复合材料学报
第27卷 第1期 2月 2010年
A ct a M ateri ae C om p o sit ae Sini c a
Vol 127
No 11
February
2010
文章编号:100023851(2010)0120051206
收稿日期:2009201216;收修改稿日期:2009207208基金项目:国家自然科学基金(50571081)
通讯作者:樊建锋,副教授,研究方向:镁合金新材料研发与加工 E 2mail :fanjianfeng77@hot https://www.doczj.com/doc/672171025.html,
Al 72Ni 12Co 16/A365准晶颗粒增强铝基复合材料的
制备及其力学性能
关 明1,樊建锋32
(1.太原科技大学材料科学与工程学院,太原030024;2.太原理工大学材料科学与工程学院,
新材料界面科学与工程教育部重点实验室,太原030024)
摘 要: 制备了增强相体积分数为5%～20%的系列Al 72Ni 12Co 16P /A356准晶增强铝基复合材料。其中增强相
Al 72Ni 12Co 16通过将严格按化学成分配比的Al 72Ni 12Co 16浇于水冷铜基板上激冷凝固而获得。TEM 和XRD 分析结
果表明所获得的材料为单相准晶材料。准晶增强铝基复合材料经热挤压处理后,绝大部分的铸造缺陷被消除,力学性能测试显示当准晶相的加入量为20%时,铝基复合材料的抗拉强度、屈服强度、弹性模量等性能分别从基体材料的275MPa 、200MPa 和70GPa 提高至410MPa 、350MPa 和102GPa ,而延伸率却从6%降低至3%。分析了准晶增强铝基复合材料的断裂机制和增强机制,准晶颗粒增强铝基复合材料的断裂机制可能有如下3种:界面及其附近区域脱粘、基体在集中的滑移带内撕裂和颗粒断裂,而其增强机制主要是细晶强化、弥散强化和固溶强化。
关键词: Al 72Ni 12Co 16准晶;颗粒增强复合材料;搅拌熔铸;力学性能中图分类号: TB331 文献标志码:A
Preparation and mechanical properties of Al 72Ni 12Co 16/A365
qu asicrystal particle reinforced Al matrix composites
GUAN Ming 1,FAN Jianfeng 32
(1.College of Materials Science and Engineering ,Taiyuan University of Science and Technology ,Taiyuan 030024,China ;
2.College of Materials Science and Engineering ,Key Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced
Materials of Ministry of Education ,Taiyuan University of Technology ,Taiyuan 030024,China )
Abstract : Al matrix composites with Al 72Ni 12Co 16particles of volume f raction ranging f rom 5%～20%were prepared.The quasicrystal material was obtained by casting Al 72Ni 12Co 16alloy on the water cooling copper substrate.TEM and X 2ray diff raction analysis indicate that the obtained material is single 2phase quasicrystal material.Most defects of as 2cast composites are eliminated by the hot extrusion ,and the mechanical property test reveals that with addition of Al 72Ni 12Co 16,the tensile strength ,yield strength and elastic modulus of Al matrix composites increase remarkably f rom 275MPa ,200MPa and 70GPa to 410MPa ,350MPa and 102GPa ,respectively ;on the other hand ,the elongation decreases from 6%to 3%.Based on the above experiment ,the fracture mechanism and strengthening mechanism were discussed in detail.
K eyw ords : Al 72Ni 12Co 16quasicrystal ;particle reinforced composites ;stirring casting ;mechanical property
颗粒增强铝基复合材料以其较高的比强度、比刚度、弹性模量、耐磨、耐疲劳及低热膨胀系数等优良的力学和物理性能,成为最具竞争力的金属基复合材料之一,是金属基复合材料的研究热点,在航天航空、军事、汽车、3C 和体育运动等领域得到日益广泛的应用[124]。常用的金属基复合材料制备
方法有扩散结合法、粉末冶金法、熔铸法、压力或无压浸渗法、喷射沉积法和原位复合法等。这些技术工艺虽然各有特点,但其共有缺点就是工艺复杂、生产成本高,这也是金属基复合材料难以广泛应用的重要原因之一[527]。因此,降低复合材料生产成本是促进其大规模应用的重要环节。在各种制
造技术中,普遍认为熔铸法是最适合工业化低成本制备金属基复合材料的技术。
熔铸法常用的添加增强体陶瓷颗粒(如SiC, Al2O3等)与金属基体间的润湿性较差,增强相与基体的界面结合较弱,不仅严重制约了复合材料性能的提高,而且为了改善其润湿性而采取的各种处理方法也大幅增加了材料的制备成本并延长了材料的制备流程。铝基准晶的发现为改善上述状况提供了新的途径。由于铝基准晶颗粒不仅具有高硬度、高弹性模量、高热力学稳定性、低表面能等特性,而且与铝合金基体间的润湿性也非常好,用铝基准晶颗粒作为铝基复合材料的增强体,完全可以避免陶瓷颗粒润湿性差的缺点。这既可为准晶的应用提供新途径,又为铝基复合材料工业化生产、简化生产工艺过程、降低生产成本创造有利条件。在所有十面体准晶的合金系中,Al2Ni2Co系被认为是最易形成准晶的体系之一,且稳定准晶的成分为Al72Ni12Co16。Y o koyama等[8]从Al72Ni12Co16熔体中直接获得了稳定的十面体准晶,并建立了伪二元的Al100-2x Ni x Co x合金系的平衡相图。
文中通过急冷快速凝固法制备大块Al72Ni12Co16准晶,研究了准晶颗粒在铝合金基体中的搅拌分散技术;系统地考察了准晶颗粒的加入对铝合金力学行为的影响。
1 实验方法
实验所用准晶材料由工业纯Al(99.9 wt%)、纯Ni(99.9wt%)和纯Co(99.5 wt%)在电阻炉中熔配而成。首先严格按照Al72 Ni12Co16的成分配比熔炼准晶合金,并将其浇到水冷铜基板上获得急冷合金锭,然后将合金锭破碎成块并在行星式球磨机上机械球磨,最后将球磨后的粉末过筛得到颗粒度为5～10μm的准晶颗粒。众所周知,十面体准晶具有奇异的结构与对称性,即其同时具有准周期方向(沿2次轴)和周期方向(沿10次轴),本文中拟利用这一特性及Yamamo2 to等人[9]的研究成果,采用X射线粉末衍射、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等仪器对所制备的单相准晶材料进行初步鉴定。所用基体材料为常用铸造铝合金A356。为有效减少准晶颗粒的损失,搅拌熔铸工艺在基体合金的半固态区间进行,搅拌温度为600℃(A356的结晶温度范围约为575～615℃)。材料成分用感应式耦合等离子原子发射光谱法(Inductively coupled plasma atomic emis2 sion spectro scopy met hod,简称ICP2A ES)测定。微观组织形貌分析在光学显微镜上进行。在J EM2 200C K透射电镜上考察准晶形貌及增强相与基体金属间的界面结合状况。材料力学性能试验在日本产A G225TA电子万能试验机上进行。由引伸计分别得到应力和应变信号,在X2Y记录仪上绘出应力2应变曲线和回滞曲线,然后计算出对应试样产生0.2%永久变形的屈服强度σ0.2,并根据回滞曲线计算出材料的弹性模量。
