铝基复合材料

“铝基复合材料的综述铝基复合材料的基本成分铝基复合材料的性能铝基复合材料的应用铝基复合材料的制造工艺铝基复合材料举例铝基复合材料的发展趋势”铝基复合材料的综述•复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成。复合材料可分为三类：聚合物基复合材料（PMCs）、金属基复合材料（MMCs）、陶瓷基复合材料（CMCs）。金属基复合材料基体主要是铝、镍、镁、钛等。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[1]。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。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。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。目前铝极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。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。•1低密度•2良好的尺寸稳定性•3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。•4耐磨性•高的耐磨性是铝基复合材料(SiC、Al2O3增强)的特点之一。•5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。•6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。铝基复合材料的应用•1在汽车领域的应用•铝基复合材料在汽车工业的应用研究起步最早。上个世纪年代,日本丰田公司成功地用复合材料制备了发动机活塞。美国的研制出用颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘,使其重量减轻了,而且提高了耐磨性能,噪音明显减小,摩擦散热快;同时该公司还用颗粒增强铝基复合材料制造了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件。用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。•2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。•3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。•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。铝基复合材料的制造工艺•铝基复合材料的制备方法对材料的性能影响很大,其成本也取决于材料的制造工艺,因此研究和发展有效的制造工艺一直是铝基复合材料的重要研究内容。•1粉末冶金法•2高能-高速固结工艺•3压力浸渗工艺•4反应自生成法•5液态金属搅拌铸造法•6半固态搅拌复合铸造—、长纤维增强铝基复合材料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2、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）3、碳化硅—铝基复合材料特点：高导热率，可调的热膨胀系数，质量不大，比刚度是所有电子材料中最大的，良好的气密性，物理性能及力学性能都是各向同性的。4、氧化铝—铝复合材料特点：强度比较高，在室温至450°C保持很高的稳定性应用场合：（1）导弹弹尾的近蚌形铸造（2）航空飞行嚣着陆装置（3）飞机的电子进入门（4）简单结构形状零件二、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。三、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。碳化硅铝基复合材料的发展趋势•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。