鋁基復(fù)合材料研究進(jìn)展

摘 要：文章將從鋁基復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)理等方面，介紹鋁基復(fù)合材料的在目前階段的研究進(jìn)展，及鋁基復(fù)合材料強(qiáng)化方面的研究與應(yīng)用。希望通過(guò)文章的介紹，對(duì)相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：鋁基復(fù)合材料；強(qiáng)化；基體

前言

隨著現(xiàn)代科技水平的迅速發(fā)展，在航空航天、軍用以及其它高科技領(lǐng)域傳統(tǒng)材料已經(jīng)很難滿足其需要。復(fù)合材料以其綜合性能優(yōu)異的特點(diǎn)逐步開(kāi)始代替?zhèn)鹘y(tǒng)單一材料。然而一些纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基在某些特定的空間環(huán)境下使用時(shí)容易產(chǎn)生老化。在此方面，鋁基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比模量、低熱膨脹系數(shù)，較高的高溫力學(xué)性能以及抗疲勞、耐磨損等優(yōu)良性能，特別是顆粒、短纖維、晶須等非連續(xù)增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，因其良好的可再加工性及尺寸穩(wěn)定性備受關(guān)注，成為近年來(lái)研究最多的復(fù)合材料。

1 金屬基復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)理

由于材料的強(qiáng)度是一個(gè)極度結(jié)構(gòu)敏感性質(zhì)，金屬基復(fù)合材料的變形過(guò)程極具復(fù)雜性，其所具有的強(qiáng)化機(jī)制在現(xiàn)有的模型只能在一定程度上較好地詮釋金屬基復(fù)合材料時(shí)的強(qiáng)化規(guī)律，不能完全得出具體的強(qiáng)化數(shù)值。金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理主要有以下方面：

1.1 增強(qiáng)體承載與載荷傳遞

金屬基復(fù)合材料的主要強(qiáng)化機(jī)制是載荷從基體向增強(qiáng)體傳遞的一個(gè)過(guò)程，增強(qiáng)體是主要起的是一個(gè)承擔(dān)者作用。目前相關(guān)的模型舉例很多，最簡(jiǎn)單的是混合定律，該模型未考慮增強(qiáng)體形狀、分布等其他因素對(duì)材料的影響，因此預(yù)測(cè)強(qiáng)度與實(shí)際相比相差較大。Nardone和Prewo的改進(jìn)剪切套模型是根據(jù)載荷在基體與增強(qiáng)體界面上傳遞的機(jī)制建立的，從該模型計(jì)算出的所得的屈服強(qiáng)度值可確認(rèn)比實(shí)驗(yàn)所得屈服強(qiáng)度值約高10%。

1.2 基體中的位錯(cuò)強(qiáng)化

金屬的熱膨脹系數(shù)一般要比增強(qiáng)相的熱膨脹系數(shù)大很多，因此在金屬基復(fù)合材料的制作生產(chǎn)和熱處理過(guò)程中，在基體材料中會(huì)形成高密度的位錯(cuò)，導(dǎo)致強(qiáng)化。位錯(cuò)模型主要包括：Orowan模型；林位錯(cuò)硬化模型；彈性栓模型；沖孔模型，且 Orowan機(jī)制可以較好的預(yù)測(cè)材料的強(qiáng)度值，對(duì)材料強(qiáng)度的預(yù)判有著明顯的幫助。

1.3 細(xì)晶強(qiáng)化

增強(qiáng)體的引入還可以亞晶粒尺寸的減小。超細(xì)的亞晶粒尺寸會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的增強(qiáng)。研究中，在對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行熱機(jī)械加工時(shí)，常常會(huì)在基體中發(fā)生再結(jié)晶的情況，增強(qiáng)體顆粒尺寸的不同，將會(huì)對(duì)再結(jié)晶體產(chǎn)生兩種影響，當(dāng)增強(qiáng)體的顆粒尺寸較小時(shí)，顆將會(huì)產(chǎn)生大角度晶界；當(dāng)增強(qiáng)體顆粒尺寸較大，該增強(qiáng)顆粒又會(huì)促使再顆粒形成結(jié)晶形核，將會(huì)使金屬?gòu)?fù)合材料獲得極細(xì)小的顆粒。增強(qiáng)體晶粒尺寸會(huì)隨著增強(qiáng)相尺寸增加，隨增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)減小。

通過(guò)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的力學(xué)性能與基體相比有著很大的提高。例如，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，與基體相比，10%TiB2/Al-7Si復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度大幅提高了126%。由此可見(jiàn)，細(xì)晶強(qiáng)化及TiB2顆粒的彌散強(qiáng)化是復(fù)合材料的主要強(qiáng)化機(jī)制。

