强铝基复合材料已成为铝基复合材料研究领域中最重要、最常用的材料之一。从理论上分析,颗粒越小,复合材料的弥散强化作用越好,复合材料的性能越佳。如果粒径太小,将导致材料在制备时由于铝合金溶液的粘度大,使得颗粒在液态铝合金中不易分散开来,造成复合材料整体不均与,而且界面反应也不易控制;颗粒太大,将会由于颗粒自重产生沉降或上浮,造成严重的铸造偏析,影响铝基复合材料的力学性能。所以,应选择大小合适、密度相当的颗粒,才能使其发挥良好的弥散增强效果,颗粒尺寸通常选取5~20μm。在制备复合材料过程中,颗粒数量太少,则起不到良好的增强作用;太多又容易聚集成团,使铝基复合材料变得疏松,颗粒与颗粒之间的结合不牢固,也可能引起基体的连接受阻,导致作用力不强,使得铝基复合材料的致密度不高。当材料受到载荷时,颗粒在缺陷处易脱落,通常成为材料的裂纹源,从而降低了材料的性能和缩短了材料的使用寿命。所以,在通常情况下,外加颗粒的含量应在0vol%~25vol%。31铝基复合材料的选择与制备1.1基体材料的选择作为铝基复合材料的基体,纯铝或铝合金都可以,其中大部分基体材料采用铝合金,而是铸造铝合金。虽然铸造铝合金的力学性能不如变形铝合金,但铸造铝合金具有良好的铸造性能,可通过二次成型制成性质复杂的零件,不需要庞大的加工设备,并具有节约金属、降低成本、较少工时等优点。同时也是根据铝基复合材料的制备方法考虑,有些方法需要二次再成型,因此采用铸造铝合金能突出它的优势。铝合金根据铝之外的元素可分为:Al-Si、Al-Mg、Al-Cu、Al-Zn和铝稀土合金等,其中以Al-Si应用最为普遍。根据在不同环境下使用和所需铝合金的各方面的性能的要求,综合考虑各方面的因素对基体材料进行选择。例如:有些需要铝合金能耐受住较高的温度,很长一段时间铝合金不变形;有些需铝合金可进行热处理强化,因为此时合金的固溶扩散系数和界面能最小,能减少铝基复合材料的组织粗化和有害的界面反应;有些需要铝合金具有良好的铸造和加工性能;有些则出于对铝合金力学性能的考虑等。选择合适的基体材料与增强体材料进行搭配,主要目的是为了获得力学性能良好的铝基复合材料,但是,选择基体材料时,并不是基体材料强度越高,制得的铝基复合材料的力学性能就越好。比如,在C纤维增强铝基复合材料中,用纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体,就比用高强度的铝合金作基体制得的铝基复合材料的性能要高。反之,用高强度铝合金作基体制得的C纤维增强复合材料的性能却更低。因此,只有选择的基体材料和增强体合理搭配时,两种材料融为一体,各自发挥其自身的优势,而且彼此之间不产生冲突,优势互补,才能削弱单独使用时的缺点,以提高铝基复合材料的性能。1.2增强体的选择增强材料主要有纤维、晶须和颗粒,其中以颗粒增强铝基复合材料是最为成熟的,在国外,部分颗粒增强铝基复合材料已有大批量生产,尤其以SiC、Al2O3为主,且效果良好。增强体的选择和基体材料的选择类似,根据所需铝基复合材料的性能和用途进行选择,而且也要综合考虑增强体和基体材料之间各方面的因素,如结合状态、界面反应和润湿性等。一般情况下,增强体材料的选择需具备4基体材料不具备的特殊性能,如高强度、高硬度、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。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。1.3制备方法及工艺参数自20世纪60年代以来,颗粒增强铝基复合材料的制备工艺不断得到改进,因为颗粒和基体合金的种类、物理化学性质的不同,铝基复合材料的制备方法很多,分类方式也不尽相同。按颗粒的加入方式来分,较为成熟的制备方法主要有搅拌熔铸法、粉末冶金法、挤压铸造法和喷射沉积法等。1.3.1搅拌熔铸法搅拌熔铸法是通过机械搅拌使增强体颗粒与液态或半固态的铝合金复合均匀,然后浇注成型。此方法能够克服热力学表面障碍以及利用搅拌器获得足够大的剪切力,减小颗粒与颗粒、颗粒与铝合金之间的粘滞阻力的作用,而且所需设备及工艺要求相对简单,便于工业化生产,对颗粒种类和尺寸没多大要求,操作简单,5制造成本低,生产效率高,几乎可制造各种复杂形状的零部件,是到目前用得最多、最受重视的铝基复合材料的制备方法。但是,采用搅拌熔铸法制备铝基复合材料,则必须解决4个主要的问题:增强体颗粒与铝合金溶液的润湿性差;增强体颗粒在铝合金溶液中分布均匀较为困难,导致组织不够致密,气孔、夹杂等缺陷增多;增强体颗粒与铝合金溶液在高温状态下发生过多的有害界面反应,生成物本身也可能是脆性相,降低铝基复合材料的性能,而且由于反应也有可能会破坏颗粒的完整性;在搅拌和浇注成型过程中不可避免的有气体和夹杂物混入,由于合金溶液的粘度冷却速度的影响,使得气体和夹杂不易排出,基于种种不利因素存在,使得制备出的铝基复合材料各方面性能不甚理想。