顆粒增強鋁基復合材料的制備與界面行為

摘要：【目的】探討顆粒增強鋁基復合材料（particle-reinforced aluminum matrix composites，PAMCs）性能提升、應用前景等?！狙芯楷F(xiàn)狀】概述PAMCs復合材料的主要制備方法，主要包括攪拌鑄造法、原位合成法、粉末冶金法、噴射成形法、擠壓鑄造法、直接氧化法、高溫水熱合成法等；從結(jié)合方式、結(jié)合強度、界面表征等方面對PAMCs界面進行介紹；從強化機制和增強體因素等方面對界面力學性能進行概括?！窘Y(jié)論與展望】復合材料的制備方法對增強體在基體中的分布、界面結(jié)合和性能產(chǎn)生顯著影響，選擇制備方法時應綜合考慮所需的材料性能、生產(chǎn)成本及工藝可行性；界面結(jié)合對PAMCs的整體性能至關重要，良好的界面結(jié)合能提高材料的強度和韌性；強化機制決定材料的特性，通過成分設計、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控以及制備工藝優(yōu)化等手段，實現(xiàn)多種強化機制的協(xié)同作用，可最大限度地提升材料的性能。未來的研究應致力于開發(fā)低成本、綠色環(huán)保等新型高效的制備技術(shù)，優(yōu)化PAMCs的微觀結(jié)構(gòu)和性能；通過設計界面結(jié)構(gòu)并調(diào)控界面反應等，可以進一步提升PAMCs的性能；控制界面反應也是PAMCs關鍵發(fā)展方向之一。

關鍵詞：鋁基復合材料；制備工藝；顆粒增強；界面行為

中圖分類號：TB4文獻標志碼：A

引用格式：

唐彬彬，馮思雨，段君元，等.顆粒增強鋁基復合材料的制備與界面行為[J].中國粉體技術(shù)，2024，30（4）：1-14.

TANG Binbin，F(xiàn)ENGSiyu，DUANJunyuan，etal.Preparation and interfacial behavior of particle-reinforced aluminum matrixcomposites[J].China Powder Science and Technology，2024，30（4）：1-14.

金屬基復合材料（metal matrix composites，MMCs）作為一種高性能的結(jié)構(gòu)材料，因具有卓越的可設計性而在材料科學領域占有重要地位1-3。按照基體材料的不同，MMCs細分為鎳基、銅基、鈦基、鐵基、鋁基和鎂基等多種類型。其中，鋁基復合材料（aluminum matrix composites，AMCs）具有輕質(zhì)、高強度等綜合性能，尤其是顆粒增強鋁基復合材料（particle-reinforced aluminum matrix composites，PAMCs）？-6，滿足了現(xiàn)代工業(yè)對材料輕質(zhì)、高強的需求，得到了廣泛關注。

本文中旨在概述PAMCs的制備方法、界面結(jié)合特性與表征方法等的最新研究進展，探討PAMCs在提升性能方面的潛力及應用前景，以期為PAMCs的發(fā)展提供新的思路和方向。具體的論述內(nèi)容及路徑如圖1所示。

1制備方法

PAMCs制備的方法主要包括固態(tài)法、液態(tài)法和其他方法，如圖2所示。由于PAMCs具有獨特的工藝特點，制備的復合材料在性能上表現(xiàn)出顯著差異，因此，需根據(jù)具體需求和條件選擇合適的制備方法。

1.1攪拌鑄造法

攪拌鑄造法是在液態(tài)或半固態(tài)的基體合金熔體中進行攪拌，為了防止金屬氧化、燃燒，在制備過程需要覆蓋劑、惰性氣體等進行保護。向熔體中添加增強顆粒，并利用機械、超聲或電磁攪拌確保顆粒均勻分布。最終，將混合均勻的復合材料澆鑄成所需錠坯或鑄件，此法工藝簡便，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，然而，攪拌鑄造法也存在偏析、縮孔和團聚等缺陷，尤其是如何使增強顆粒均勻分散在基體材料中是其面臨的核心問題。同時，在攪拌的過程中，容易引入夾雜物和氣體，對材料性能產(chǎn)生不利影響。通過對攪拌工藝的優(yōu)化制備顆粒分散均勻、性能良好的顆粒增強復合材料是該方法目前主要的研究方向。

采用優(yōu)化攪拌制備工藝可以顯著減少制備復合材料的缺陷。有研究表明，在制備顆?；祀s增強AMCs時，當攪拌溫度為800℃，攪拌速度為450 r/min，攪拌時間為20 min時，復合材料孔隙率和夾雜物的數(shù)量都顯著減少，同時粒子分散性也顯著提高。通過對攪拌工藝的優(yōu)化設計制備的SiCp-Al基復合材料，其硬度和抗拉強度分別提高85%和173%，且隨著增強顆粒含量的增加，復合材料的力學性能顯著提升，然而，與其他方法相比，攪拌法制備的PAMCs中增強顆粒較易發(fā)生團聚，此外孔隙率相對較高。

