鋁基復合材料

1、鋁基復合材料及其應用鋁基復合材料及其應用1、綜述2、種類及分類3、材料的制備工藝 4、結(jié)構(gòu)與性能5、應用6、實例分析金屬基復合材料的綜述 金屬基復合材料，是在各金屬材料基體內(nèi)用多種不同復合工藝，加進增強體，以改進特定所需的機械物理性能。金屬基復合材料在比強度、比鋼度、導電性、耐磨性、減震性、熱膨脹等多種機械物理性能方面比同性材料優(yōu)異得多。金屬基復合材料(MMCs)有鋁基、鎂基、鈦基、鎳基、鐵基復合材料等多種,其中尤以鋁基復合材料發(fā)展最快而成為金屬基復合材料中的主流。鋁基復合材料基體 鋁有許多特點，如質(zhì)量輕、密度小、可塑性好，熔點低制備工藝簡單。 鋁基復合技術(shù)容易掌握，易于加工，比強度和比剛度高

2、，高溫性能好，更耐疲勞和更耐磨，阻尼性能好，熱膨脹系數(shù)低。 同其他復合材料一樣，它能組合特定的力學和物理性能，以滿足產(chǎn)品的需要。因此，鋁基復合材料已成為金屬基復合材料中最常用的、最重要的材料之一。常見鋁基體（1）工業(yè)純鋁（2）鑄造冶金變形鋁合金（常見有2014、2024、2124 等，且不含Mn、Cr的鋁合金，因其產(chǎn)生脆性相 ）（3）粉末冶金變形鋁合金（4）鑄造鋁合金（5）新型鋁合金復合材料增強基 分類：連續(xù)的和非連續(xù)的纖維、晶須、顆粒 特性： 高強度、高模量、高剛度、抗疲勞、耐熱、耐磨、抗腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、導電、導熱以及潤濕性、化學相容性、易加工等。 鋁基復合材料的增強纖維有硼纖維，碳纖維

3、，碳化硅纖維等。鋁復合材料的種類與分類鋁合金材料可按增強相,鋁基體及材料特性三方面進行分類。 按增強體分類： 長纖維增強復合材料 短纖維增強復合材料 顆粒增強復合材料 混合增強復合材料 納米復合材料納米復合材料 層合復合材料層合復合材料 傾瀉復合材料傾瀉復合材料 表面復合材料表面復合材料 變形鋁合金基復合材料 鑄造鋁合金基復合材料 新型鋁合金基復合材料 工業(yè)純鋁基復合材料 以特性分類 功能復合材料 結(jié)構(gòu)復合材料 智能復合材料以鋁基體分類 鋁基復合材料的制造工藝連續(xù)纖維增強連續(xù)纖維增強鋁基復合材料的制造方法：1、粉末冶金法2、高能-高速固結(jié)工藝3、壓力浸滲鑄造工藝4、液態(tài)金屬攪拌鑄造法1、粉末冶

4、金2、攪拌熔鑄3、壓力鑄造4、噴射沉積顆粒增強顆粒增強鋁基復合材料的制造方法：納米管納米管鋁基復合材料的制備方法： 1、粉末冶金 2、攪拌鑄造 3、熔體浸漬 4、原位合成 粉末冶金法粉末冶金法 粉末冶金法是最早用來制造鋁基復合材料的方法，是一種比較成熟的工藝方法。采用粉末冶金法時，首先將顆粒增強物和鋁合金粉末用機械手段均勻混合，進行冷壓實，然后加熱除氣，在液相線與固相線之間進行真空熱壓燒結(jié)，得到復合材料的坯料，在將坯料進行擠壓、軋制、鍛造、拉拔等二次加工就可制成所要的型材零件。 優(yōu)點優(yōu)點: 可將增強物顆粒和鋁合金粉按任意比例混合,而且混合均勻性好,不會出現(xiàn)偏析和偏聚,制備的復合材料機械性能較高