2 实验结果及分析
2.1 大块准晶材料的制备
由于准晶是一种新材料,很多性质尚不为人所知,对它的鉴定需从多方面仔细考证。图1为Al72Ni12Co16激冷试样的透射电镜分析图谱。图1 (a)表明该试样中晶粒呈十棱柱状,图1(b)为沿十棱柱的轴向进行透射电镜分析所得的斑点,表明沿轴向该晶粒具有10次旋转对称性;图1(c)为沿十棱柱的径向进行透射电镜分析所得的斑点,表明沿轴向该晶粒具有分层结构,且每层结构相同;图1(d)说明该晶粒还具有6次旋转对称性。以上这些特点都表明该晶粒是十面体准晶。
以上的分析只能说明所制备的试样中含有准晶晶粒,为进一步证明该试样是单相十面体准晶,对其进行了X射线粉末衍射分析,所得衍射图谱见图2。图2中各明锐峰的指数都已按Yamamoto和Ishihara的标定[9]给出。可以看出,该试样是单相准晶,其体积分数几乎达100%。
2.2 复合材料的制备
为了改进高体积分数颗粒增强金属基复合材料的制备工艺,使颗粒均匀分散,本文中采用半固态分阶段变速搅拌法。在搅拌开始时,以一定速率逐渐增加搅拌速度,这样就不会使熔体液面提升太快。然后在高速恒速搅拌一定时间后,再将搅拌速度逐渐降低至中等速度(以被湮没的粉末全部暴露为标准),此时熔体液面下降,表面形成足够大的涡流。待全部粉末进入熔体后,再逐渐提高搅拌速度,高速搅拌一定时间,以便进入熔体的粉末充分分散。具体搅拌方法见图3。在搅拌完成后仍保持低速搅拌是为了帮助卷入熔体中的气体逸出。
采用上述搅拌工艺制备的准晶颗粒体积分数为
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图1 Al72Ni12Co16十面体准晶的TEM分析
Fig.1 TEM morphologies Al72Ni12Co16decahedral
quasicrystal
图2 Al72Ni12Co16合金的X射线粉末衍射谱
Fig.2 X2ray powder diffraction pattern of Al72Ni12Co16alloy
5%～20%的系列铝基复合材料微观组织如图4所示。准晶颗粒非常均匀地分散于铝合金基体中,分布是随机的,没有明显的团聚现象。图5为20%Al72Ni12Co16P/A356复合材料界面结构图。由图5可以看出,准晶颗粒与基体之间的界面清晰、结合良好,未发现脱粘现象。这表明,铝液与准晶颗粒润湿复合,得到致密的准晶颗粒增强铝基复合材料。
2.3 准晶颗粒增强铝基复合材料的热挤压
对于金属基复合材料,增强相的加入使熔体变成了一种半固态浆料,流动性大大降低,气孔和缩孔倾向增加,因此,常规的重力铸造成型方法所制备的坯锭因铸造缺陷太多而无法使用。解决这一问题的方法通常有2种[10212]:(1)采用压力铸造、挤压铸造和真空吸铸等方法,将复合材料熔体在外界压力下成形,这样既可以增加熔体补缩能力,减少或消除缩松和缩孔的产生,又可以通过破碎熔体中较大的气孔使之弥散化,增加气体在材料中的溶解度而减少气孔,最终得到组织致密的复合材料铸件;(2)对铸造坯锭进行挤压、锻造和轧制等塑性变形处理,这些处理不仅能使复合材料的密度显著提高,铸造缺陷大部分消除,同时还能使复合材
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关 明,等:Al72Ni12Co16/A365准晶颗粒增强铝基复合材料的制备及其力学性能
图3 搅拌熔铸法制备Al 72Ni 12Co 16P /A356复合材料的工艺
Fig.3 Stirring casting process for Al 72Ni 12Co 16P /
A356
图4 不同颗粒含量Al 72Ni 12Co 16P /A356金属基复合材料
Fig.4 Al 72Ni 12P Co 16P /A356metal matrix composite system wit h different volume fractions of
particles
图5 20%Al 72Ni 12Co 16P /A356复合材料界面结构
Fig.5 TEM microstructure of t he interface of
20%Al 72Ni 12Co 16P /A356composite
料内部颗粒分布更加均匀,性能得到进一步提高。对金属型铸造制成的Φ90mm 铸锭进行热挤压,挤出棒材直径为Φ30mm ,挤压比为9∶1。由于铸锭尺寸比较大,挤压前需要较长时间的预热,铸锭温度才能达到均匀。通过在铸锭心部插入热电偶,测得在炉温400℃的条件下保温5h ,铸锭从边部到心部的温度才能基本均匀,温差小于2℃。结合热模拟试验,确定挤压工艺为:铸锭预热温度400℃,保温5h ;挤压桶预热温度350℃;模具温度
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400℃;挤压速度0.5～1m/min 。实验材料为20%Al 72Ni 12Co 16P /A356,热挤压前后复合材料的
性能见表1。可见,挤压后的准晶增强铝基复合材料的抗拉强度、屈服强度和弹性模量均大幅提升,但伸长率有所下降。
表1 20%A l 72N i 12C o 16P /A 356复合材料热挤压前后的力学性能
T able 1 Mechanics properties of 20%Al 72Ni 12Co 16P /A356
in the state of as cast and as extrusion
Materials σb /MPa σ0.2/MPa δ
/%E /GPa σ0.2/σb
A356
2752006
70—
Composite ,as cast
100
80—
—
0.8Composite ,as extrusion 410
350
3
102
0.9
准晶颗粒体积分数对挤压态复合材料性能的影响如图6所示,挤压工艺同前所述,挤压比均为9∶1。可见,随着准晶颗粒体积分数的增加,铝基
复合材料抗拉强度、屈服强度和弹性模量均呈上升趋势,而伸长率则逐渐降低。
图7为20%Al 72Ni 12Co 16P /A356复合材料挤压态拉伸断口形貌。从宏观上看,复合材料的断口表现为断裂失效引起的正断断口,断面平齐光亮,断口垂直于拉伸轴线,断裂前几乎没有缩颈现象,是典型的脆性断口。而从微观层面可观察到基体中的
解理河流。除解理河流外,还可以观察到断口上存在一些大小不一的类似于“韧窝”的形貌。但这并不表示复合材料是韧性断裂,这些“韧窝”是由于增强颗粒阻碍基体变形,最终颗粒断裂或与基体间界面脱粘而引起的。
图7 20%Al 72Ni 12P Co 16P /A356复合材料断口形貌
Fig.7 Fracture surface of 20%Al 72Ni 12Co 16P /A356composite
图6 Al 72Ni 12Co 16P /A356增强相体积分数与拉伸性能的关系
Fig.6 Volume fraction of reinforcement vs tensile properties
of Al 72Ni 12Co 16P /A356composites
从以上分析可知,准晶颗粒增强铝基复合材料的断裂机制可能有如下3种[13214]:界面及其附近区
域脱粘、基体在集中的滑移带内撕裂(由于准晶颗粒和夹杂周围空洞的形核、长大和粗化;或增强相之间的基体延性撕裂)和颗粒断裂。材料的最终失