1.2原位合成法

原位制備技術(shù)是利用化學反應在基體內(nèi)部直接生成硬質(zhì)增強體。這種方法制備的增強體顆粒受外部環(huán)境影響較小，與基體結(jié)合緊密，界面穩(wěn)定且干凈，相容性好12。此外，增強體是原位合成，增強體純度高，化學穩(wěn)定性好，且其與基體界面結(jié)合良好，以及其在制備時設計靈活，可按需求調(diào)整增強體的大小、形貌和分布等，但在實際過程中，為了控制反應類型，產(chǎn)生的新相需要克服反應能壘使反應順利進行，反應條件更加苛刻，往往難以在工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)。

在高溫環(huán)境中，將KBF？和K？ZrF？粉末與AA6061鋁合金進行化學反應，產(chǎn)生納米尺度的ZrB？顆粒，隨后加入C？Ci？精煉劑，原位合成所需的顆粒以增強AMCs。這種方法有效地減少偏析和夾雜等缺陷，并且納米ZrB？團簇體均勻分布，制備的材料綜合性能優(yōu)良。趙玉厚等14以熔體反應法制備了原位生成的A1？Ti鋁基復合材料，其強度、伸長率及彈性模量等都顯著提高。

1.3粉末冶金法

粉末冶金法（PM）是先將鋁基體和增強體顆粒均勻混合，然后高壓熱燒結(jié)成型而制成復合材料。在燒結(jié)前，將基體與增強體進行均勻混合，確保增強體在基體內(nèi)不會出現(xiàn)團聚，同時熱壓燒結(jié)保證兩者之間結(jié)合緊密[15-17]。通過這種方法制備的復合材料增強體含量可控且分布均勻，制備的材料致密性高，性能優(yōu)良。此外，連續(xù)增強和非連續(xù)增強復合材料都適用該制備方法，特別是非連續(xù)增強的顆粒、晶須。該法的工藝流程相對復雜，制備周期長，且不易控制界面反應的發(fā)生，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

采用PM法制備的納米顆粒增強鋁基復合材料性能優(yōu)良，強度、硬度以及耐磨性能都相較于基體合金有明顯提高[18]。隨著增強相含量的增加，在強度提高同時其延展性明顯降低，導致其塑性成型難，這也是PAMCs面臨的主要問題之一。同時，也有學者應用該方法制備混雜增強AMCs，以不同尺度、不同形態(tài)的混雜相作為增強體。例如，以SiC納米線與顆?；祀s增強的AMCs，與使用單相顆粒增強的復合材料相比具有更好的強度-延展性匹配[19]。

1.4噴射成形法

噴射成形法是將高溫融化后的合金熔液通過惰性氣體的快速噴射過程制備成微小顆粒，微小顆粒在快速凝固過程中沉積固結(jié)在基體板上形成AMCs制件，其工藝流程如圖3所示[2]。根據(jù)增強體生成途徑的不同，噴射沉積法分為添加噴射沉積法和反應噴射沉積法。此技術(shù)中，鋁液的噴射與增強體的噴射相互協(xié)調(diào)，通過精確控制特定的比例和噴射速率，確保增強體在基體中的均勻分布和組織均衡。此技術(shù)更適用于制作薄膜狀的復合材料。

通過噴射沉積法制備SiC-PAMCs，晶粒均勻細小，無宏觀偏析，SiC顆粒在基體中沒有明顯的富集，

呈彌散分布，有效避免了增強體顆粒與基體表面出現(xiàn)有害反應，同時力學性能比基體材料顯著提高2-23。

制備方法對材料的性能有顯著影響，然而，增強體的種類、尺寸及含量等也對復合材料的性能有顯著影響。在相同制備工藝下有學者研究發(fā)現(xiàn)[24-25]，不同尺寸的SiC顆粒在基體中存在不同的分布規(guī)律。當增強顆粒粒徑較小時，局部團聚現(xiàn)象較為突出，而當顆粒粒徑增大時，SiC顆粒沿著擠壓方向的分布趨勢則變得更為明顯。另外，隨著SiC顆粒尺寸的減小，復合材料的疲勞壽命得到了相應的延長。

由于噴射沉積法是在真空或惰性氣體的保護下進行，基體合金與氧氣接觸較少，避免合金被氧化和污染，制備的材料晶粒細小，性能好，生產(chǎn)設備簡單，工藝流程簡潔，成本低廉，生產(chǎn)效率高有望實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。由于成品致密性較低、容易形成孔隙的問題仍然存在，對材料的力學性能造成一定影響，因此，精確控制噴射工藝參數(shù)，減少人為造成的制備缺陷，是該方法進一步發(fā)展應用的關鍵。

