颗粒增强铝基复合材料的研究与发展

铝基相关

第24卷第5期 2008年9月昆明冶金高等专科学校学报JournalofKunmingMetallurgyCollegeVol 24No 5Sep 2008

颗粒增强铝基复合材料的研究与发展

刘智雄,刘荣佩,张国强

(昆明理工大学材料与冶金工程学院,云南昆明650093)

摘 要:金属基复合材料(MMCs)是新材料的重点研究领域,尤其是颗粒增强铝基复合材料(PRA)在金属基复合材料中占有重要地位。介绍了颗粒增强铝基复合材料的组分、性能、界面、制备新技术和应用,并提出了当前颗粒增强铝基复合材料研发过程中所面临的问题,展望了其发展趋势。

关键词:颗粒增强铝基复合材料;组分;界面;制备技术;应用

中图分类号:TB331 文献标识码:A文章编号:1009-0479-(2008)05-0005-06

ResearchandDevelopmentofParticle reinforced

AluminumMatrixComposites

LIUZhi xiong,LIURong pe,iZHANGGuo qiang

(FacultyofMaterialandMetallurgicalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093,China)Abstract:MetalMatrixComposites(MMCs)isanewandimportantresearchareaofnewmaterials.Par ticle-reinforcedAluminumMatrixComposites(PRA),inparticular,occupiesasignificantpositiona mongMMCs http://www.77cn.com.cnponents,capability,interface,newpreparationtechnologyandapplicationofPRAwereintroduced.Problemsinthematerials'researchanddevelopmentprocesswerediscussed.

Keywords:particle reinforcedaluminummatrixcomposites;components;interface;preparationtech nology;application

0引言

颗粒增强铝基复合材料(PRA)是以铝及铝合金为基体,与颗粒增强体人工合成的复合材料,是最具发展潜力的金属基复合材料之一,其中以碳化硅、氧化铝颗粒增强铝基复合材料的发展最为迅猛,已广泛应用于航空航天、汽车制造、电子电气等领域,能代替铝合金、钛合金、钢等材料制造高性能轻型构件,并可提高材料的性能、使用寿命和仪器精度。

1颗粒增强铝基复合材料的组分

颗粒增强铝基复合材料的组分包括基体和增强体。

基体的作用是:固结增强体、传递和承受载荷、赋予复合材料以特定的形状。基体是颗粒增强铝基复合材料的主要承载组分,对材料的性能具有决定性影响。一般选用高强度的铝合金作基体。

增强体主要有碳化物(SiC、TiC等)、氧化物(Al2O3、TiO2等)、氮化物(SiN等)、硼化3N4、Al

物(TiB2、B4C等)和石墨[1]。

根据软硬程度,颗粒增强体可分为两种。一种是硬质的陶瓷颗粒,加入到铝合金基体中可以显著提高材料的强度、耐磨性、抗变形能力和热膨胀性能。这种复合材料主要用于制作航空航天领域的结构件、电子壳体、汽车发动机和其它零部件。另一种是软质颗粒,如石墨。大部分软质颗粒是优良的润滑收稿日期:2008-07-09:(1982-),男,,,

铝基相关

体,软质颗粒增强的铝基复合材料具有良好的耐磨和减振性能,主要用于制作发动机的缸套、轴瓦和机座。

颗粒增强体通过两种机制产生增韧效果:

(1)当材料受到破坏应力时,裂纹尖端处的颗粒发生显著变化,如晶型转变、体积变化、微裂纹的产生和扩展等。它们消耗能量,提高了材料的韧性。

(2)材料中的第二相颗粒使裂纹的扩展路径发生改变,如裂纹偏转、弯曲、分叉、桥接和钉扎等,从而产生增韧的效果[3][2]。

两种机制同时发生时,称为混合增韧。

2颗粒增强铝基复合材料的性能

颗粒增强铝基复合材料的性能主要取决于铝合金的种类,增强体的特性、含量、分布,以及界面状态等。由于在基体中加入了高强度、高模量的陶瓷颗粒,因此,陶瓷颗粒增强的铝基复合材料具有很高的比强度和比模量。

颗粒增强铝基复合材料中的铝合金基体占有很高的体积分数,大部分为80%~90%,因此保持了良好的导热性。

增强体的加入,提高了材料的弹性模量和强度,但往往使延伸率下降。增强体通过五种强化机制对

[4]材料的性能产生影响,即固溶强化、位错强化、细晶强化、亚结构强化和应变硬化作用。强化机制

对材料性能的影响程度应根据材料的种类和不同的变形阶段来确定,很难进行精确的分析。

颗粒增强铝基复合材料的强度是协同效应的结果。协同效应反映了组分材料的原位特性,即各组分单独存在时的性能不能表征组成复合材料后的性能。目前协同效应的力学模型和基本规律尚未充分建立,对其进行理论分析的难度很大。强度问题的复杂性来源于组分的各向异性、不规则分布和不同的破坏模式,包括增强体的种类、含量和均匀分布程度,基体合金的种类和热处理状态,界面结合的性质和强弱,裂纹生长的干预等。增强体偏聚团是裂纹源,在材料受载时将加快裂纹的扩展。制备技术的不同将导致微观结构的差异,如亚晶粒和位错密度的大小等也会影响材料的强度。同时,颗粒增强铝基复合材料的强度和破坏方式具有一定程度的随机性。

颗粒增强铝基复合材料的最大缺点在于延伸率低,主要原因是复合材料的断裂方式与基体不同。材料受载时,粗大的颗粒(>10 m)可能成为裂纹源。对于弱强度结合的界面,易发生界面脱离,导致

[5]裂纹的产生。脆性金属间化合物也会导致材料的延伸率下降。

颗粒增强铝基复合材料的其它优异性能包括:线性膨胀系数小、尺寸稳定性好、高温性能稳定、耐磨性高、疲劳性能和断裂韧性好、不吸潮、不老化、气密性好、二次加工性能较好等。

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