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55?关 明,等:Al 72Ni 12Co 16/A365准晶颗粒增强铝基复合材料的制备及其力学性能
效是这3种机制共同作用的结果。
A356合金中加入准晶颗粒后,力学性能提高的主要原因是高熔点(Al72Ni12Co16熔点约为1340℃)的准晶相大部分集中在晶界附近,阻碍凝固过程中晶粒长大,细化晶粒产生细晶强化作用,使合金力学性能提高。晶粒大小与屈服强度的关系满足Hall2Petch公式:
R m=R0+kd-1/2(1)此外,准晶颗粒呈不规则多边形状,高度弥散分布于基体中,对位错的钉扎效应能够有效地阻碍位错的运动,起到弥散强化的作用。同时,由于颗粒和基体的热膨胀系数相差较大,在颗粒周围存在高密度的位错缠结和残余应力,起到一定的强化作用。Ni、Co原子向基体中扩散,在基体中形成Ni 和Co的固溶体,起到固溶强化的作用。这些强化作用使20%Al72Ni12Co16P/A356复合材料的抗拉强度和弹性模量得到了大幅度的提高。
3 结 论
(1)将严格按化学成分配比的Al72Ni12Co16浇于水冷铜基板上激冷凝固获得单相准晶材料。
(2)在颗粒的预处理、加入方式、加入时机和机械搅拌方式等方面都形成了行之有效的工艺,成功地制备了准晶颗粒体积分数为5%～20%的系列铝基复合材料。
(3)随着准晶相体积分数的增加,铝基复合材料的抗拉强度、屈服强度、弹性模量等性能均大幅增加,分别从基体材料的275MPa、200M Pa和70GPa提高至含20%准晶相时的410M Pa、350M Pa和102GPa,另一方面,随着准晶相体积分数的增加,铝基复合材料的延伸率却越来越低,从6%降低至3%。
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颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其存在的问题 冶金0901班 张莹 20091311
近年来，随着不断追求轻量化、高性能化、长寿命、高效能的发展目标带动牵引了轻质高强多功能颗粒增强铝基复合材料的持续发展。提出的低密度、高比强度、高比模量、低膨胀、高导热、高可靠等优异以及良好的抗磨耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀等综合性能要求，传统轻质材料已很难全面满足要求，如铝合金模量低、线胀系数较大; 钛合金密度较大、热导率极低; 纤维增强树脂基复合材料在空间环境下使用易老化等，颗粒增强铝基复合材料经过30 多年的发展，已在国外航空航天领域得到了规模应用，这充分验证了与铝合金、钛合金、纤维树脂基复合材料等传统材料相比具有的显著性能优势，奠定了颗粒增强铝基复合材料在材料体系中的地位和竞争态势。而且更重要的是，在世界范围内有丰富的铝资源，加之易于进行工艺加工成型和处理，因而制各和生产铝基复合材料比其他金属基复合材料更为经济，易于推广，可广泛应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育运动等领域，因此，这种材料在国内外受到普遍重视。 颗粒增强铝基复合材料已成为当下世界金属基复合材料研究领域中的一个最为重要的热点，各国已经相继进入了颗粒增强铝基复台材料的应用开发阶段，在美国和欧洲发达国家，该类复台材料的工业应用已开始，并且被列为二十一世纪新材料应用开发的重要方向并日益向工业规模化生产和应用的方向发展。本文旨在探讨颗粒增强铝基复合材料的制备方法及在亟待解决的各方面的问题，推进其应用发展的进程。 主要制备方法介绍： 增强体颗粒的分布均匀性和界面结合状况是影响复合材料性能的重要因素。因此，如何使增强体颗粒均匀分布于铝基体井与铝基体形成良好的界面结台是颗粒增强铝基复台材料制备过程中必须解决的两个最关键问题。以下是制备颗粒增强铝基复合材料的一些方法： 1、原位法 原位法的原理是通过元素间或元素与化合物之间反应制备陶瓷增强金属基复合材料，是近年来迅速发展的一种新的复合工艺方法，目前已成功地在铝基中实现了硼化物、碳化物、氮化物等的原位反应。由于这些增强相引入的特殊性，不仅它的尺寸非常细小，而且与基体具有良好的界面相容性，使得这种复合材料较传统外加增强相复合材料具有更高的强度和模量，以及良好的高温性能和抗疲劳、耐磨损性能。 原位自生铝基复合材料的制备方法较多，下面进行简略介绍。 （1）自蔓延高温合成法：该技术是利用热脉冲使放热反应起始于反应剂粉末压坯的一端，其生成热使邻近的粉末温度骤然升高．发生化学反应并以燃烧波的形式蔓延通过整个反应物，当燃烧波推行前移时反应物转变成产物。该技术的特点是在无需外加热源的情况下，利用高放热化学反应放出的热量使其在引发后自身延续合成材料，节能，粉末纯度高，粒径细小，活性高，易于烧结并能获得高性能的材料。 （2）原位热压放热反应合成法：该技术是在原位热压技术的基础上发展起来的一种新下艺。在制备过程中将反应物的物料混合或与某种基体原料混合后通过热压工艺制备，组成物相在热压过程中原位生成。该技术的突出优点是利用燃烧合成过程的放热反应，在产物处于反应高温时，施加一定的压力。使材料的致密与反应合成同时完成。获得了事半功倍的效果。 （3）放热弥散技术：这种方法法是美国一个实验室在自蔓延法的基础上改进而来的。
金属基复合材料的种类与性能 摘要：金属基复合材料科学是一门相对较新的材料科学，仅有40余年的发展历史。金属基复合材料的发展与现代科学技术和高技术产业的发展密切相关，特备是航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展对材料提出了日益增高的性能要求，除了要求材料具有一些特殊的性能外，还要具有优良的综合性能，有力地促进了先进复合材料的迅速发展。单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料均难以满足这些迅速增长的性能要求。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。 关键词：金属；金属基复合材料；种类；性能特征；用途 1. 金属基复合材料的分类 1.1按增强体类型分 1.1.1颗粒增强复合材料 颗粒增强复合材料是指弥散的增强相以颗粒的形式存在，其颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1μm。 1.1.2层状复合材料 这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基材料中含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。片曾的间距是微观的，所以在正常比例下，材料按其结构组元看，可以认为是各向异性的和均匀的。 层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。因为增强物薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。 由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。 1.1.3纤维增强复合材料 金属基复合材料中的一维增强体根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须。长纤维又叫连续纤维，它对金属基体的增强方式可以以单项纤维、二维织物和三维织物存在，前者增强的复合材料表现出明显的各向异性特征，第二种材料在织物平面方向的力学性能与垂直该平面的方向不同，而后者的性能基本是个向同性的。连续纤维增强金属基复合材料是指以高性能的纤维为增强体，金属或他们的合金为基体制成的复合材料。纤维是承受载荷的，纤维的加入不但大大改变了材料的力学性能，而且也提高了耐温性能。 短纤维和晶须是比较随机均匀地分散在金属基体中，因而其性能在宏观上是各向同性的；在特殊条件下，短纤维也可以定向排列，如对材料进行二次加工（挤压）就可达到。 当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。 1.2按基体类型分 主要有铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。目前以铝基、镁基、钛基、镍基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。在这里主要介绍这几种材料 1.2.1铝基复合材料 这是在金属基复合材料中应用最广的一种。由于铝合金基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利条件。再制造铝基复合材料时通常并不是使用纯铝而是铝合金。这主要是由于铝合金具有更好的综合性能。