1.5浸滲法

浸滲法分為無壓浸滲和壓力浸滲2種，其中無壓浸滲法是先將增強體制成預制件，然后在模具內(nèi)由液態(tài)的基體合金在常壓下滲入到預制件的孔隙中，從而制備成復合材料。壓力浸滲法和常壓浸滲工藝一樣，最主要的區(qū)別是在浸滲過程中是否有壓力助力浸滲過程。

壓力浸滲法操作簡單，成本低廉，易獲得體積分數(shù)高和較大尺寸的復合材料，易于實現(xiàn)近凈成形，且增強顆粒的分布比鑄造法更均勻，同時可有效解決鑄件中的氣孔、氣泡和收縮，潤濕性差等缺陷問題[28-29]。這種方法難以抑制預制件引入的高孔隙率，且使用這種方法時，必須嚴格地控制制備工藝的溫度、壓力、冷卻速度和環(huán)境因素等參數(shù)。

1.6激光增材制造法

激光增材制造法即3D打印技術(shù)，使用高能激光熱源將金屬基體粉末與增強體熔化，并快速冷卻凝固，制備出復合材料。激光增材制造法主要涵蓋2個大的核心技術(shù)：一是選區(qū)激光熔化（selective lasermelting，SLM）技術(shù)，二是激光熔化沉積（laser melting deposition，LMD）技術(shù)。這2種技術(shù)均基于激光的高能量特性，通過精確控制激光與材料的相互作用，實現(xiàn)材料的逐層累加，從而制造出復合材料。其中，激光熔化沉積技術(shù)已經(jīng)成為金屬增材制造領域的主導技術(shù)。激光增材制造技術(shù)能夠生產(chǎn)出傳統(tǒng)工藝難以或無法加工的非常規(guī)結(jié)構(gòu)零部件。此外，該技術(shù)還可以與鑄造、金屬冷噴涂等制造工藝結(jié)合，形成復合制造工藝，從而實現(xiàn)更為簡短的制造流程，在制備過程中存在顆粒容易發(fā)生團聚等缺陷?？傮w而言，這種復合制造工藝不僅可以提高生產(chǎn)效率，還能為復合材料制備技術(shù)的發(fā)展注入新活力，其工藝原理如圖4所示[34]。

1.7其他方法

除以上幾種方法，還有擠壓鑄造法、直接氧化法、高溫水熱合成法等。如韓臻等采用高溫水熱合成法成功制備了一種新型的納米金屬氧化物復合材料，該材料含有碳、銀和銅元素，探討了銀和銅的添加量對復合材料吸附碘蒸氣能力的影響，并精確確定了在達到最佳吸附量時銀和銅的理想含量比例。

此外，有研究者嘗試將多種制備方法和工藝結(jié)合起來，以期獲得性能更為優(yōu)異的PAMCs。例如，可以先采用粉末冶金法制備出增強體分布均勻的復合材料坯料，然后再通過擠壓鑄造或鍛造等工藝進一步提高其致密度和力學性能。

不同的制備方法有不同的特點及適用性，目前還沒有一種制備方法得到研究者的廣泛認同，如表1所示為PAMCs制備方法及其優(yōu)缺點。目前，對顆粒增強PAMCs的制備方法及制備工藝仍在不斷探索，在PAMCs制備過程中需要根據(jù)基體和增強體的特性以及實際需求等來選擇適合的制備方法?？傊?，制備方法和工藝對PAMCs的發(fā)展至關重要，直接影響PAMCs的微觀結(jié)構(gòu)、性能以及應用前景。復合材料的制備方法和工藝將朝著高效、低成本、綠色環(huán)保、精準控制微觀結(jié)構(gòu)及多功能化的方向發(fā)展，這些趨勢將推動PAMCs在航空航天、汽車制造、電子器件等領域的應用不斷拓展和深化。

2界面

增強體與基體材料之間的結(jié)合區(qū)域為界面，是增強顆粒與基體之間的過渡區(qū)域，是復合材料重要的微結(jié)構(gòu)。界面作為連接基體與增強相的橋梁，對復合材料的力學性能及物理性能起著決定性作用[36-37]。界面不僅能作為載荷傳遞的主要載體，還能優(yōu)化應力的分布，有效地遏制裂紋的生成、傳播及擴展。當界面結(jié)合不佳時，加載初期就可能在界面處觀察到裂紋的形成，顯著削弱顆粒載荷分擔所帶來的強化效應。若界面結(jié)合強度過高，則在制造或后續(xù)加工過程中可能會引入較大的殘余應力，這些應力在加載初期就可能對材料的完整性造成不利影響。過高的界面結(jié)合強度可能導致復合材料在載荷作用下發(fā)生脆性斷裂，而過低的界面結(jié)合強度則無法有效地傳遞載荷，為確保復合材料的最佳性能，界面強度應保持在一個合適的范圍內(nèi)。在確保界面結(jié)合強度的同時，也需要考慮界面對材料整體性能的影響，以實現(xiàn)最佳的強化效果。