因此,可在搅拌过程中通入保护气体或对炉内进行抽真空处理,避免了气体夹杂物的污染。例如,在真空环境,袁广江等采用搅拌熔铸法制备了20vol%SiC颗粒增强A365基复合材料,测得铝基复合材料的屈服强度、弹性模量、耐磨性都明显比基体铝合金要高,膨胀系数减小;并向铝合金溶液中加入8wt%Mg、2%Ce等活性元素,以改善SiC颗粒与铝液间的润湿性能。由于Mg的加入,还可有效减少有害的界面反应,增强增强体和合金的润湿性,并取得良好的实验效果。1.3.2粉末冶金法粉末冶金法是最早用来制造金属基复合材料的方法,而且一般是制备高熔点难成型的金属材料。此方法先选取合适粒径大小的铝合金粉末和增强体颗粒的品种,然后混合均匀,冷压固结、除气、在一定温度下热压烧结及后续加工处理制得而成。由于粉末冶金法比搅拌熔铸法制备铝基复合材料的温度更低,铝合金与颗粒的界面反应大大减弱;增强体粒度和体积比可以大范围调整,甚至最细小的增强体颗粒可小到1μm。因此可以较准确的控制材料的成分,理论上可以任意调节增强相的比例,从而大幅度降低了材料的热膨胀系数,提高铝基复合材料的弹性模量。Polese公司采用全自动的工艺操作和精确的数控技术对混合粉末进行机械压制或静水压制,把净成型坯体进行烧结,50vol%~70vol%SiP颗粒增强铝基复合材料的成型生产,这是其他方法不能达到的比例。但该方法也存在一些缺点,如:生产工艺过于复杂,成本较高、制备周期长,而且在制备过程中,铝合金粉末与增强体颗粒混合不均而影响热压烧结,降低材料的致密性。压制过程中易产生气孔,烧结温度选择不当易造成偏析,影响材料的微观组织结构和力学性能。此外,该方法需对制件进行二次成型加工,所制得的复合材料的体积和形状受到6一定限制。1.3.3挤压铸造法挤压铸造是先将增强体颗粒通过一定的方式粘结制成所需形状的增强体预制件,将增强体预制件放在压膜中,然后将液态的铝合金溶液浇入到压膜中,并施加一定的压力,使溶液渗透到预制件的间隙或孔隙中,自然冷却成型制成所需形状的铝基复合材料。预制件和压膜事先都得加热到一定的温度,进行预热处理,防止铝合金溶液在预制件中过早冷却,使得溶液挤不进去,压力过大又容易造成预制件的损坏,影响铝基复合材料的质量。该工艺的主要优点:制出的复合材料与预制件的形状相同或相近;挤压铸造时,铝合金溶液冷却速度快,合金溶液与预制件在高温状态下接触时间短,可以减轻有害的界面反应;增强体颗粒的体积分数调整范围大。但该工艺最大的缺点就是增强体预制件的制成较为困难,尤其是形状复杂的预制件,而且挤压的过程中,所需的压力也较大,否则合金溶液不易挤进去,但压力过大,又易造成预制件的破坏,因此需合理的控制挤压铸造时压力的大小。1.3.4喷射沉积技术喷射沉积成型技术是一种新型的快速凝固技术,在基体铝合金雾化的同时,加入增强体粉末,使铝合金粉末和增强体粉末混合共同沉积在收集器上,以此制成铝基复合材料。该技术以其冷却速度快,因而在很大程度上避免了基体铝合金与增强体颗粒的有害界面反应和铸造过程中普遍存在的宏观偏析现象,使铝基复合材料的内部结构具有等轴晶组织和良好的力学性能,并于20世纪70年代快速发展起来。该工艺有几大优点:生产周期短,成型速度快;基体铝合金与增强体颗粒接触时间短,减少界面反应,改善界面结合状态。但也存在一些弊端:在雾化混合喷射沉积过程中,增强体颗粒分布不均匀;设备昂贵、制造成本高、增强体颗粒利用率低,且制得的铝基复合材料的致密度不高。袁武华等通过喷射共沉积制备了SiP/7079铝基复合材料,并对收集器上沉积的复合材料进行挤压和热处理,并用扫描扫描电镜观察了材料的微观组织和对其进行了力学性能的测试研究。2搅拌法对复合材料性能的影响因素及改善方法2.1增强颗粒与基体的润湿性当液、固两相之间的黏附力大于液体内聚力时,将迫使液/气界面与液/固界7面间的夹角小于90°,这时就达到固相和液相润湿,反之则不润湿。基体铝合金与增强体颗粒之间的润湿性好坏很大程度上直接影响铝基复合材料的力学性能,因此改善润湿性是制备铝基复合材料的关键。然而,对于大多数增强体颗粒而言,润湿性能都比较差,再加上高温状态时,氧化铝薄膜的阻挡,造成增强体颗粒加入更困难,分散不均匀,即使加进去也不能充分分散开,甚至会导致颗粒与铝合金溶液分层,浇注时会产生严重的偏析。一般情况下,颗粒表面都会吸附一定气体、氧化物等杂质,因此,增强体颗粒加入之前必须进行预处理,否则会影响材料的性能和润湿性。改善润湿性的主要措施:①化学镀或电镀的方法在增强颗粒表面镀上一层与基体合金润湿性良好的金属,如,Ag与Al有很
本文标题:颗粒增强铝基复合材料的研究
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