3铝基复合材料及应用 Aluminum matrix composites and applications 在材料体系设计、制备技术、界面研究、改性处理、性能表征、塑性变形和应用研究等方面开展了系统的研究工作，攻克了高致密制备技术、复合材料稳定性设计、稳定化处理技术、超声波辅助钎焊技术和材料稳定性评价方法等关键技术。研制出的系列颗粒、晶须和纤维增强铝基复合材料，已经应用于卫星、飞机、载人航天等领域。2008年获得国家技术发明二等奖。 The fabrication technology,interface structure,surface modification,property characterization,and plastic deformation have been investigated.A series of key technological problems have been broken through,such as high-density composite fabrication,design of dimensional stability,stabilizing treatment,ultrasonic assisted brazing and evaluation of materials stability.The composites have been successfully applied for industries. SiCp/Al 复合材料样件 SiCp/Al composites samples SiCw/Al 复合材料卫星天线展开机构丝杠 Satellite antenna screw rods of SiCw/Al composite SiC p /Al 相机框架焊接件Brazed camera carriages of SiCp/Al composite
颗粒增强铝基复合材料研究与应用进展摘要：综述了颗粒增强铝基复合材料的研究现状，从基体、增强体的选择，铝基复合材料的制备方法，影响复合材料性能的因素和改善措施等方面进行阐述，并介绍了该复合材料的广泛应用。 关键词：颗粒；铝基复合材料；制备方法; 应用 Abstract ：The research progress of particle reinforced aluminum matrix composite was summarized. The research status of the composite was reviewed in detail from the choice of the reinforcement and the matrix, the preparation technique of aluminum matrix composite, the factors which can affect the performance of the composite. Key words ：particle; aluminum matrix composite; preparation methods; application 1.前言 铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体 , 以金属或非金颗粒、晶须或纤维为增强相的非均质混合物。按照增强体的不同 , 铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。由于颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度、比刚度，优良的高温力学性能和耐磨性，并且价格便宜，适于批量生产，良好的耐磨性和导热性能等优点，在航天、航空、汽车、电子、光学等工业领域具有相当广泛的应用前景。 颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积超过 20％的复合材料，而不包括那些弥散质点体积比很低的弥散强化金属的金属基复合材料[1] 。此外，这种复合材料的颗粒直径和颗粒间距很大，一般大于1μｍ。在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传递载荷和便于加工。这种材料虽然其增强效应远不及连续纤维，但它主要是可以弥补某些材料性能的不足，如增加刚度、耐磨性、耐热性、抗蠕变等。在这种复合材料中，硬质增强相造成的对基体的束缚作用能阻止基体屈服。颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比，但基体很重要。除此之外，这种材料的性能还对界面性能及颗粒排列的几何形状十分敏感[2]。 2.铝基复合材料的选择
颗粒增强铝基复合材料的研究 姓名：陈云班级：10161201 学号：1016120118 【摘要】本文简要介绍了常见的几种颗粒增强铝基复合材料的增强颗粒和性质，以及颗粒增强铝基复合材料的制备方法和应用。 【关键词】颗粒增强铝基复合材料碳化硅氧化铝碳化钛石墨粉末冶金原位反应合成 0 前言 金属基复合材料是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。铝基复合材料是金属基复合材料的一种，按照增强体形式不同可以分为长纤维增强铝基复合材料，短纤维增强铝基复合材料，晶须增强铝基复合材料及颗粒增强铝基复合材料。 颗粒增强铝基复合材料的增强颗粒克服了制备过程中出现的纤维损伤，微观组织不均匀，纤维与纤维相互接触，反应带过大等影响材料性能的缺点。同时，颗粒增强铝基复合材料制备成本低廉，回收性和再利用性好，使其在各个领域都具有广泛应用。因此，本文将简要介绍颗粒增强铝基复合材料的部分相关内容。 1 颗粒增强铝基复合材料 颗粒增强铝基复合材料具有密度小，比强度、比刚度高，剪切强度高，热膨胀系数低，热稳定性和导热、导电性能良好，以及抗磨耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀优良等一系列优点。颗粒的增强主要是弥散强化，颗粒越小，弥散强化的效果越好，材料的性能也就越佳。 颗粒增强铝基复合材料增强体的选择要求颗粒在基体中高度弥散均匀分散，尺寸大小要适度，与基体间要有一定粘结作用，而且它们之间各方面都要相匹配。常见的增强颗粒有：碳化硅、碳化钛、氧化铝和石墨颗粒。 1.1 碳化硅颗粒增强铝基复合材料 碳化硅颗粒增强铝基(SiC p/Al)复合材料是一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料，它是用碳化硅颗粒作为增强体，采用铝或铝合金作基体，按设计要求，以一定形式、比例和分布状态，构成有明显界面的多组相复合材料。通过改变碳化硅颗粒在复合材料中的含量，可以对材料的性能进行调整。一般随碳化硅体积含量的增