2.1結(jié)合方式

界面作為一過渡區(qū)域，與單相區(qū)相比，在化學成分及結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出顯著的變化，展現(xiàn)出復雜的力學特性及微觀結(jié)構(gòu)39-401。對界面進行深入研究有利于理解MMCs的強化機制及塑性性能。界面結(jié)合機制可分為3類，即機械結(jié)合、物理結(jié)合和化學結(jié)合。其中，機械結(jié)合主要是依靠基體與增強體之間產(chǎn)生的摩擦力來實現(xiàn)，這種結(jié)合方式的強度會受到增強體的比表面積和表面粗糙度的影響，普遍存在于各類復合材料中。而物理結(jié)合涉及分子之間的相互作用力，如范德華力和氫鍵，這種結(jié)合方式在聚合物基體的復合材料中占有重要地位?；瘜W結(jié)合即是化學鍵，化學鍵不僅可以增強界面的結(jié)合強度，還可以提高復合材料的耐腐蝕性能和抗氧化性能，一般存在于MMCs和陶瓷基復合材料中?；谏厦嫣岬降?種結(jié)合方式，MMCs的界面結(jié)合主要可以分為5類。

1）機械結(jié)合

機械結(jié)合指2個物體表面間通過類似臺階或鋸齒的幾何形態(tài)相互嵌合而實現(xiàn)的連接。當復合材料主要以這種界面結(jié)合方式為主時，機械性能往往不盡如人意。在實際的工程應用中，界面結(jié)合很少是純粹的機械結(jié)合，它通常與其他類型的結(jié)合方式（如物理結(jié)合或化學結(jié)合）共同存在，從而形成一個更為復雜的界面結(jié)構(gòu)。

2）溶解和潤濕結(jié)合

浸潤角小于90°時，基體與增強體之間發(fā)生浸潤和一定程度的溶解，它是電子間的靜電相互作用所驅(qū)動的，通常在幾個原子直徑的范圍內(nèi)發(fā)生。

3）反應結(jié)合

反應結(jié)合是一種依賴于化學反應的結(jié)合機制。它通過在結(jié)合表面生成化學鍵連接的化合物來實現(xiàn)增強體與基體之間的結(jié)合。這種結(jié)合方式涉及增強體和基體在界面上的化學變化，這是一個復雜且受多種因素影響的過程。這些因素包括增強體和基體的種類、結(jié)構(gòu)、特性，以及溫度、壓力和濃度等條件。此外，界面反應過程常與吸附、偏析和擴散等化學反應相互作用，共同影響結(jié)合效果。在特定環(huán)境下，如有氧環(huán)境中，增強體與基體發(fā)生氧化作用，形成氧化物的結(jié)合界面，從而提高材料的表觀穩(wěn)定性。

4）交換反應結(jié)合

當增強體和基體成分中存在2種或更多元素時，不僅增加了界面反應的可能性，還通過元素的擴散交換將增強體、基體和反應生成物緊密連接在一起。

5）混合結(jié)合

在MMCs中，混合結(jié)合被認為是最常見的結(jié)合方式之一。實際應用中復合材料的界面結(jié)合通常是多種結(jié)合方式共存。

Lee等[42]研究發(fā)現(xiàn)，在制備復合材料時高溫氧化處理增強顆?？梢杂行П苊饨缑娣磻⒔档涂紫堵?，進而顯著提升界面結(jié)合強度，其性能尤其是耐磨性能大幅提高。同樣地，Urean等采用液態(tài)金屬與增強顆粒表面氧化物發(fā)生化學反應的策略，以強化界面結(jié)合，從而改善材料的力學性能。Dong等44運用真空擴散技術(shù)，在增強體表層覆蓋硼顆粒，不僅優(yōu)化了界面潤濕性，還增強了界面結(jié)合力，有效減少了界面開裂現(xiàn)象，并使得材料的抗拉強度和斷裂延伸率均得到顯著提升。這些研究共同為復合材料的界面優(yōu)化和性能提升提供了有益的探索和實踐。

MMCs的增強性能在很大程度上依賴于基體與增強體界面的結(jié)合強度。當AMCs被加熱到溫度為570℃（比基體固相線的溫度低73℃）時，界面并未形成新的物相，并且界面保持干凈平整，但是基體與增強體之間的結(jié)合力有所減弱。這種情況會導致材料在彈性變形的過程中界面受到破壞，進一步導致彈性模量的減小。

