铝基复合材料综述

铝基复合材料综述XXXXXXXXXXX摘要铝基复合材料凭借密度小、耐磨、热性能好等优点在航天航空等领域占有优势地位。文中综述了铝基复合材料的种类、铝基复合材料性能、各种铝基复合材料的制备和应用以及发展前景。关键词铝基复合材料种类性能制备应用AbstractAl-basedalloyshaveadvantagesinthefieldoftheaerospacebytheadvantagesofsmalldensity,anti-function,goodthermalperformanceandsoon.Thisarticlediscussedthekinds,performance,approach,useanddevelopmentprospectofAl-basedalloys.KeywordsAl-basedalloyskindperformanceapproachuse1.引言自20世纪80年代金属基复合材料大规模研究与开发以来，铝基复合材料在航空，航天，电子，汽车以及先进武器系统等领域得到迅速发展。铝基复合材料的制备工艺设计高温、增强材料的表面处理、复合成型等复杂工艺，而复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于其制造技术。因此，研究和开发心的制造技术，在提高铝基复合材料性能的同时降低成本，使其得到更广泛的应用，是铝基复合材料能否得到长远发展的关键所在。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。2.铝基复合材料分类按照增强体的不同,铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高,尺寸稳定性好等一系列优异性能,但价格昂贵,目前主要用于航天领域,作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件;此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等。3.铝基复合材料的基本成分铝及其合金都适于作金属基复合材料的基体，铝基复合材料的增强物可以是连续的纤维，也可以是短纤维，也可以是从球形到不规则形状的颗粒。目前铝基复合材料增强颗粒材料有SiC、AL2O3、BN等，金属间化合物如Ni-Al，Fe-Al和Ti-Al也被用工作增强颗粒。4.铝基复合材料特点在众多金属基复合材料中，铝基复合材料发展最快且成为当前该类材料发展和研究的主流，这是因为铝基复合材料具有密度低、基体合金选择范围广、热处理性好、制备工艺灵活等许多优点。另外，铝和铝合金与许多增强相都有良好的接触性能，如连续状硼、AL2O3\、碳化硅和石墨纤维及其各种粒子短纤维和晶须等。4.1低密度铝基复合材料低密度的性能符合先进航空航天飞行器不断追求轻量化、高性能化、长寿命、高效能的发展目标，因此在该领域有着极大的发展潜力。4.2良好的尺寸稳定性随着航天技术的发展，为满足惯性材料的尺寸稳定性要求越来越高，世界各国都在竞相开发适用于惯性器件的新材料。美国曾于70年代使用铍材令陀螺仪表的精度提高一个数量级。但陂材具有“毒，贵，脆”等缺点，使其应用受到局限。80年代初，美国使用SiCp/Al复合材料，被认为是很有前途的仪表材料。4.3强度、模量与塑形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。铝基体合金的性能合金弹性模量/GPa屈服强度/Mpa抗拉强度/Mpa断裂应变量/﹪11006343862020247112824013505268135265136061707713613Al-7Si726512023碳化硅增强6061铝合金复合材料其蠕变速率明显低于6010铝合金。4.4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,常选用像铝合金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。4.5耐磨性在实际的应用中，不仅要求材料有较好的强度、韧性等，而且还必须有很好的耐磨性能。因此，对材料提高其他性能的同时也提高耐磨性等，成为研究人员逐渐转移的研究方向。研究表明，在铝基材料中加入7﹪的硅酸铝短纤维，就可以使耐磨性成倍提高。5.铝基复合材料的制备铝基复合材料的研究主要集中在两个方面：一是采用连续纤维增强的复合材料，二是采用颗粒增强的复合材料。5.1长纤维增强铝基复合材料长纤维增强铝基复合材料主要用的长纤维有硼纤维、碳纤维、碳化硅和氧化铝等。但是，在制备过程中，为了防止纤维与基体的界面反应，一般要对纤维进行表面处理。5.1.1硼/铝基复合材料实际制备中，为了防止硼纤维与铝在界面发生反应，改善纤维的抗氧化性能等，通常对硼纤维表面进行涂覆处理，所用涂层物有有SiC、B4C和BN等。制备方法：先用等离子喷涂法获得铝-硼预制带，再将其用热压法制成零件。5.1.2铝/碳化硅复合材料5.1.2.1传统机械加工A1SiC复合材料一般是铸造法或粉末冶金法等制备，需要进一步的机械加工达到零件所需的精度和表面粗糙度要求。SiC增强体颗粒比常用的刀具(如高速钢刀具和硬质合金刀具)的硬度高的多，在机械加工的过程中会引起剧烈的刀具磨损。5.1.2.2铣磨加工技术目前，切削加工是A1SiC复合材料的主要加工方法，但在切削加工中存在刀具磨损严重和难以获得良好加工表面质量的问题。