碳化硅颗粒增强铝基复合材料 碳化硅颗粒增强铝基复合材料, 是目前普遍公认的最有竞争力的金属基复合材料品种之一。尽管其力学性能尤其是强度难与连续纤维复合材料相匹敌, 但它却有着极为显著的低成本优势, 而且相比之下制备难度小、制备方法也最为灵活多样, 并可以采用传统的冶金工艺设备进行二次加工, 因此易于实现批量生产。冷战结束后的20 世纪90 年代, 由于各国对国防工业投资力度的减小, 即使是航空航天等高技术领域, 也越来越难以接受成本居高不下的纤维增强铝基复合材料。于是, 颗粒增强铝基复合材料又重新得到普遍关注。特别是最近几年来, 它作为关键性承载构件终于在先进飞机上找到了出路, 且应用前景日趋看好, 进而使得其研究开发工作也再度升温。碳化硅颗粒增强铝基复合材料主要由机械加工和热处理再结合其的性质采用一定的方法制造。如铸造法、粘晶法和液相和固相重叠法等。 碳化硅颗粒增强铝基复合材料碳化硅和颗粒状的铝复合而成，其中碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成，再和增强颗粒铝复合而成，增强颗粒铝在基体中的分布状态直接影响到铝基复合材料的综合性能,能否使增强颗粒均匀分散在熔液中是能否成功制备铝基复合材料的关键,也是制备颗粒增强铝基复合材料的难点所在。纳米碳化硅颗粒分布的均匀与否与颗粒的大小、颗粒的密度、添加颗粒的体积分数、熔体的粘度、搅拌的方式和搅拌的速度等因素有关。纳米颗粒铝
的分散的物理方法主要有机械搅拌法、超声波分散法和高能处理法。对复合材料铸态组织的金相分析表明，碳化硅复合材料挤压棒实物照片 颗粒在宏观上分布均匀，但在高倍率下观察，可发其余代表不同粒度、含量的复台材料现SiC颗粒主要分布在树枝问和最后凝固的液相区，同时也有部分SiC颗粒存在于初生晶内部，即被初生晶所吞陷。从凝固理论分析，颗粒在固液界面前沿的行为与凝固速度、界面前沿的温度梯度及界面能的大小有很大关系，由于对SiC颗粒的预处理有效地改善了它与基体合金的润湿性，且在加入半固态台金浆料之前的预热温度大大低于此时的合金温度，故而部分SiC颗粒就可能直接作为凝固的核心而存在于部分初生晶的内部，但是太多数SiC在枝晶相汇处或最后凝固的液相中富集，这便形成了上述的组织形貌。金属中弥敷分布的铝对金属中的品界运动，位错组态及位错运动都有响．纳米碳化硅颗粒增强复合材料具有细小而均匀的组织其原因应该是细小而均匀分布的纳米颗粒高教率地占据空间，颗粒间距较小．有效地控制晶粒的长大；微米碳化硅颗粒增强复台材料中．颗粒尺寸较大，它在空间的分布间距也较大，由于基体热膨胀系数的差异而引起的局部应力也越大，造成了颗粒附近与远离颗粒处基体状态的差异．这种差异是造成微米颗粒增强复合材料组织不均匀的原因。 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的航空航天工程应用；1、在惯导系统中的潜在应用；在我国自行研制的诸多型号机载、弹载惯性导航系统中, 不同程度地存在着现用的铸造铝合金结构件比刚度不足、热
目录 一、引言 (1) 二、铝基复合材料的基本成分 (1) 三、铝基复合材料的性能 (1) 3.1 低密度 (1) 3.2 良好的尺寸稳定性 (1) 3.3强度、模量与塑性 (2) 3.4耐磨性 (2) 3.5疲劳与断裂韧性 (2) 3.6热性能 (2) 四、铝基复合材料的应用 (3) 4.1 在汽车领域的应用 (3) 4.2 在航空航天领域的应用 (3) 4.3 在电子和光学仪器中的应用 (3) 4.4 在体育用品上的应用 (4) 五、铝基复合材料的制造工艺 (4) 5.1 粉末冶金法 (4) 5.2 高能-高速固结工艺 (4) 5.3 压力浸渗工艺 (5) 5.4 反应自生成法 (5) 5.5 液态金属搅拌铸造法 (5) 5.6 半固态搅拌复合铸造 (5) 六、铝基复合材料的研究的热点及发展趋势 (6) 6.1铝基复合材料的研究的热点 (6) 6.1.1纳米相增强铝基复合材料 (6) 6.1.2碳管纳米增强铝基复合材料 (6) 6.2铝基复合材料的发展趋势 (7)
铝基复合材料的综述 摘要：本文较为详细的介绍了铝基复合材料的性能、应用及其制造工艺，并指出了铝基复合材料的发展趋势。 关键词: 铝基复合材料; 性能; 应用; 工艺；发展趋势 一、引言 复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成。复合材料可分为三类：聚合物基复合材料（PMCs）、金属基复合材料（MMCs）、陶瓷基复合材料（CMCs）。金属基复合材料基体主要是铝、镍、镁、钛等。铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。此外,铝基复合材料比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。同其他复合材料一样,它能组合特定的力学和物理性能,以满足产品的需要[1]。因此,铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。按照增强体的不同,铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高,尺寸稳定性好等一系列优异性能,但价格昂贵,目前主要用于航天领域,作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件;此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等。 二、铝基复合材料的基本成分 铝及其合金都适于作金属基复合材料的基体，铝基复合材料的增强物可以是连续的纤维，也可以是短纤维，也可以是从球形到不规则形状的颗粒。目前铝极复合材料增强颗粒材料有SiC、AL2O3、BN等，金属间化合物如Ni-Al，Fe-Al和Ti-Al也被用工作增强颗粒。 三、铝基复合材料的性能 铝基复合材料的性能取决于基体合金和增强物的特性、含量、分布等。与基体合金相比,铝基复合材料具有许多优良的性能。 3.1 低密度 2,铝基复合材料的密度一般在8.2左右,基本上与一般铝合金相当,比钢低3同等几何尺寸的零件,其重量仅为钢制的1左右。 3.2 良好的尺寸稳定性 许多增强物都具有很小的热膨胀系数,加入相当含量的增强物可降低材料膨胀系数,从而得到热膨胀系数小、尺寸稳定性好的铝基复合材料。
铝基复合材料综述 XXXXXXXXXXX 摘要铝基复合材料凭借密度小、耐磨、热性能好等优点在航天航空等领域占有优势地位。文中综述了铝基复合材料的种类、铝基复合材料性能、各种铝基复合材料的制备和应用以及发展前景。 关键词铝基复合材料种类性能制备应用 Abstract Al-based alloys have advantages in the field of the aerospace by the advantages of small density , anti-function ,good thermal performance and so on. This article discussed the kinds ,performance ,approach , use and development prospect of Al-based alloys. Key words Al-based alloys kind performance approach use