基于上述界面的不同結(jié)合方法，一些學者將其分類為I、I、Ⅲ型3個不同的類別。I型指的是增強體與基體金屬之間既無化學反應也無溶解現(xiàn)象，這種界面通常涉及機械結(jié)合。II型發(fā)生在增強體與基體金屬之間，這種界面的結(jié)合包括溶解與潤濕過程。ⅢI型是指增強體與基體金屬之間發(fā)生了化學反應，生成了特定的化合物，這類界面涵蓋了反應結(jié)合、交換反應結(jié)合以及混合結(jié)合等多種結(jié)合方式4。

2.2結(jié)合強度

復合材料的強度取決于界面能否高效的傳遞載荷，依賴于增強相與基體材料之間的界面結(jié)合強度，在界面中通過引入金屬元素（如Mg）等進行界面調(diào)控可以進一步改善顆粒增強鋁基復合材料的界面結(jié)合[45-46]。PAMCs的增強體與基體之間在高溫下容易發(fā)生界面反應，生成一些脆性化合物。這些化合物可能會削弱界面結(jié)合強度，使得復合材料在受到外力作用時容易發(fā)生失效。此外，界面反應還可能導致增強體與基體之間的潤濕性變差，進一步影響界面結(jié)合強度，從而影響復合材料的整體性能。依據(jù)界面反應的強弱，界面反應程度分為以下3類[41-49]：

第1類是弱界面反應。弱界面反應發(fā)生在2種材料接觸的界面上，但反應輕微，僅產(chǎn)生少量反應產(chǎn)物，對增強材料的損傷極小，甚至可忽略不計。這種反應能有效改善液態(tài)金屬與增強體之間的潤濕性，減少界面微孔數(shù)量，實現(xiàn)理想的界面融合效果。該界面強度適中，能高效傳遞載荷并提高材料的整體性能。同時，它能形成脫離黏附的界面，產(chǎn)生橋聯(lián)效應，減輕應力集中并阻止裂紋擴展

第2類是中等程度的界面反應。隨著界面反應程度增加，反應產(chǎn)物數(shù)量增多，增加了裂紋偏轉(zhuǎn)和界面脫黏的難度，界面結(jié)合強度明顯增強。當復合材料受到外界載荷作用時，裂紋容易向纖維內(nèi)部擴展，導致材料的脆性破壞。這種破壞現(xiàn)象最終導致復合材料在低應力下發(fā)生斷裂。

第3類是強的界面反應。強界面反應劇烈，界面處聚集大量反應物或形成脆弱的反應物層，嚴重破壞增強體的完整性和承載能力。當發(fā)生劇烈界面反應時，復合材料的整體性能極差，甚至某些復合材料的強度低于基體強度。

在復合材料界面結(jié)合時由于增強相與基體的潤濕性較差，對復合材料制備及界面結(jié)合造成不利影響，而適當?shù)慕缑娣磻梢杂行Ц纳茝秃喜牧系慕缑娼Y(jié)合強度而大幅提高復合材料性能

為了獲得高性能的PAMCs，需要控制和利用界面反應，以獲得合適的界面結(jié)合強度。通過選擇合適的增強體、優(yōu)化制備工藝、添加界面改性劑等方法來實現(xiàn)，例如：可以選擇與鋁基體相容性好的增強體，以減少界面反應的發(fā)生；優(yōu)化制備工藝可以控制界面反應的程度和速率；添加界面改性劑可以改善增強體與基體之間的潤濕性，提高界面結(jié)合強度。

2.3界面表征

目前，在對界面形貌及界面結(jié)構(gòu)進行表征時采用的主要工具仍是掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）？1-53。采用SEM可以直接觀察到顆粒與基體之間的界面形態(tài)、顆粒分布及界面處的微裂紋、孔洞等缺陷。TEM在界面行為檢測中提供了更深入的微觀信息，可揭示界面區(qū)域的原子排列、相結(jié)構(gòu)、位錯等，有助于理解界面處的物理和化學作用機制。另外，對界面表征常用的還有原子力顯微鏡（AFM）、X射線衍射儀（XRD）、顯微拉曼光譜、能譜分析（EDS）及同步輻射技術(shù)等，其中EDS、XRD主要對材料組織及物相（成分）進行分析。