5、。缺點缺點： 粉末冶金法制造工藝及裝備復雜,生產(chǎn)成本高。高能高能- -高速固結(jié)工藝高速固結(jié)工藝 優(yōu)點優(yōu)點： 高能量高速度脈沖有利于將冷模中的導電粉體快速加熱到指定溫度，從而控制相變和組織粗化，這是常規(guī)粉末冶金工藝無法實現(xiàn)的。高能-高速固結(jié)工藝可使復合材料的相對密度達95%以上。在短時間內(nèi)使陶瓷顆粒和鋁合金粉末的混合物受到高脈流的放電作用后，迅速提高能量，并在較小外力作用下，使之固結(jié)成復合材料的工藝。壓力浸滲工藝壓力浸滲工藝 壓力浸滲工藝是先將增強體制成預制件，再將預制件放入模具后，以惰性氣體或機械裝置為壓力媒體將鋁液壓入預制件的間隙，凝固后即形成復合材料。 這種工藝簡單，但預制件中的氣體不易在

6、凝固前排出而造成氣孔與疏松，同時預制件也易產(chǎn)生變形和偏移。 液態(tài)金屬攪拌鑄造法液態(tài)金屬攪拌鑄造法 液態(tài)金屬攪拌鑄造法的基本原理是將顆粒增強物直接加入到熔融的鋁合金中，通過一定方式的攪拌使顆粒均勻地分散在基體熔體中，復合成顆粒增強鋁基復合材料。復合好的熔體可澆鑄成錠坯、鑄件等使用。這種工藝簡單、生產(chǎn)效率高、制造成本低廉。復合好的鑄錠經(jīng)重熔后，可精密壓成各種型材、管材、棒材等。 它是目前最成熟、最具競爭力、也是工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)鋁基復合材料的最主要的方法。鋁合金復合材料的結(jié)構(gòu)與性能 碳纖維增強鋁基復合材料結(jié)構(gòu) 、用液態(tài)浸漬法制備（概念） 其鋁基中無方向性，表明具有各向異性。 、用固態(tài)熱壓法制備（概念）

7、 其鋁基中含有纖維，表明具有較高拉伸強度。 （一）、長纖維增強鋁基復合材料性能 1、硼鋁復合材料 特點：有優(yōu)異的疲勞強度，比強度和比模量高，尺寸穩(wěn)定性好，線膨脹系數(shù)與半導體芯片非常接近。硼纖維增強鋁基復合材料用于航天飛機主艙體龍骨桁架和支柱 （二）短纖維增強鋁基復合材料 特點：在室溫和高溫下的彈性模量有較大的提高，但線膨脹系數(shù)由所下降，耐磨性改善，并具有良好的的導熱性。（三）碳鋁復合材料 特點：碳纖維的長度與直徑比例對碳鋁復合材料的性能有很大的影響（當長徑比增大時，抗拉強度增大，增大到一定值時，抗拉強度又開始減少）（四）晶須和顆粒增強鋁基復合材料 特點：優(yōu)異的性能，制造方法簡單，增強體主要是碳

8、化硅和氧化鋁。 碳化硅：隨它的含量增加，抗拉強度和彈性模量都增加氧化鋁：比強度和比剛度高。鋁基復合材料的應用1、在汽車領域的應用 美國的Duralcan研制出用SiC顆粒增強鋁基復合材料制造汽車制動盤，用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄鐵制動盤，使其重量減輕40%60%，而且提高了耐磨性能，噪音明顯減小，摩擦散熱快；同時該公司還用SiC顆粒增強鋁基復合材料制造了汽車發(fā)動了活塞和齒輪箱等汽車零部件，這種汽車活塞比鋁合金活塞具有較高的耐磨性、良好的耐高溫性能和抗咬合性能，同時熱膨脹系數(shù)更小，導熱性更好。 用SiCp/Al復合材料制成的汽車齒輪箱在強度和耐磨性方面均比鋁合金齒輪箱有明顯的提高。鋁合金復合材料也可以用來制