有研究提出了颗粒增强A1SiC复合材料的铣磨加工方法。这种加工方法使用金刚石砂轮(电镀或烧结)在数控铣床上对工件进行切削加工，具有磨削加工中多刃切削的特点，又同时具有和铣加工相似的加工路线，可以用于曲面、孔、槽的加工，在获得较高加工效率的同时，又能保证加工表面质量。5.1.2.3激光加工目前国内外学者对铝基复合材料激光加工技术的研究主要集中在打孔、切割、划线和型腔加工等方面。用自行研制的机械斩光盘调脉冲激光器切割试验表明，在高峰值能量、短脉冲宽度、高脉冲频率和适当的平均功率条件下，采用高速多次重复走刀切割工艺，可以得到无裂纹的精细切口。5.1.2.4超声加工铝基超声加工(USM)是由超声发生器产生高频电振荡(一般为16kHz～25kHz)，施加于超声换能器上，将高频电振荡转换成超声频振动。超声振动通过变幅杆放大振幅，并驱动以一定的静压力压在工件表面上的工具产生相应频率的振动。工具端部通过磨料不断地捶击工件，使加工区的工件材料粉碎成很细的微粒，被循环的磨料悬浮液带走，工具便逐渐进入到工件中，从而加工出与工具相应的形状。5.1.2.5复合加工2种或2种以上的加工方法同时作用到一个加工表面上叫复合加工。常用的加工方法有：超声钻孔加工、数控旋转超声加工、电解电火花加工、超声电火花加工等。5.1.3铝/氧化铝复合材料水热法：在特制的密闭反应容器(高压釜)里，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶，用来生长各种单晶，制备超细、无团聚或少团聚、结晶完好粉体材料。5.2颗粒增强铝基复合材料颗粒增强铝基复合材料由于具有优异的性能，生产制造方法简单，其应用规模越来越大。目前人们主要应用的颗粒是碳化硅和氧化铝。5.2.1碳化硅颗粒增强铝基复合材料AISiC(铝基碳化硅)复合材料具有高比强度和比刚度、低热膨胀系数、低密度、高微屈服强度、良好的尺寸稳定性、导热性以及耐磨、耐疲劳等优异的力学性能和物理性能，在航空航天、汽车、军事、电子、体育用具等领域被广泛应用。但是由于超硬的增强相颗粒的加入，特别是颗粒含量高、尺寸小时，该材料的切削加工性能非常差，从而限制了该材料的应用。制备方法具体的有浆体铸造法和粉末冶金法，制成坯后再经热挤压，也可将二者机械混合后直接热挤压成复合材料。5.2.2氧化铝颗粒增强铝基复合材料制备中要将晶须颗粒化，然后进行水热法获得复合材料。6铝基复合材料的应用尽管增强铝基复合材料目前处于研究和逐步向规模性生产、应用阶段,但却是一种很有发展前途的新材料,值得引起大家关注。增强铝基复合材料是由铝合金基体和高性能增强体复合而成的一种高技术新材料。铝及其合金具有密度小,导热、导电性能好,耐腐蚀,可加工性能好和易回收等诸多特性,但也有耐磨性不高、热膨胀系数不低等限制。针对不同的性能要求,通过选择合适的铝基体、增强体及它们之间的优化组合,可以获得优异的综合性能。因此,铝基复合材料不仅保持了铝合金原本的良好性能,同时也大大改善了铝合金原先受到限制的一些性能,尤其是提高了模量、耐磨性和低的热膨胀性,从而满足航空航天、电子信息、先进武器、现代交通等领域的需求。尽管增强铝基复合材料早于20世纪40年代已开始研究,但应用于航空航天、军事领域较多。直到90年代,开始由军事转向民用,才逐渐向规模化生产发展。在交通领域,与钢铁材料相比,增强铝基复合材料价格较高,其推广应用受到限制。参考文献[1]中国有色金属报，2009.5.14[2]樊建中，石力开。颗粒增强铝基复合材料研究与应用发展[J].宇航工艺材料，2010（第1期）[3]AlexanderE，ChristopherSM，AndreasM．MetalMa—trixCompositesinIndustry：AnIntroductionandaSurvey[M]．KluwerAcademicPublishers，2003：375—385[4][5]王胜海，杨春成，边秀房。铝基非晶合金的研究发展[J].材料导报A：综述篇，2012.1（卷26），88-93[6]张川江，吴佑实，董守义．铝基非晶合金微观结构的特点与演变[J]．物理学报，2002，51(11)：2575[7]惠希东，陈国良．块体非晶合金[M]．北京：化学工业出版社，2007：29[8]贾彬彬，张文丛，夏龙，等．非晶态合金制备方法[J]．轻合金加工技术，2006，32(10)：20[9]胡状麟，张海峰．块状非晶合金及其复合材料的研究进展[J]．金属学报，2010，46(11)：1391[10]王德庆，石子原，高宏。碳纤维增强铝基复合材料制备及其拉伸性能[J].大连铁道学院学报，2000.12，21（4）[11]郭亚林，梁国正，丘哲明，等．激光辐照下的材料破坏和防护研究进展EJ]．材料保护，2003，36(12)：8-10．[12]黄勇，刘杰．高能激光武器的杀伤机理及主要特性分析EJ]．光学与光电技术，2004，2(5)：20—23[13]BokniRF．DevelopmentandapplicationofHELW．SPIE，1994．[14]ElO]高阳，潘峰，梁勇，等．高温合金表面激光熔敷热障涂层组织结构与氧化性能[J]．材料科学与工程学报，2003，21(1)：4-7．[15]王大镇，冯培锋，赵清亮，等．航天铝基复合材料零部件超精密加工技术研究[J]．宇航学报，2006，27(6)：1341—1346．[16]王立江，韩荣久，马文生．人造多晶金刚石刀具加工表面微观纹理的实验研究[J]．光学精密工程，1995，3(3)：68—74．