近年來，在原子尺度上表征復合材料界面逐漸受到關注，通過對界面原子尺度的深入研究，可以清晰地理解復合材料界面的結(jié)合方式，這種研究通常涉及使用先進的實驗技術(shù)和計算方法，以揭示界面處原子結(jié)構(gòu)和相互作用。從原子尺度能夠直接觀察界面處的原子排列和鍵合情況，以及晶體的取向與界面結(jié)合的關系。通過高分辨率的顯微技術(shù)獲得界面結(jié)構(gòu)的原子級圖像。這些圖像揭示了原子之間的相對位置和鍵合類型，從而提供了關于界面結(jié)合方式的直接信息。此外，通過原子尺度的計算模擬，可以進一步理解界面結(jié)合的本質(zhì)。這些模擬通?；诹孔恿W或經(jīng)典力學原理，可以預測界面處的原子結(jié)構(gòu)和能量。通過比較不同結(jié)合方式的模擬結(jié)果，可以確定哪種結(jié)合方式在能量上更有利、更穩(wěn)定。模擬還可以揭示界面處的電子結(jié)構(gòu)和化學鍵特性，提供關于界面結(jié)合強度的信息。另外，為了更深入地探究不同物質(zhì)的結(jié)合方式，對界面間的電子構(gòu)造也需進行更為深入的研究。

Dudiy等57利用第一性原理研究Ag-Ti（C，N）界面空位對其結(jié)合的影響，發(fā)現(xiàn)C（N）界面存在空位，導致Ag-Ti（C，N）的界面結(jié)合變得更為緊密。由于C（N）空位的存在，使Ti與Ag原子間發(fā)生強烈鍵合，因此加強了界面結(jié)合。Matsunaka等58運用第一性原理深入研究了非共格Ni-MgO界面，解釋了界面中氧化物表面空位的作用機制，發(fā)現(xiàn)O空位可以引發(fā)電荷轉(zhuǎn)移，進而在界面的離子間產(chǎn)生鏡像現(xiàn)象，對界面結(jié)合能造成影響。另外，納米級Al？O？/SiC多相的增韌作用機制研究表明，當外部應力作用于這種材料時，納米級Al？O？和SiC顆粒之間發(fā)生強烈的變形和扭曲，這種變形導致晶界的位錯和位錯減縮，進而改善材料的塑性和韌性。

在PAMCs的研究中，界面結(jié)構(gòu)問題尤為關鍵，仍存在諸多待解決的挑戰(zhàn)。具體而言，PAMCs的界面研究面臨以下問題：1）如何精準調(diào)控增強體與基體之間的界面反應，確保其處于一個合適的范圍內(nèi)；2）增強體與基體之間潤濕性的改善；3）探明微觀-宏觀性能與界面結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系；4）界面微觀組織結(jié)構(gòu)的細致表征；5）復合材料各組分對界面結(jié)構(gòu)的具體影響；6）界面的長期穩(wěn)定性。其中，增強體與基體之間的潤濕性不佳和界面反應調(diào)控的難題，已成為制約MMCs進一步發(fā)展的關鍵因素[59]。為了推動PAMCs的發(fā)展，未來的研究需深入探索這兩個問題的解決方案，并系統(tǒng)研究其他界面結(jié)構(gòu)問題，以全面提升材料的綜合性能。

3力學性能

3.1強化機制

PAMCs的力學性能受到多種強化機制的聯(lián)合影響，其中載荷傳遞強化和細晶強化等機制尤為顯著。PAMCs的強化機理主要包括：1）顆粒承載強化。顆粒本身對材料起到支撐作用，能夠有效地傳遞載荷，從而增強材料的整體強度。2）細晶強化。由于顆粒的存在，晶粒細化，晶界增多，有效阻礙位錯運動及裂紋的擴展，進而顯著提高材料的性能。3）奧羅萬（Orowan）強化。當位錯運動遇到增強體顆粒及硬質(zhì)彌散質(zhì)點時，通常難以直接通過，位錯被迫繞行。這種繞行增加了位錯移動的阻力，進而增強變形抗力，改善材料力學性能。一般認為在上述強化機理中，載荷傳遞強化對PAMCs力學性能的貢獻更為顯著。PAMCs的強化效果和增強相本身的強度密切相關，載荷傳遞雖能提高力學性能，但增強顆粒在材料受力過程中可能產(chǎn)生破裂而失效。例如，SiC-PAMCs在受到外加載荷時應力經(jīng)基體傳到SiC顆粒，導致顆粒出現(xiàn)了不同程度的開裂或破碎，其受力及破裂過程演變?nèi)鐖D5所示。

3.2力學性能

PAMCs的性能受增強體的含量、尺寸等多種因素的影響[60-61]，這些因素的協(xié)同作用賦予了PAMCs的可設計性，使得PAMCs在多種工程應用中成為較理想的選擇。目前，PAMCs性能研究及應用最多的性能主要有硬度、抗拉強度及耐磨性能等。雖然，PAMCs力學性能取決于組分、制備工藝等因素，但陶瓷顆粒的加入普遍會使復合材料的硬度、抗拉強度及耐磨性能得到顯著提高[62-65]。