9、造剎車轉(zhuǎn)子、剎車活塞、剎車墊板、卡鉗等剎車系統(tǒng)元件。 上個世紀80年代,日本豐田公司成功地用/AlOAl32/AlOAl32復合材料制備了發(fā)動機活塞,與原來的鑄鐵發(fā)動機活塞相比,重量減輕了5%10%,導熱性提高了4倍。 2 、在航空航天領域的應用 Cercast公司采用熔模鑄造工藝研制成A357 SiC20%Vol+復合材料，用該材料代替鈦合金制造直徑達180mm、重17.3kg的飛機攝相鏡方向架,使其成本和重量明顯降低, 同時該復合材料還可用來制造衛(wèi)星反動輪和方向架的支撐架。 美國DWA公司用6061SiC 25%p（這是什么 怎么念）鋁基復合材料代替7075制造航空結(jié)構(gòu)的導槽、角材，使其密

10、度下降了17%，模量提高了65%。 鑄造SiC顆粒增強A356和A357復合材料可以制造飛機液壓管、直升機的起落架和閥體等。 鋁基復合材料,特別是SiC增強鋁基復合材料，由于具有熱膨脹系數(shù)小、密度低、導熱性能好等優(yōu)點，適合于制造電子器材的襯裝材料、散熱片等電子器件。SiC顆粒增強鋁基復合材料的熱膨脹系數(shù)完全可以與電子器件材料的熱膨脹相匹配，而且導電、導熱性能也非常好。 IBM公司2004年第2期黃永攀等：鋁基復合材料的性能、應用及制造工藝就是利用其上述性能，在MCMs器件中使用該種材料封裝和改進冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其工作時產(chǎn)生的熱量迅速擴散，提高了元件的有效性。3、在電子和光學儀器中的應用 在精密

11、儀器和光學儀器的應用研究方面,鋁基復合材料用于制造望遠鏡的支架和副鏡等部件。 另外鋁基復合材料還可以制造慣性導航系統(tǒng)的精密零件、旋轉(zhuǎn)掃描鏡、紅外觀測鏡、激光鏡、激光陀螺儀、反射鏡、鏡子底座和光學儀器托架等許多精密儀器和光學儀器。 4 、在體育用品上的應用 鋁基復合材料可以代替木材及金屬材料來制作網(wǎng)球拍、釣魚竿、高爾夫球桿和滑雪板等。 用SiC顆粒增強鋁基復合材料制作的自行車鏈齒輪重量輕、剛度高、不易撓曲變形,性能優(yōu)于鋁合金鏈齒輪。 發(fā)展趨勢 采用顆粒增強制備鋁基復合材料成本相對較低,原材料資源豐富,制備工藝簡單。選擇適當?shù)脑鰪婎w粒與基體組合可制備出性能優(yōu)異的復合材料,具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻们?/p>

12、景?？梢灶A料,在現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展和技術(shù)水平的高要求下,顆粒增強鋁基復合材料必將以其獨特優(yōu)勢在工業(yè)領域占據(jù)重要位置。但同時也應看到,顆粒增強鋁基復合材料在未來的時間里要取得更進一步發(fā)展,并列入規(guī)?；a(chǎn)的行列,還需要進行更多的探索和實踐。因此,進一步加強理論研究,建立完整的理論模型,不斷進行實踐探索,將是今后的工作重點。 背景介紹 實驗材料 實驗結(jié)果 討論分析 實例:碳納米管增強鋁基復合材料的制備及表征 實驗結(jié)論 存在問題 背景 介紹碳納米管應用范圍應用范圍：鋰離子電池、超級纖維、場發(fā)射器、復合材料、超級電容器等。、碳納米管增強鋁基復合材料碳納米管增強鋁基復合材料特點特點：密度低、高強度、抗氧

