鋁基復(fù)合材料

1、鋁基復(fù)合材料及其應(yīng)用鋁基復(fù)合材料及其應(yīng)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(yīng)用6、實(shí)例分析金屬基復(fù)合材料的綜述 金屬基復(fù)合材料，是在各金屬材料基體內(nèi)用多種不同復(fù)合工藝，加進(jìn)增強(qiáng)體，以改進(jìn)特定所需的機(jī)械物理性能。金屬基復(fù)合材料在比強(qiáng)度、比鋼度、導(dǎo)電性、耐磨性、減震性、熱膨脹等多種機(jī)械物理性能方面比同性材料優(yōu)異得多。金屬基復(fù)合材料(MMCs)有鋁基、鎂基、鈦基、鎳基、鐵基復(fù)合材料等多種,其中尤以鋁基復(fù)合材料發(fā)展最快而成為金屬基復(fù)合材料中的主流。鋁基復(fù)合材料基體 鋁有許多特點(diǎn)，如質(zhì)量輕、密度小、可塑性好，熔點(diǎn)低制備工藝簡(jiǎn)單。 鋁基復(fù)合技術(shù)容易掌握，易于加工，比強(qiáng)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(fù)合材料一樣，它能組合特定的力學(xué)和物理性能，以滿足產(chǎn)品的需要。因此，鋁基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料中最常用的、最重要的材料之一。常見(jiàn)鋁基體（1）工業(yè)純鋁（2）鑄造冶金變形鋁合金（常見(jiàn)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(fù)合材料增強(qiáng)基 分類：連續(xù)的和非連續(xù)的纖維、晶須、顆粒 特性： 高強(qiáng)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(dǎo)電、導(dǎo)熱以及潤(rùn)濕性、化學(xué)相容性、易加工等。 鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維有硼纖維，碳纖維

3、，碳化硅纖維等。鋁復(fù)合材料的種類與分類鋁合金材料可按增強(qiáng)相,鋁基體及材料特性三方面進(jìn)行分類。 按增強(qiáng)體分類： 長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料 混合增強(qiáng)復(fù)合材料 納米復(fù)合材料納米復(fù)合材料 層合復(fù)合材料層合復(fù)合材料 傾瀉復(fù)合材料傾瀉復(fù)合材料 表面復(fù)合材料表面復(fù)合材料 變形鋁合金基復(fù)合材料 鑄造鋁合金基復(fù)合材料 新型鋁合金基復(fù)合材料 工業(yè)純鋁基復(fù)合材料 以特性分類 功能復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 智能復(fù)合材料以鋁基體分類 鋁基復(fù)合材料的制造工藝連續(xù)纖維增強(qiáng)連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)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(qiáng)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制造方法：納米管納米管鋁基復(fù)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(lái)制造鋁基復(fù)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(shí)，首先將顆粒增強(qiáng)物和鋁合金粉末用機(jī)械手段均勻混合，進(jìn)行冷壓實(shí)，然后加熱除氣，在液相線與固相線之間進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，得到復(fù)合材料的坯料，在將坯料進(jìn)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(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 可將增強(qiáng)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(huì)出現(xiàn)偏析和偏聚,制備的復(fù)合材料機(jī)械性能較高