在對PAMCs力學性能進行研究中發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化制備工藝可以得到增強體分散均勻，力學性能優(yōu)越的復合材料62。用鑄造法和粉末冶金法制備的不同體積分數(shù)的TiC顆粒增強的Al-xCu基復合材料，復合材料的硬度大幅提高106%63。Singh？4采用攪拌鑄造工藝制備了混雜增強復合材料，通過對混雜相的優(yōu)化提高了材料性能，抗拉強度從318 MPa升至385 MPa，提高21%。質(zhì)量分數(shù)為20%的混雜復合材料，由于顆粒的團聚導致硬度和拉伸強度都有所降低。在Kumar等66的研究中，在PAMCs中原位生成硬質(zhì)陶瓷相制備成的混雜增強復合材料，性能改善明顯，尤其是耐磨性提高了33.07%。

不同的處理工藝對復合材料的性能也有顯著影響，尤其是熱處理工藝。比如，固溶工藝對原位合成TiB？-6061Al復合材料力學性能的影響，復合材料經(jīng)固溶處理后（溫度為530℃，時間為10h），其硬度和耐磨性能顯著提高，與未處理的材料相比，硬度和耐磨性都得到大幅提高，分別為79.5%和59.1%67。

增強體的尺寸、配比等對復合材料的性能同樣影響顯著。Li等研究發(fā)現(xiàn)，納米SiCp可以作為Mg？Si的異質(zhì)形核質(zhì)心，從而使共晶Mg？Si被細化，抗拉強度比Al-Cu基體合金高33.5%。此外，Sharifi等也探究了混雜增強AMCs的摩擦磨損性能。采用B？C和粉煤灰顆粒進行混雜增強，增強效果明顯，磨損性能得到了提高。這些研究為復合材料的優(yōu)化設計和應用提供了有益的參考。

PAMCs由于顆粒的加入可以在基體中產(chǎn)生大量位錯，從而強化復合材料提高其硬度，其硬度值在70～150 HV之間。硬度改善關鍵在于增強顆粒的選擇、熱處理工藝、以及界面結(jié)合等，通過合理調(diào)控這些因素，可以協(xié)同提高復合材料的硬度。磨損性能受到多種因素的影響，包括增強體的種類、含量、分布，基體合金的微觀結(jié)構(gòu)，以及外部摩擦條件等。在實際應用中仍需通過優(yōu)化材料設計和制備工藝，進一步提升PAMCs的耐磨性能，以滿足不同工況下的使用需求。PAMCs的強度并不是增強體含量越高越好，且其強度受增強體團聚影響明顯，可進一步探索減少顆粒團聚的方法，提高增強顆粒的分散性，以獲得更高性能的復合材料。

綜上所述，PAMCs在力學性能方面所展現(xiàn)出的顯著優(yōu)勢和巨大潛力，為現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支撐。PAMCs不僅硬度高，抗拉強度強，而且具有良好的耐磨性，然而，隨著科技的進步和工程需求的不斷提升，對PAMCs性能的要求也在日益提高。未來的研究需要不斷探索和創(chuàng)新，進一步提升PAMCs的綜合力學性能。另外，PAMCs制備方法和界面結(jié)合狀態(tài)共同決定了其性能。制備過程中，增強體的分散性、顆粒大小、含量以及界面反應等因素都會影響復合材料的性能。界面結(jié)合狀態(tài)的好壞直接影響復合材料的強度和韌性。通過不斷優(yōu)化制備工藝、界面設計和功能開發(fā)，可以推動PAMCs在更多領域的應用和發(fā)展。

4結(jié)論與展望

1）復合材料的制備方法對增強體在基體中的分布、界面結(jié)合和性能產(chǎn)生顯著影響。選擇制備方法時需綜合考慮所需的材料性能、生產(chǎn)成本及工藝可行性。未來的研究應致力于開發(fā)低成本、綠色環(huán)保等新型高效的制備技術(shù)，優(yōu)化PAMCs的微觀結(jié)構(gòu)和性能。

2）界面結(jié)合對PAMCs的整體性能至關重要，良好的界面結(jié)合能提高材料的強度和韌性。通過設計界面結(jié)構(gòu)并調(diào)控界面反應等，可以進一步提升PAMCs的性能。

3）強化機制包括顆粒承載強化、細晶強化、奧羅萬強化等，它們共同決定材料的特性。通過成分設計、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控以及制備工藝優(yōu)化等手段，實現(xiàn)多種強化機制的協(xié)同作用，可最大限度地提升材料的性能。控制界面反應也是PAMCs關鍵發(fā)展方向之一。

PAMCs因其低密度及出色的韌性、延展性、耐磨性和熱穩(wěn)定性而在工程技術(shù)領域中占有重要地位。盡管對其研究已取得進展，但仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。未來發(fā)展的關鍵在于優(yōu)化復合材料的結(jié)構(gòu)，改進制備工藝使其效率高、成本低，以及提高基體材料與增強相之間的相容性和增強相的分散性。此外，通過優(yōu)化制備工藝、界面調(diào)控及結(jié)構(gòu)設計使PAMCs同時擁有高強度和塑性是其未來發(fā)展的關鍵。