1.引言 自20世纪80年代金属基复合材料大规模研究与开发以来，铝基复合材料在航空，航天，电子，汽车以及先进武器系统等领域得到迅速发展。铝基复合材料的制备工艺设计高温、增强材料的表面处理、复合成型等复杂工艺，而复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于其制造技术。因此，研究和开发心的制造技术，在提高铝基复合材料性能的同时降低成本，使其得到更广泛的应用，是铝基复合材料能否得到长远发展的关键所在。铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。此外,铝基复合材料比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。同其他复合材料一样,它能组合特定的力学和物理性能,以满足产品的需要。因此,铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。2.铝基复合材料分类 按照增强体的不同,铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高,尺寸稳定性好等一系列优异性能,但价格昂贵,目前主要用于航天领域,作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件;此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等。 3.铝基复合材料的基本成分 铝及其合金都适于作金属基复合材料的基体，铝基复合材料的增强物可以是连续的纤维，也可以是短纤维，也可以是从球形到不规则形状的颗粒。目前铝基复合材料增强颗粒材料有SiC、AL2O3、BN等，金属间化合物如Ni-Al，Fe-Al和Ti-Al也被用工作增强颗粒。 4.铝基复合材料特点 在众多金属基复合材料中，铝基复合材料发展最快且成为当前该类材料发展和研究的主流，这是因为铝基复合材料具有密度低、基体合金选择范围广、热处理性好、制备工艺灵活等许多优点。另外，铝和铝合金与许多增强相都有良好的接触性能，如连续状硼、AL2O3\ 、
铝基复合材料的研究发展现状与发展前景——颗粒增强铝基复合材料 课程名称：复合材料 学生：XX 学号：XXXXX 班级：XX 日期：20XX年X月X日
铝基复合材料的研究发展现状与发展前景 ——颗粒增强铝基复合材料 XX （刚理工大学，省市，650093） 摘要：介绍了颗粒增强铝基复合材料的发展历史、制备工艺、性能及应用，以碳化硅颗粒增强铝基复合材料为例指出了颗粒增强铝基复合材料这一行业存在的问题，并对这种材料的未来发展趋势做了预测。 关键词：颗粒增强铝基复合材料；历史；工艺；性能；应用；趋势 0.引言 近年来在金属基复合材料领域, 铝基复合材料(包括纤维增强和颗粒增强)的发展尤为迅速。这不仅因为它具有重量轻、比强度、比刚度高、剪切强度高、热膨胀系数低、良好的热稳定性和导热、导电性能, 以及良好的抗磨耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀等一系列优点, 而且因为在世界围有丰富的铝资源, 加之可用常规设备和工艺加工成型和处理, 因而制备和生产铝基复合材料比其他金属基复合材料更为经济, 易于推广和应用,因此, 这种材料在国外受到普遍重视。而其中的颗粒增强铝基复合材料解决了纤维增强铝基复合材料增强纤维制备成本昂贵的问题, 而且材料各向同性, 克服了制备过程中出现的诸如纤维损伤、微观组织不均匀、纤维与纤维相互接触、反应带过大等影响材料性能的许多缺点。所以颗粒增强铝基复合材料已成为当今世界金属基复合材料研究领域中的一个最为重要的热点, 并日益向工业规模化生产和应用的方向发展。 1.发展历史 金属基复合材料（复合材料）自60年代初期开始研究，现在已经取得了突破性的进展。初期研究的工作主要集中在连续纤维增强复合材料]1[,但由于连续长纤维本身的制造工艺复杂、价格昂贵，再加上纤维的预处理以及纤维增强复合材料制造工艺限制，使连续纤维增强复合材料成本极高，仅限用于要求极高性能的场合。 因此，进入80年代，研究重点转向了成本较低的SiC、Al 2O 3 等颗粒或晶须作为增 强材料的不连续增强复合材料，这种材料具有比刚度、比强度强，耐磨性、抗蠕变性好、热膨胀系数小等特点]2[，其比刚度超过了钢和钛合金，而价格不到钛合金的十分之一]3[，用以取代钢、钛等材料，对减轻产品结构重量，降低成本具有明显的经济效益，尤其是取代航空、航天飞行器中的合金钢、钛合金构件，更具有巨大的潜力。 20世纪70年代末，美国政府开始将复合材料列入武器研究清单，并对其研究成果限制发表。日本通产省在20世纪80年代初期开始实施的“下世纪产业基础技术”规划中，把发展铝基复合材料放在了主要位置，并在财力、物力上向有关院所、高校和公司倾斜。我国从20世纪80年代中期开始经过十几年的努力，在颗粒增强铝基复合材料的组织性能、复合材料界面等方面的研究工作已接近国际先进水平，铝基复合材料已列为国家“863”新型材料研究课题。
颗粒增强铝基复合材料 1.复合材料 1.1复合材料的概述 材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。在许多方面，传统的单一材料已不能满足实际需要，这些都促进人们对材料的研究逐步摆脱过去单纯靠经验的摸索方法，向预定性能设计新材料的研究方展发展。复合材料(Composite Materials)一词大约出现在20世纪50年代，随之也出现复合材料较为严格的定义。复合材料是由两种或两种以上物理和纯学性质不固的物质组合两成的一种多相固体材料[1]。复合材料的组分材料虽然保持其相对的独立性，但复合材料的性能却不是组分材料的简单加和，两是有着重要的改进。复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界面。分教相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。 自上世界40年代美国诞生了玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢)以来，新型增强材料不断出现，到目前为止，聚合物基、金属基、陶瓷基、混凝土基复合材料和碳，碳复合材料正以前所未有的速度发展。随着航天航空技术的发展，对结构材料的比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工提出了新的要求。高强度、高模量的耐热纤维和颗粒与金属复合，特别是轻金属复合焉成的金属基复合材料，克服了树脂基复合材料耐热性差和不导电、导热性能低等不足，加上增强体不仅提高了材料的强度，还可以保持密度变纯不大甚至降低。此外，这种材料还具有耐疲劳、耐磨耗、高阻尼、不吸潮放气等特点，已经广泛应用予尖端技术领域，是理想的结构材料。2l世纪我们面临筋将是复合材料迅猛发展和更广泛应用的时代[2-4]。 1.2颗粒增强铝基复合材料 金属基复合材料(Metal Matrix Composite，简称MMC)是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷、碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。在结构材料方面，
铝基复合材料 1. 铝基复合材料的基本性能 1.1 强度，模量与塑性 铝基复合材料比强度和比刚度高．高温性能好。更耐疲劳和更耐磨，阻尼性 能好，热膨胀系数低。同其他复合材料一样，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要。因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。 增强体的加入在提高铝基复合材料强度和模量的同时。降低了塑性。 另外增强相的加入又赋予材料一些特殊性能，这样不同金属与合金基体及不 同增强体的优化组合。就使金属基复合材料具有各种特殊性能和优异的综合性能。 尤其是弥散增强的铝基复合材料，不仅具有各向同性特征，而且具有可加工 和价格低廉的优点，更加引起人们的注意。 1.2 耐磨性 高的耐磨性是铝基复合材料(SiC、A1203)增强的特点之一 颗粒体积分数对复合材料摩擦系数的影响显著，而颗粒尺寸对复合材料摩擦系数影响不大。 与基体合金相比，铝基复合材料表现出良好的抗磨损性能，并随着加入颗粒 尺寸的减小和数量的增多而变强。在滑动磨损实验中，颗粒及纤维增强的铝基复合材料的耐磨性有两个数量级的提高，但随着磨粒尺寸的增大，载荷中冲击成分的提高使其耐磨性迅速下降。材料的耐磨性的好坏取决于强化机制、增强相之间的相互制约及与基体在变形过程中的协调作用。当然，也与增强相类型及基体合金的性能有关。 增强相的聚结显著降低材料的耐磨性。 1.3 疲劳与断裂韧性 铝基复合材料的疲劳强度和疲劳寿命一般比基体金属高，这与刚度及强度的提高有关，而断裂韧性却下降。影响铝基复合材料疲劳性能和断裂的主要因素有：增强物与基体的界面结合状态、基体与增强物本身的特性和增强物在基体中的分布等。界面结合状态良好，可以有效地传递载荷，并阻止裂纹扩展，提高材料的断裂韧性。 目前对复合材料疲劳断裂过程的研究分为疲劳裂纹的萌生和扩展两个方面。现有的研究工作在实验的基础上得出疲劳裂纹萌生于SiC 附近。SiC与铝合金界