13、化性好和耐腐蝕等。制備方法制備方法：粉末冶金、攪拌鑄造法、熔體浸漬法、原位合成法碳納米管碳納米管：Iijima （飯島澄男）（飯島澄男）教授于1991 年首次發(fā)現(xiàn)碳的第五種同素異形體。碳納米管是由單層或者多層石墨片卷曲而成的幾何無縫石墨管。每層納米管是由碳原子通過sp2雜化結(jié)構(gòu)與周圍3個碳原子完全鍵合而成的六邊形平面圍成的圓柱面，兩端由五邊形或七邊形組合封閉。高模量，高強度，而密度低；極好的塑性變形能力，其彈性應變可達5，甚至達到12，約為鋼的60倍。 十二烷基硫酸十二烷基硫酸：陰離子表面活性劑。易溶于水，與陰離子、非離子復配伍性好， 具有良好的乳化、發(fā)泡、滲透、去污和分散性能。差熱分析儀：測

14、量與材料內(nèi)部熱轉(zhuǎn)變相關的溫度、熱流的關系，應用范圍非常廣，特別是材料的研發(fā)、性能檢測與質(zhì)量控制。差示掃描量熱儀應用范圍: 高分子材料的固化反應溫度和熱效應、物質(zhì)相變溫度及其熱效應測定、高聚物材料的結(jié)晶、熔融溫度及其熱效應測定、高聚物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。Al4C3：生成溫度在550到600，一般為針狀或片狀，大量存在，會惡化基體的性能。從差熱圖上可清晰地看到差熱峰的數(shù)目、高度、位置、對稱性以及峰面積。峰的個數(shù)表示物質(zhì)發(fā)生物理化學變化的次數(shù)，峰的大小和方向代表熱效應的大小和正負，峰的位置表示物質(zhì)發(fā)生變化的轉(zhuǎn)化溫度。在相同的測定條件下，許多物質(zhì)的熱譜圖具有特征性。因此，可通過與已知的熱譜圖的比較來

15、鑒別樣品的種類。理論上講，可通過峰面積的測量對物質(zhì)進行定量分析，但因影響差熱分析的因素較多，定量難以準確。 實驗材料 實驗過程1.MWCNTs表面處理：表面處理：用蒸餾水清洗，然后在63%的硝酸溶液中，用超聲波處理4h，過濾后用NaOH溶液經(jīng)行中和，然后在110的干燥爐中保溫2h，隨后在十二烷基硫酸鈉溶液中，用超聲波處理4h，最后過濾碳納米管，并在110條件下，保溫2h。2.復合材料的制備復合材料的制備：將MWCNTs和鋁粉末在水平混合機中經(jīng)行機械混合2h，然后用25噸的液壓機經(jīng)行壓制，燒結(jié)（每分鐘10升到580），然后以每分鐘3冷卻到室溫，最后在室溫條件下，用25噸的液壓機經(jīng)行擠壓。平均形變

16、率0.81，擠壓比為2.25。目的是將鋁基體表面的目的是將鋁基體表面的CNTs嵌入鋁粉內(nèi)嵌入鋁粉內(nèi)部，進一步提高部，進一步提高CNTs的分散性的分散性。Fig2 .DSC spectrums for AL-MWCNTs sintered at 580Fig3. DSC spectrums for AL-MWCNTs sintered at 520 實驗結(jié)果密度：密度：基于阿基米德原理測得擠壓Al-MWCNT和Al的密度，密度梯度沿樣品長度方向發(fā)現(xiàn)Al-MWCNT的密度隨著 MWCNT比重增加而增加。壓制-燒結(jié)-擠壓(Al-MWCNT)噴射沉積(6066Al/SiCP)微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)晶粒、碳納