5、。缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 粉末冶金法制造工藝及裝備復(fù)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(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 高能量高速度脈沖有利于將冷模中的導(dǎo)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的。高能-高速固結(jié)工藝可使復(fù)合材料的相對(duì)密度達(dá)95%以上。在短時(shí)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(fù)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(qiáng)體制成預(yù)制件，再將預(yù)制件放入模具后，以惰性氣體或機(jī)械裝置為壓力媒體將鋁液壓入預(yù)制件的間隙，凝固后即形成復(fù)合材料。 這種工藝簡(jiǎn)單，但預(yù)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(shí)預(yù)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(qiáng)物直接加入到熔融的鋁合金中，通過(guò)一定方式的攪拌使顆粒均勻地分散在基體熔體中，復(fù)合成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。復(fù)合好的熔體可澆鑄成錠坯、鑄件等使用。這種工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、制造成本低廉。復(fù)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(jìng)爭(zhēng)力、也是工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料的最主要的方法。鋁合金復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能 碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料結(jié)構(gòu) 、用液態(tài)浸漬法制備（概念） 其鋁基中無(wú)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(qiáng)度。 （一）、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料性能 1、硼鋁復(fù)合材料 特點(diǎn)：有優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度，比強(qiáng)度和比模量高，尺寸穩(wěn)定性好，線膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片非常接近。硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用于航天飛機(jī)主艙體龍骨桁架和支柱 （二）短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 特點(diǎn)：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(dǎo)熱性。（三）碳鋁復(fù)合材料 特點(diǎn)：碳纖維的長(zhǎng)度與直徑比例對(duì)碳鋁復(fù)合材料的性能有很大的影響（當(dāng)長(zhǎng)徑比增大時(shí)，抗拉強(qiáng)度增大，增大到一定值時(shí)，抗拉強(qiáng)度又開(kāi)始減少）（四）晶須和顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 特點(diǎn)：優(yōu)異的性能，制造方法簡(jiǎn)單，增強(qiáng)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(qiáng)度和彈性模量都增加氧化鋁：比強(qiáng)度和比剛度高。鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用1、在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用 美國(guó)的Duralcan研制出用SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造汽車制動(dòng)盤，用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄鐵制動(dòng)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(shí)該公司還用SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造了汽車發(fā)動(dòng)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(shí)熱膨脹系數(shù)更小，導(dǎo)熱性更好。 用SiCp/Al復(fù)合材料制成的汽車齒輪箱在強(qiáng)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(fù)合材料也可以用來(lái)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(gè)世紀(jì)80年代,日本豐田公司成功地用/AlOAl32/AlOAl32復(fù)合材料制備了發(fā)動(dòng)機(jī)活塞,與原來(lái)的鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)活塞相比,重量減輕了5%10%,導(dǎo)熱性提高了4倍。 2 、在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 Cercast公司采用熔模鑄造工藝研制成A357 SiC20%Vol+復(fù)合材料，用該材料代替鈦合金制造直徑達(dá)180mm、重17.3kg的飛機(jī)攝相鏡方向架,使其成本和重量明顯降低, 同時(shí)該復(fù)合材料還可用來(lái)制造衛(wèi)星反動(dòng)輪和方向架的支撐架。 美國(guó)DWA公司用6061SiC 25%p（這是什么 怎么念）鋁基復(fù)合材料代替7075制造航空結(jié)構(gòu)的導(dǎo)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(qiáng)A356和A357復(fù)合材料可以制造飛機(jī)液壓管、直升機(jī)的起落架和閥體等。 鋁基復(fù)合材料,特別是SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，由于具有熱膨脹系數(shù)小、密度低、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)鋁基復(fù)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(dǎo)電、導(dǎo)熱性能也非常好。 IBM公司2004年第2期黃永攀等：鋁基復(fù)合材料的性能、應(yīng)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(jìn)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其工作時(shí)產(chǎn)生的熱量迅速擴(kuò)散，提高了元件的有效性。3、在電子和光學(xué)儀器中的應(yīng)用 在精密

11、儀器和光學(xué)儀器的應(yīng)用研究方面,鋁基復(fù)合材料用于制造望遠(yuǎn)鏡的支架和副鏡等部件。 另外鋁基復(fù)合材料還可以制造慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精密零件、旋轉(zhuǎn)掃描鏡、紅外觀測(cè)鏡、激光鏡、激光陀螺儀、反射鏡、鏡子底座和光學(xué)儀器托架等許多精密儀器和光學(xué)儀器。 4 、在體育用品上的應(yīng)用 鋁基復(fù)合材料可以代替木材及金屬材料來(lái)制作網(wǎng)球拍、釣魚(yú)竿、高爾夫球桿和滑雪板等。 用SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)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(shì) 采用顆粒增強(qiáng)制備鋁基復(fù)合材料成本相對(duì)較低,原材料資源豐富,制備工藝簡(jiǎn)單。選擇適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)顆粒與基體組合可制備出性能優(yōu)異的復(fù)合材料,具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前

12、景。可以預(yù)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(qiáng)鋁基復(fù)合材料必將以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。但同時(shí)也應(yīng)看到,顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在未來(lái)的時(shí)間里要取得更進(jìn)一步發(fā)展,并列入規(guī)模化生產(chǎn)的行列,還需要進(jìn)行更多的探索和實(shí)踐。因此,進(jìn)一步加強(qiáng)理論研究,建立完整的理論模型,不斷進(jìn)行實(shí)踐探索,將是今后的工作重點(diǎn)。 背景介紹 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 討論分析 實(shí)例:碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備及表征 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 存在問(wèn)題 背景 介紹碳納米管應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍：鋰離子電池、超級(jí)纖維、場(chǎng)發(fā)射器、復(fù)合材料、超級(jí)電容器等。、碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料特點(diǎn)特點(diǎn)：密度低、高強(qiáng)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(wú)縫石墨管。每層納米管是由碳原子通過(guò)sp2雜化結(jié)構(gòu)與周圍3個(gè)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(qiáng)度，而密度低；極好的塑性變形能力，其彈性應(yīng)變可達(dá)5，甚至達(dá)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(fù)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(cè)