高性能聚乙烯纤维及其复合材料发展与应用 论文关键词：高性能聚乙烯纤维表面改性复合材料应用 论文摘要：高性能聚乙烯纤维作为新型有机纤维，其性能与复合材料的应用是科研人员研究的热点之一。着重探究高性能聚乙烯纤维的性能、表面改性以及复合材料的应用等问题。 近几年，纤维的高性能、高功能和高感性一直是研究者对新型化纤材料研究的重点，高性能聚乙烯纤维是继碳纤维、芳纶之后具有极其重要战略意义的新型纤维材料，因其独特的性能，该纤维及其增强复合材料已被广泛应用于多个领域，倍受研究人员与生产企业的青睐。 1 高性能聚乙烯纤维的结构及特点 高性能聚乙烯纤维的高强高模特性来源于自身的超高相对分子质量、沿轴向高度取向和晶体结构。聚乙烯具有亚甲基相连的大分子链的化学结构，在超倍牵伸时，形成伸直链超分子结构，高性能聚乙烯纤维的优越性能完全是由于它的这种超分子结构决定的。 高性能聚乙烯纤维的一个突出优点是密度低，为0.97g/cm3，使得其质量轻的同时，能够达到较大的比拉伸强度和拉伸模量；由于聚乙烯不含易与接触物质发生反应的羟基、芳香环等基团，使得其具有高耐酸碱腐蚀性；同时，高性能聚乙烯纤维熔点比普通聚乙烯低，沸水收缩率也较低。另外，即使在很低的温度下，该纤维仍能够保持柔软。 2 高性能聚乙烯纤维的缺点及改进现状 高性能聚乙烯纤维有其不可避免的不足，如熔点低蠕变高，在制造复合材料的过程中具有较高的纤维表面惰性和较差的浸润性。这些特点直接影响了高性能聚乙烯纤维在复合材料中的应用范围，围绕高性能聚乙烯纤维制造与改性的研究也在近些年取得了阶段性成果。 1）改进低熔点和高蠕变。研究证明进行放射处理，使超高强聚乙烯纤维产生分子间交联，或提高其分子量或共聚（如使用有机过氧化物等化学物质）改性，均可使纤维蠕变得到改善，熔点得以提高。 2）改进纤维与基体的粘结性。高性能聚乙烯纤维的化学惰性和低表面能，决定了其与基体的粘合性很低，研究表明可以通过以下方法对其加以改进：①使用化学试剂进行处理。如用二甲苯、铬酸、高锰酸钾等强氧化性剂对高性能聚乙烯纤维表面进行氧化处理，产生含氧活性基团，与基体形成化学键，使其表面凸凹不平，加大其粗糙程度，提高其粘接性能； ②使用辐射引发表面接枝处理。用丙烯类单体，如丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯等，接枝在高性能聚乙烯纤维链上，提高纤维与树脂基体的粘接性能；③采用电晕放电处理及等离子处理。它是利用等离子体发生装置产生等离子流利用它冲击纤维表面达到很高表面活性的目的其总的效果是在纤维表面产生微凹痕增加纤维表面积通过处理，使其表面形成极性基团，从而提高其与树脂基体的粘接性能；④目前高性能聚乙烯纤维复合材料常用的树脂体。由于上述3种方都会损害纤维的综合性能为代价的，而且拉伸强度和模量下降尤为明显，所以寻找或合成树脂基体来提高粘接性则是较好的方式。经过大量研究，目前符合聚乙烯纤维复合材料用树脂基体条件的有聚氨酯类、橡胶类、乙烯酯类树脂体。 3 高性能聚乙烯纤维复合材料类型 高性能聚乙烯纤维复合材料主要有以下几类： 1）自增强类。是以高密度聚乙烯或低密度聚乙烯为基体材料，以高性能聚乙烯纤维为增强体的纤维增强复合材料。选择同一类型的聚乙烯树脂作为基体材料能够改善UHMPE的界面粘结性差的缺点，并且有利于回收再利用的现代环保要求。 2）填充型复合材料。这种符合材料是在以往材料的基础上，为完善其综合性能而进行
——碳化物陶瓷基复合材料课程名称：复合材料 学生姓名：舒顺启 学号：200910204123 班级：材料091班 日期：2012年12月22日
——碳化物陶瓷基复合材料 摘要：本文综述了陶瓷基复合材料的发展历史,介绍了陶瓷基复合材料的制备工艺,详细阐述了陶瓷基复合材料的性能与应用,分析了陶瓷基复合材料存在的问题，并展望了陶瓷基复合材料未来发展趋势。 关键词：陶瓷基复合材料、制备工艺、性能、应用 Ceramic matrix composites research present situation and the development prospect --Carbide ceramic matrix composites Abstract：This paper reviews the ceramic base composite material, the development history of ceramic matrix composites is introduced the preparation process, elaborated the ceramic matrix composites, the properties and the application of the analysis of the ceramic base composite material existing problems, and prospects the ceramic matrix composites future development trend. Key words：Ceramic matrix composites, preparation process, performance and application 1 引言 陶瓷基复合材料是近二十年来发展起来的新型材料,由于该类材料具有良好的高温性能。因此它作为耐高温结构材料在航空航天工业和能源工业等领域的应用具有巨大的潜力。如航空发动机的推重比为lO时,涡轮前进口温度达1650℃,在这样高的温度下,传统的高温合金材料已经无法满足要求【1】,因此国内外的材料研究者纷纷把研究的重点转向陶瓷基复合材料。研究者通过大量的实验发现,陶瓷基复合材料不仅具有良好的高温稳定性和高温抗氧化能力,而且材料在断裂
铝基复合材料的应用领域及发展前景 铝基复合材料的简单介绍 铝在制作复合材料上有许多特点，如质量轻、密度小、可塑性好，铝基的符合技术容以掌握，易于加工等。此外，铝基复合材料比强度和比刚度高，高温性能好，耐疲劳和耐磨，以及工程可靠性。同其他复合材料一样，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要。因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的，最重要的材料之一。 复合材料的制造包括将复合材料的组分组装并压合成始于复合材料零件的形状。常用的工艺有两种，第一种是纤维与基体组装压合和零件成型同时进行；第二种是先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制成最终形态的零件。前一种工艺类似于铸件，后一件则类似于先铸锭然后再锻成零件的形状。 制造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材料组分的组装压合和零件层压。大多数硼-铝复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。前述的两种工艺具有十分相似的制造工艺，这就是把树脂粘合或者是等离子喷涂条带预制品再经过热压扩散结合。 1.挥发性粘合剂工艺 这种工艺是一种直接的方法，几乎不需要什么重要设备或专门技术。制造预制品的材料包括成卷的硼纤维、铝合金箔、气化后不残留的易挥发树脂以及树脂的溶剂。铝箔的厚度应结合适当的纤维间距来选择，通常为50～75μm。 所用的纤维排列方法有两种，单丝滚筒缠绕和从纤维盘的线架用多丝排列成连续条带。前一种工艺因为简单而较常使用。利用滚筒缠绕可能做成幅片，其尺寸等于滚筒的宽度和围长。由于简单的螺杆机构便能保证纤维盘的移动与滚筒转动相配合，故能使间距非常精确和满足张力控制。 铝基复合材料的性能 铝基复合材料的性能取决于基体合金和增强物的特性、含量、分布等。与集体和金相比，铝基复合材料具有许多优良的性能。 低密度 良好的尺寸稳定性 强度、模量与塑性 耐磨性 疲劳与断裂韧性 在硼-铝的压合中有下述一些重要的限制： （1）纤维损伤问题限制了时间-温度参数。 （2）为保证铝的结合和消除孔隙度，时间-温度-压力参数必须高于门限值，因为这是一个受蠕变和扩散限制的过程。 （3）高压力会增加纤维的断裂。 （4）为防止硼氧化要求仔细控制气氛。
