金属基复合材料的制备与力学性能研究

第１８卷第３期　２０１５年８月　扬州大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｙａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．１８　Ｎｏ．３　Ａｕｇ．２０１５　

工程水泥基复合材料的制备及力学性能　

王必元　，葛文杰　，周静静　，曹大富　

（１．扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州２２５１２７；２．苏州市鑫万盛工程管理有限公司，江苏苏州２１５３００）　

摘要：为制备良好的工程水泥基复合材料（ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ　ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＥＣＣ），解决纤维成团以及　拉伸试验中不出现应变硬化和多裂缝等问题，提出掺人硅灰的制备方法，并采用整浇方式以确保纤维的良　好分散．分析研究了３种试件的拉伸试验和部分配合比的立方体抗压试验．结果表明：掺入硅灰能较好解　决纤维成团问题；整浇有利于应变硬化的发挥和多裂缝开展；水胶比增大和水泥掺量减小（即粉煤灰掺量　增大）能降低试块的抗压强度；３种类型的拉伸试件均在试验中出现了良好的应变硬化现象．　

关键词：工程水泥基复合材料；ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　ａｌｃｏｈｏｌ纤维；应变硬化；多裂缝　

中图分类号：ＴＱ　１７２．１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７—８２４Ｘ（２Ｏ１５）０３—００６４—０６　

传统的混凝土抗拉强度低、韧性差并且开裂后裂缝宽度难以控制．工程水泥基复合材料ＥＣＣ　

（ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ　ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）由美国密西根大学ＬｉＬｌ＿提出．ＥＣＣ中没有粗骨料，掺人适量的　纤维作为增强材料，目前常用的方法是掺人胶凝材料体积量为２　的聚乙烯醇（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　ａｌｃｏｈｏｌ，　ＰＶＡ）纤维．与传统的混凝土相比，ＥＣＣ具有很好的延展性、微裂缝控制能力和应变硬化特性ｌ２］．ＥＣＣ　

的出现，可在很大程度上弥补混凝土材料存在的缺陷，更好地增加结构的耐久性，延长建筑的使用寿　

命．最近，Ｌｉ等＿３］研究ＥＣＣ材料在建筑防火上的运用，提出一种新型喷涂耐火材料ＳＦＲ—ＥＣＣ（ｓｐｒａｙ－　ａｐｐｌｉｅｄ　ｆｉｒｅ—ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ＥＣＣ）；Ｑｉａｎ等Ｌ４］研究了粉煤灰掺量对ＥＣＣ材料自愈行为和力学性能的影响，　

碳纳米管增强铝基复合材料的制备及性能研究

纳米相增强铝基复合材料是近年迅速发展起来的一种新型材料，表现出优异的理化和力学性能。碳纳米管力学性能的理论和实验研究表明碳纳米管的韧性好，结构稳定，具有极小的尺度及优异的力学性能，是理想的一维纳米增强、增韧材料。本文通过对无压渗透条件的探索，克服了碳纳米管与熔融铝不浸润性的障碍，实现了充分渗透，使碳纳米管在铝基体中分布均匀，与铝基体结合良好，同时对碳纳米管增强铝基复合材料的微结构、维氏硬度及摩擦磨损性能进行了研究。

一． 设计与研究内容

本实验采用无压渗透法制备了碳纳米管增强铝基复合材料，并对其摩擦性能进行了研究。利用扫描电镜观察了复合材料断面的形貌，通过复合材料硬度测量和摩擦磨损实验，研究了不同碳纳米管体积分数对复合材料的硬度及摩擦磨损性能的影响。同时根据碳纳米管增强铝基复合材料的特点，对材料的性能指标进行了预测。

二． 选择基体和增强体材料的理由

基体：铝

1、低密度：铝基复合材料的密度一般在2.8左右，基本上与一般铝合金相当；

2、高的比强度（强度/密度）：颗粒增强的铝基复合材料，其强度在400～700Mpa，与一般结构钢相当；

3、高的比刚度（刚度/密度）：颗粒增强的铝及铝合金基复合材料弹性模量E约为80～140Gpa，其比刚度（E/P）比一般铝合金高约60%，是钢铁材料的1.5～2倍；

4、优良的高温性能及高的抗大气腐蚀能力：一般铝合金（如硬铝超硬铝）的强度对温度较为敏感，而铝基复合材料的强度在高于300℃时才呈快速下降趋势，300℃时短时拉伸强度仍有400Mpa以上。由于此材料的基体为铝及铝合金，故其抗大气腐蚀能力好；