2 鋁基復(fù)合材料的最新學(xué)術(shù)研究成果

2.1 將連續(xù)纖維作為增強(qiáng)體，這種鋁基復(fù)合材料具有優(yōu)異性能。目前，這種材料大多數(shù)用在航天航空、軍事領(lǐng)域。

2.2 采用不連續(xù)增強(qiáng)體作為增強(qiáng)體。如采用顆粒和晶須等制備的具有優(yōu)良性能的鋁基復(fù)合材料，這種材料在眾多行業(yè)已經(jīng)取得了廣泛地應(yīng)用。

從表1可以看出，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有眾多的良好的物理及力學(xué)性能。將一些由不同工藝加工的的復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行比較，從中可以看出，由于受增強(qiáng)相的影響及其體積分?jǐn)?shù)的增加，鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、屈服強(qiáng)度均有了顯著地提高，反之受這些因素的影響，鋁基復(fù)合材料的延伸率則有所下降，也就是韌性降低。由于受增強(qiáng)相的影響，材料內(nèi)部基體的摩擦阻尼性能得到了改善，材料耐磨性和耐腐蝕性也得到了大幅地提高。

粉煤灰是煤粉燃燒的一種廢棄物，主要成分為Al2O3、SiO2等混合氧化物，在鋁合金基體中均勻分布不僅阻礙了金屬基體缺陷的相對(duì)滑動(dòng)，而且也提高了基體抗剪切的應(yīng)變能力，使復(fù)合材料得到彌散和強(qiáng)化，改善了復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度。但是由于Al2O3、SiC、SiO2等常用的增強(qiáng)顆粒生產(chǎn)成本較高，并且這些顆粒棱角的過(guò)度尖銳容易引起復(fù)合材料的應(yīng)力集中，從而影響材料的物理及力學(xué)性能。當(dāng)粉煤灰顆粒里粉煤灰的含量大幅增加時(shí)，粉煤灰顆粒團(tuán)聚的趨勢(shì)也會(huì)更加明顯，與此同時(shí)鋁合金的含量相對(duì)減少，上述因素都會(huì)導(dǎo)致鋁合金的變形受到制約，將導(dǎo)致復(fù)合材料的塑性變差。

碳納米管作為一種新型材料，由于其新穎的結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度、高彈性模量、高臨界應(yīng)變等超強(qiáng)的力學(xué)和功能特性，被廣泛應(yīng)用在各種樹(shù)脂基、陶瓷基以及金屬基復(fù)合材料當(dāng)中。

3 結(jié)束語(yǔ)

在復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中，增強(qiáng)體含量及類型、基體金屬類型、及制備方法及工藝參數(shù)的選擇眾多，這些因素相互作用、相互影響，共同決定了著最終所生產(chǎn)出的材料的各方面性能。

目前增強(qiáng)材料主要有纖維、晶須和顆粒。纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高的抗拉強(qiáng)度和高的彈性模量，除此之外還有一個(gè)重要性能，那就是各向異性，為結(jié)構(gòu)材料提供特殊性能；晶須的分布是任意、無(wú)序的，晶須加入到鋁基復(fù)合材料中，可以提高鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度、硬度、彈性模量、耐磨、耐熱性及其他性能等；顆粒加入到鋁基體中，使復(fù)合材料具有小的密度、高的強(qiáng)度、高的硬度、高的剛度、低的熱膨脹系數(shù)。

鋁基復(fù)合材料的基體材料有兩類：一類是純鋁；另一類是鋁合金。但在實(shí)際應(yīng)用中常以鋁合金做基體材料。Al-Si合金基體耐磨性好、Al-Li合金基體密度低、Al-Fe合金基體高溫性能好，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的基體。當(dāng)以纖維為增強(qiáng)體時(shí)，一般選用純鋁為基體；而對(duì)于非連續(xù)增強(qiáng)體，通常用高強(qiáng)合金作為基體。

界面在復(fù)合材料中連接著增強(qiáng)體與基體，能起載荷傳遞作用，是成分結(jié)構(gòu)特殊的一個(gè)很小區(qū)域。界面雖然很小，但是復(fù)合材料重要組成部分，對(duì)復(fù)合材料的性能影響很大。界面的結(jié)構(gòu)和性能主要受界面反應(yīng)的影響。

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作者簡(jiǎn)介：胡小兵（1974-），男，江西吉安人，助理工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)和設(shè)備管理工作。