碳 化 硅 增 强 铝 基 复 合 材 料 班级：gj材料102 姓名：陈琨 指导老师：张小立 2012年6月6日
SiC增强铝基复合材料 摘要：SiC增强铝基复合材料能充分发挥SiC颗粒和金属基体的各自优势，而且可以进行成分设计，与基体合金相比，具有优异的机械性能和物理性能、高的比强度和比模量、良好的抗疲劳性能、低的热膨胀系数和良好的热稳定性，而且材料各向异性小，成本低廉，是一种具有广阔应用前景的先进材料，自问世以来一直受到材料科学及工程应用领域极大的重视，正在部分取代传统的金属材料而应用在航空航天、汽车、电子封装和体育器械等对材料性能要求较高的领域。本文将综合介绍和分析影响其导热性能、热膨胀系数及热稳定性的主要因素；SiC增强铝基复合材料的研究和进展，并比较了几种该复合材料的制备工艺，包括搅拌铸造法、压力铸造法、无压渗透法、喷雾沉积法、离心铸造法和粉末冶金法等；SiC增强铝基复合材料断裂韧性的影响因素，其影响因素有增强相的尺寸、形状以及含量，热处理工艺，基体与增强相具有不同的膨胀系数，金属基体的化学成分等，并在前人研究的基础上提出了几点设想。 关键词：SiC 颗粒；铝基复合材料；研究方法；导热性；热膨胀性；断裂韧性；影响因素 前言 近年来在金属基复合材料中，以颗粒、短纤维、晶须等非连续相增强的铝基复合材料(SiC Reinforced Aluminium Matrix Composite)因其良好的可再加工性和各向同性而倍受重视。由于其具有高的比强度、比刚度、导热性, 优良的摩擦性能，与铝合金密度相当，以及可调配的热膨胀系数等优点而成为目前国内外专家学者研究的热点之一。而SiCp 价格低廉，来源广泛，用它作为增强相，可以改善铝基或铝合金基体的高、低温强度，提高其弹性模量，增强其耐磨性能。所以铝基复合材料受到人们越来越广泛的关注, 国内外已对其进行了大量的研究报道。 1．SiC增强铝基复合材料的制备工艺【1】
铝合金的主要应用领域及其发展方向 一，铝合金简介 以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。 二，铝合金的分类 铝合金按照其性质和应用的不同可划分为普通铝合金，超高强度铝合金，耐热铝合金，铝基复合材料。其应用的领域各有侧重，涵盖了铝合金的所有应用领域。 三，铝合金的应用 1，典型用途 1050 食品、化学和酿造工业用挤压盘管，各种软管，烟花粉 1060 要求抗蚀性与成形性均高的场合，但对强度要求不高，化工设备是其典型用途 1100 用于加工需要有良好的成形性和高的抗蚀性但不要求有高强度的零件部件，例如化工产品、食品工业装置与贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具 1145 包装及绝热铝箔，热交换器 1199 电解电容器箔，光学反光沉积膜 1350 电线、导电绞线、汇流排、变压器带材 2011 螺钉及要求有良好切削性能的机械加工产品 2014 应用于要求高强度与硬度（包括高温）的场合。飞机重型、锻件、厚板和挤压材料，车轮与结构元件，多级火箭第一级燃料槽与航天器零件，卡车构架与悬挂系统零件 2017 是第一个获得工业应用的2XXX系合金，目前的应用范围较窄，主要为铆钉、通用机械零件、结构与运输工具结构件，螺旋桨与配件 2024 飞机结构、铆钉、导弹构件、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他种种结构件 2036 汽车车身钣金件 2048 航空航天器结构件与兵器结构零件 2124 航空航天器结构件 2218 飞机发动机和柴油发动机活塞，飞机发动机汽缸头，喷气发动机叶轮和压缩机环 2219 航天火箭焊接氧化剂槽，超音速飞机蒙皮与结构零件，工作温度为-270~300℃。焊接性好，断裂韧性高，T8状态有很高的抗应力腐蚀开裂能力2319 焊拉2219合金的焊条和填充焊料 2618 模锻件与自由锻件。活塞和航空发动机零件
铝基复合材料的研究发展现状与发展前景摘要：铝基复合材料具有很高的比强度、比模量和较低的热膨胀系数，兼具结构材料和功能材料的特点。介绍了铝基复合材料的分类、制造工艺、性能及应用等几个方面，最后对铝基复合材料的研究状况及其发展趋势。做了简单的介绍。 关键词：铝基复合材料，制造工艺，性能，应用 Abstract:Aluminum matrix composite was in capacity of structure materials and function materials for its high specific strength and high specific modulus and low coefficient of thermal expansion.The classification of aluminum matrix composite were introduced and the preparation process、properties and application of aluminum matrix composite was expounded,and then the domestic research status and future development trends of the composite were summed up. Key words:aluminum matrix composites，preparation process，properties，application. 1.发展历史 1.1概述 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料通过先进的材料制备技术组合而成的一种多相固体材料。根据基体材料不同，复合材料包括三类:聚合物基复合材料(PMC)、金属基复合材料(MMC)和陶瓷基复合材料(CMC)[1]。金属基复合材料在20世纪60年代末才有较快的发展，是复合材料的一个新分支，其以高比强、高比模和耐磨蚀等优异的综合性能，在航空、航天、先进武器系统和汽车等领域有广泛的应用，已成为国内外十分重视发展的先进复合材料。 在金属基复合材料中，铝基复合材料具有密度低、基体合金选择范围广、可热处理性好、制备工艺灵活、比基体更高的比强度、比模量和低的热膨胀系数，尤其是弥散增强的铝基复合材料，不仅具有各向同性特征，而且具有可加工性和价格低廉的优点，更加引起人们的注意[2]。铝基复合材料具有很大的应用潜力，并且已有部分铝基复合材料成功地进入了商业化生产阶段。 铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体，以金属或非金属颗粒、晶须或纤维为增强相的非均质混合物。按照增强体的不同，铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高，尺寸稳定性好等一系列优异性能，但价格昂贵，目前主要用于航天领域，作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件；此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等[3]。 然而不管增强物的类型和形状尺寸如何，大多数铝基复台材料具有以优点： ①重量轻、比强度、比刚度高。 ②具有高的剪切强度。 ③热膨胀系数低，热稳定性高，并有良好的导热性和导电性。 ④具有卓越的抗磨耐磨性。 ⑤能耐有机液体，如燃料和溶剂的侵蚀。 ⑥可用常规工艺和设备进行成型和处理。 1.2分类