14、量與材料內(nèi)部熱轉(zhuǎn)變相關(guān)的溫度、熱流的關(guān)系，應(yīng)用范圍非常廣，特別是材料的研發(fā)、性能檢測(cè)與質(zhì)量控制。差示掃描量熱儀應(yīng)用范圍: 高分子材料的固化反應(yīng)溫度和熱效應(yīng)、物質(zhì)相變溫度及其熱效應(yīng)測(cè)定、高聚物材料的結(jié)晶、熔融溫度及其熱效應(yīng)測(cè)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(huì)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(duì)稱性以及峰面積。峰的個(gè)數(shù)表示物質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)變化的次數(shù)，峰的大小和方向代表熱效應(yīng)的大小和正負(fù)，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(cè)定條件下，許多物質(zhì)的熱譜圖具有特征性。因此，可通過(guò)與已知的熱譜圖的比較來(lái)

15、鑒別樣品的種類。理論上講，可通過(guò)峰面積的測(cè)量對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定量分析，但因影響差熱分析的因素較多，定量難以準(zhǔn)確。 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)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(guò)濾碳納米管，并在110條件下，保溫2h。2.復(fù)合材料的制備復(fù)合材料的制備：將MWCNTs和鋁粉末在水平混合機(jī)中經(jīng)行機(jī)械混合2h，然后用25噸的液壓機(jī)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(jī)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(jìn)一步提高部，進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果密度：密度：基于阿基米德原理測(cè)得擠壓Al-MWCNT和Al的密度，密度梯度沿樣品長(zhǎng)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(xué)性能力學(xué)性能顯微硬度及單向拉伸，如圖單向拉伸-應(yīng)力與應(yīng)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(qiáng)度和彈性模量隨著碳納米管的增加而增加。SDS 能促進(jìn)碳納米管的分散，作用顯著。George等提出下面三種強(qiáng)化機(jī)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(yīng)力分布不均勻，把這種正應(yīng)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(yīng)。 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(zhǎng)徑比。Vf是增強(qiáng)相的體積，Vm是鋁基體的泊松比。將通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率及剪切滯后模型所得到的楊氏模量（見(jiàn)右圖）經(jīng)行對(duì)比，通常，保守的上限剪切滯后理論高估楊氏模量達(dá)到12%。作者的觀點(diǎn)作者的觀點(diǎn)：1.MWCNT處于納米尺度，對(duì)于指定含量（增強(qiáng)體）的情況下，硬質(zhì)顆粒越小，導(dǎo)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(guò)程中，復(fù)合材料中存在很大的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)鋁基體的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使基體發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生大量位錯(cuò)，導(dǎo)致復(fù)合材料的硬度、強(qiáng)度增加。另一方面，通過(guò)XRD測(cè)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(dǎo)致了晶格畸變，導(dǎo)致強(qiáng)度得到提高。3.奧羅萬(wàn)機(jī)制：碳納米管阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，并導(dǎo)致位錯(cuò)彎曲，增殖。同時(shí)產(chǎn)生派納力，進(jìn)一步阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)致屈服強(qiáng)度的增加。但是燒結(jié)之后的冷擠壓使得使用奧羅萬(wàn)機(jī)制直接解釋鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度出現(xiàn)困難。 1. 通過(guò)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(shí)，微觀組織中出現(xiàn)了Al4C3，燒結(jié)溫度為520時(shí)，沒(méi)有

20、發(fā)現(xiàn)鋁碳化合物 3. Al-MWCNTs的強(qiáng)度與硬度隨著 MWCNT含量的增加而增加，與純鋁相比，當(dāng)添加2.0 wt%的MWCNTs時(shí)，屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度提高了90%。 實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)結(jié)論Al-MWCNTs研究目前存研究目前存在的問(wèn)題和解決問(wèn)題方法在的問(wèn)題和解決問(wèn)題方法1.碳納米管在鋁基體中的分散問(wèn)題碳納米管密度小、高長(zhǎng)徑比、比表面能高，采用傳統(tǒng)的液相法或固相法時(shí)CNTs極易偏聚或團(tuán)聚，從而制備出的該復(fù)合材料性能低。所以為了有效提高材料性能，關(guān)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(tuán)聚形成弱相。因?yàn)槿跸嘁滓l(fā)斷裂、脆性界面，尤其是當(dāng)碳納米管在鋁晶界處發(fā)生團(tuán)聚時(shí)使得晶界處強(qiáng)度降低，從而降低了復(fù)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(xué)氣相沉積法為主，在金屬基底上直接生長(zhǎng)碳納米管。該方法在制備碳納米管的同時(shí)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(dá)到界面潤(rùn)濕的作用。機(jī)械攪拌分散：機(jī)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(jī)