利益沖突聲明（Conflict of Interests）

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻（Author's Contributions）

唐彬彬和馮思雨主導了論文結(jié)構(gòu)與主題設計，其中馮思雨負責資料搜集與文章撰寫，唐彬彬和金培鵬參與論文的審閱與修改，段君元審閱了論文。所有作者均閱讀并同意提交稿件。

The topic and structure of the paper were conceived by FENG Siyu and TANG Binbin.FENG Siyu wasresponsible for reference collection and manuscript preparation.TANG Binbin and JIN Peipeng reviewed andrevised the paper.DUANJunyuan reviewed the paper.All authors have read the last version of paper andconsented to its submission.

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Preparation and interfacial behavior ofparticle-reinforced aluminum matrix composites

TANG Binbin1，F(xiàn)ENG Siyu1，DUAN Junyuan2，JIN PeiPeng1

1.School of Mechanical Engineering，Qinghai Provincial Key Laboratory of New Light Alloys，QinghaiUniversity，Xining 810016，China;

2.School of Materials Science and Engineering，Hubei Key Laboratory of Plasma Chemistry and Advanced Materials，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430025，China

Abstract

Significance Particle-reinforced aluminum matrix composites（PAMCs）have the advantages of low density and high specificstrength.In the field of engineering and technology，PAMCs have attracted significant attention due to their superior mechanicalproperties and dimensional stability.However，challenges with particle dispersion and interfacial bonding limit further improve-ment in their properties.To solve these problems in the process of PAMC preparation and bonding，it is necessary to seek moresuitable composite preparation processes and interfacial bonding methods.Therefore，this paper focuses on the preparation meth-ods and interfacial bonding of PAMCs.

Progress At present，the research on PAMCs mainly includes preparation technologies and interfacial bonding.Differentprepa-ration methods exhibit different characteristics and applicability，but no single preparation method has been widely recognizedamongresearchers.The preparation methods and processes of PAMCs are still being explored.The selection of suitable prepara-tion methods and processes must consider the characteristics，requirements，and actual conditions of the matrix and reinforce-mentmaterials.Interfacial bonding is an important theoretical basis for developing new materials，devices，andtechnologies.Studies have shown that the strengthening mechanism of PAMCs largely depends on the interfacial bonding strength between thematrix and the reinforcement.ForPAMCs，there are stll many problems related to interface structure that need to be solved.The paper offered an overview of the main methods used to fabricate PAMCs，including powder metllurgy，stircasting，in-situsynthesis，spraydeposition，extrusioncasting，directoxidation，high-temperature hydrothermal synthesis.It also highlightedthe distinctive features and potential applications of these methods.Interfaces of PAMCs were introduced from the aspects ofbindingmodes，bindingstrength，and interface characterization.It further explored the vital role of interfacial bonding strengthin composite performance and explained the three primary interfacial mechanisms：mechanical，physical，and chemical bond-ing.Additionally，recent research progress in PAMCs was summarized，with a focus on mechanical strength，corrosionresis-tance，and dimensional stability.

Conclusions and Prospects The preparation methods of composite materials have a significant impact on the distribution of rein-forcements in the matrix，interfacialbonding，and material performance.The choice of preparation methods should comprehen-sively consider the required material properties，productioncosts，and technological feasibility.Interfacial bonding is crucial tothe overall performance of PAMCs，and good interfacial bonding can improve the strength and toughness of the material.Overthe past few decades，significant progress has been made in composite material preparation technologies，mainly including pow-der metallurgy，stircasting，spraydeposition，and in-situ synthesis.Amongthese，spray deposition technology produces com-posites with unique advantages，such as uniform particle distribution and fine grains，and shows great potential for future appli-cations and development.However，to prepare PAMCs with good comprehensive properties and stability，improving the prepara-tion process to achieve high efficiency，lowcost，stability，andreliability，as well as enhancing the compatibility between thematrix material and the reinforcement phase and the dispersion of the phase，remains key to solving the preparation challenges.Some breakthroughs have also been made in the study of interfacial bonding.The degree of interfacial reaction hinders the fur-ther development of the comprehensive mechanical properties of PAMCs.Controlling the interfacial reaction is one of the maindirections for future research.Furthermore，the significant mismatch between the plasticity and strength of PAMCs poses amajor challenge to their development.Further progress in PAMCs lies in the meticulous regulation of interfaces and optimizationofpreparation techniques to fabricate materials with both high strength and satisfactory plasticity.

Keywords：aluminum matrix composites;preparationprocess;particle-reinforced;interfacial behavior

（責任編輯：吳敬濤）