5、高的耐磨性：高的耐磨性是此材料显著的特点之一，在湿摩擦（有润滑）条件下呈现出优良的耐磨性。

增强体材料：碳纳米管

1.碳纳米管的韧性好，结构稳定，具有极小的尺度及优异的力学性能，是理想的一维纳米增强、增韧材料；

2.碳纳米管均匀地分散于复合材料中，且与铝基体结合良好；

金属基复合材料及其主要制备工艺简介

复合材料简介

本文介绍复合材料中的金属基复合材料的制备。复合材料是指采用物理或化学的方法，使两种或两种以上的材料在相态（如连续相：基体；不连续体：增强相）以性能相互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些性能，或互补其缺点，或获得新的性能（或功能）的一种新型材料。

与常规材料相比较，金属材料有优良的延展性和可加工性，但其强度相对低，耐热、耐磨、耐蚀性差；陶瓷材料的强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好，但很脆，加工性能差，复合后利用两者的优势互补，提高性能。

复合材料按用途分为结构材料和功能材料；按复合材料各成分在材料集散情况，分为三类：分散强化型复合材料、层状复合材料、梯度复合材料；按基体材料类型分：金属基复合材料，聚合物基复合材料，陶瓷基复合材料；按增强原理分为弥散增强型复合材料、晶须增强型复合材料、纤维增强型复合材料。

金属基复合材料简介

复合材料中的金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。其中，基体主要是由Al，Mg，Ti及其合金制成，增强体是有硼纤维，SiC纤维，高强度石墨纤维，Al2O3 等制成。具有高强度、高模量、低膨胀系数，能耐300-500℃或更高的温度等优点。但造价高、密度大、制备工艺复杂，存在界面反应等缺点。其分类可以按照基体或增强体的不同分类。

金属基复合材料的制备工艺

接下来介绍重点部分，就是金属基复合材料的制备及加工。根据制备特点等，我们可以把金属基复合材料的制备方法分成以下四大类：（下面将一一介绍）

1）固态法：粉末冶金法、真空热压扩散结合、热等静压、模压成型、超塑性成型 / 扩散结合。

2）液态法：真空压铸、半固态铸造、无压渗透等。

3）喷射成型法：喷射共沉积、等离子喷涂成型。

4）原位生长法（原位复合法）。

第一类：固态法

下面介绍第一种方法，即真空热压扩散结合法，这种方法是在一定的温度和压力下，把表面新鲜清洁的相同或不相同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起因而，扩散结合也成为一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺方法。

金刚石／铝复合材料制备与性能研究

铝基复合材料由于具有高导热、低密度和热膨胀系数的性能，是目前应用较为广泛的电子封装材料，金刚石是自然界中已知最硬的材料，它具有很高的热导率，金刚石/铝复合材料以其优异的性能有着较好的发展前景，但其制备过程仍存在缺陷，本文研究了金刚石/铝复合材料制备方法，并对性能进行分析。

标签：金刚石/铝复合材料；制备过程；性能研究

1 金刚石/铝复合材料

铝基复合材料由于具有高导热、低密度和热膨胀系数的性能，是目前应用较为广泛的电子封装材料，尤其对于航空航天电子设备和移动电子设备，有着巨大的吸引力。铝基复合材料已经成功地应用于微波管的载体、密封式微波热沉材料、MCM 组件的热沉、印刷电路板（PCB）用热沉。

金刚石是自然界中已知最硬的材料，具有很高的热导率（天然的金刚石为

2200～2600 W/（m·K），人工的金刚石为1200～2000 W/（m·K））、弹性模量（1050GPa）以及低的热膨胀系数（1.3×10?6 K?1），且在室温下是绝缘体。利用它与常用金属（A1、Cu等）性能的巨大差异性，将其作为增强相与金属或合金复合，制备出的复合材料可以显著改善热导率、热膨胀系数、强度等性能，是理想的第四代金属基电子封装材料。

2 金刚石/铝复合材料制备方法

目前，国内外学者已经成功制备金刚石增强金属基复合材料，并已小批量生产应用于电子封装领域。

BEFFORT 等采用液压浸渗后挤压成形的方法成功制备出金刚石/Al 复合材料。但基体与增强相润湿性差及不同传质方式导致的界面结合问题，极大地削弱金刚石在复合材料中的作用。需要对金刚石进行表面改性或对基体进行合金化处理。

MIZUUCHI 等将复合粉末采用放电等离子烧结的方式成功制备了致密度高达99%以上、热导率为552W/（m·K）的金刚石/Al 复合材料。采用Al与体积分数60%以上的金刚石颗粒复合制备金刚石/Al复合材料，其热导率的理论值应在800 W/（m·K）以上。这类复合材料将具有优异的导热性能、较小的热膨胀系数以及较低的密度（约为3g/cm3），是最有發展前景的高性能电子装备用封装材料之一。