17、米管、擠壓方向力學性能力學性能顯微硬度及單向拉伸，如圖單向拉伸-應力與應變圖斷面圖斷面圖 結(jié)果討論 Al-MWCNT的性能顯示：采用粉末壓制-燒結(jié)-擠壓工藝是可行的，強度和彈性模量隨著碳納米管的增加而增加。SDS 能促進碳納米管的分散，作用顯著。George等提出下面三種強化機制：1.thermal mismatch；2.Orowan looping；3.shear lag theory Shear lag mode：在某一局部范圍內(nèi)，剪力所能起的作用有限，所以正應力分布不均勻，把這種正應力分布不均勻的現(xiàn)象叫剪切滯后。這一理論可以用于描述碳納米管在鋁基中的剛化效應。 Al-MWCNT的楊氏模量

18、Ef 和Em分別是MWCNT、Al的楊氏模量，s是MWCNT的長徑比。Vf是增強相的體積，Vm是鋁基體的泊松比。將通過應力-應變曲線的斜率及剪切滯后模型所得到的楊氏模量（見右圖）經(jīng)行對比，通常，保守的上限剪切滯后理論高估楊氏模量達到12%。作者的觀點作者的觀點：1.MWCNT處于納米尺度，對于指定含量（增強體）的情況下，硬質(zhì)顆粒越小，導致的加工硬化越明顯。2.由于MWCNT與鋁基體的熱膨脹系數(shù)不同，在冷卻過程中，復合材料中存在很大的內(nèi)應力，當內(nèi)應力超過鋁基體的屈服強度時，就會使基體發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生大量位錯，導致復合材料的硬度、強度增加。另一方面，通過XRD測得Al和Al-MWCNT(0.5,

19、 1.0, and 2.0 wt%)的晶面間距分別為2.3393 A，2.32522.3235,和2.3194 A，碳納米管的存在，導致了晶格畸變，導致強度得到提高。3.奧羅萬機制：碳納米管阻礙了位錯的運動，并導致位錯彎曲，增殖。同時產(chǎn)生派納力，進一步阻礙了位錯的運動，最終導致屈服強度的增加。但是燒結(jié)之后的冷擠壓使得使用奧羅萬機制直接解釋鋁基復合材料的強度出現(xiàn)困難。 1. 通過壓制-燒結(jié)-擠壓工藝成功制備出0.5，1.0， 2.0 wt% Al-MWCNTs及純鋁近凈近凈試樣； 2.合理控制燒結(jié)溫度可以避免出現(xiàn)中間化合物，燒結(jié)溫度為580時，微觀組織中出現(xiàn)了Al4C3，燒結(jié)溫度為520時，沒有

20、發(fā)現(xiàn)鋁碳化合物 3. Al-MWCNTs的強度與硬度隨著 MWCNT含量的增加而增加，與純鋁相比，當添加2.0 wt%的MWCNTs時，屈服強度及抗拉強度提高了90%。 實驗結(jié)論實驗結(jié)論Al-MWCNTs研究目前存研究目前存在的問題和解決問題方法在的問題和解決問題方法1.碳納米管在鋁基體中的分散問題碳納米管密度小、高長徑比、比表面能高，采用傳統(tǒng)的液相法或固相法時CNTs極易偏聚或團聚，從而制備出的該復合材料性能低。所以為了有效提高材料性能，關鍵的步驟就是提高碳納米管的分散性，或使其呈束狀分布，避免碳納米管在鋁基體中團聚形成弱相。因為弱相易引發(fā)斷裂、脆性界面，尤其是當碳納米管在鋁晶界處發(fā)生團聚時使得晶界處強度降低，從而降低了復合材料性能。 目前解決的方法目前解決的方法：原位合成法：主要是以化學氣相沉積法為主，在金屬基底上直接生長碳納米管。該方法在制備碳納米管的同時分散碳納米管，而且使碳納米管有效地和金屬基體結(jié)合，達到界面潤濕的作用。機械攪拌分散：機械攪拌分散是比較常用的分散方法之一，該方法主要是利用機