铝基复合材料的发展现状及应用

小组成员无机1班：常静崔红梅张召娟无机2班：李小丽辛明廉王鹏王文通绪论二颗粒增强铝基复合材料的发展、应用三纤维增韧的发展现状及应用四其他增韧方法五参考文献一铝基复合材料简单介绍一铝基复合材料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。1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。2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。低密度良好的尺寸稳定性强度、模量与塑性耐磨性疲劳与断裂韧性二颗粒增强铝基复合材料的发展、应用金属基复合材料(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。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。一般选用高强度的铝合金作基体。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,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。主要用于制作发动机的缸套、轴瓦和机座。2、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,从产生增韧的效果。两种机制同时发生时,称为混合增韧。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。颗粒增强铝基复合材料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。颗粒增强铝基复合材料的强度是协同效应的结果。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。3、颗粒增强铝基复合材料的性能界面是基体与增强体之间化学成分有显著变化、物理和化学性质明显不同、构成彼此结合并能起载荷传递作用的微小区域。对于颗粒增强铝基复合材料,界面的主要作用是吸收能量、阻碍裂纹的扩展、中断材料破坏和缓解应力集中等。4、颗粒增强铝基复合材料界面金属基复合材料是随着航空航天领域对材料的高强度、低密度的要求而出现的,被广泛研究和应用的是以Al、Mg等轻金属为基体的连续纤维增强复合材料。由于生产工艺复杂,成本太高,无法大规模推广应用。例如：20世纪80年代以来,以颗粒增强铝基复合材料(PRA)为代表的低成本金属基复合材料得到迅速发展。金属基复合材料在航空工业的应用远远滞后于航天领域。90年代末,碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大型客机上获得大量应用。5、颗粒增强复合材料的应用6、颗粒增强铝基复合材料的发展趋势1)优化设计方法和研发新型材料2)制备工艺的创新3)低成本化4)生产规模化和应用扩大化5)国防工业将继续引领高性能颗粒增强铝基复合材料的研发三纤维增韧的发展现状及应用纤维(晶须)的增韧机制主要是纤维(晶须)的拔出与桥接作用,以及阻碍裂纹扩展并使其转向等。尽管纤维(晶须)的增韧效果明显,且LEE等已制备了内径可控的纤维状Al2O3基复合材料,但目前困扰纤维(晶须)增韧Al2O3陶瓷的最大困难在于其生产成本及分散工艺。Al2O3陶瓷内自生成类晶须状晶粒的原位增韧改变了这一状况。1、纤维增强体的特点：铝基复合材料对纤维增强体的要求主要有:高比强度、高比模量、高长径比、与基体相容好、成本较低、工艺性好、高温抗氧化性好、不污染环境等,特殊用途时还要求具有良好的导热、导电性能。2、目前,用于铝基复合材料的增强纤维主要有：硼纤维碳纤维碳化硅纤维氧化铝纤维1）硼纤维硼纤维是最早用于高性能复合材料的增强纤维。硼纤维采用化学气相沉积方法(CVD)制备。它具有强度高、模量高、密度小、与金属基体之间的润湿性较好且反应性较低、纤维直径较大等优点,但在空气中的拉伸强度随温度升高而降低。2）碳纤维碳(石墨)纤维是高性能复合材料最常用、最重要的增强体。碳纤维是由不完全石墨结晶沿纤维轴向排列的一种多晶纤维,化学组成中C元素含量在95%以上141。极高模量的碳纤维可以通过有机先驱丝氧化、碳化和随后的高温石墨化的方法来制造。3）碳化硅纤维碳化硅纤维具有高强度、高模量、良好的高温性能和化学稳定性。碳化硅纤维是一种多晶纤维,分为有芯和无芯两种。碳化硅纤维可作为要求耐热的铝基复合材料的增强体。4）氧化铝纤维氧化铝纤维是以Al2O3为主要成分的多晶陶瓷纤维,含有少量SiO2,Be2O3。目前的制造方法主要有溶液纺丝混合液纺丝法和基体纤维浸渍溶液法。3、纤维增强铝基复合材料的制备1）扩散连接法2）粉末冶金法3）熔融浸润法4）气压铸造法4、纤维增强铝基复合材料的性能及应用氧化铝纤维增强铝基复合材料是目前研究工作者极为关注的铝基复合材料。它具有高的强度和刚度,并且抗蠕变、抗疲劳、耐磨性都很优异。目前主要应用于制造航空航天器中某些设备和构件以及活塞、连杆、盘式制动器转子等汽车部件。纤维含量为10%的氧化铝纤维/铝基复合材料连杆比钢制连杆轻35%,显著地降低了发动机噪音和振动,减少了摩擦损失、降低了油耗。5、面临的问题及发展趋势纤维增强铝基复合材料不但增强纤维价格昂贵,而且制造工艺独特、成本高。这样就极大地限制了它的推广和应用。因此,为了进一步推广纤维增强铝基复合材料的应用,必须努力降低成本。同时还要对纤维表面涂层技术、合金元素对于界面的影响,以及界面对性能的影响等问题进一步展开研究。四其他增韧方法1、自增韧自增韧是通过引入添加剂或晶种来诱导Al2O3晶粒异向生长成为板状、棒状等形貌,从而产生类晶须或短纤维的增韧效果,其增韧机制主要为晶粒拔出、裂纹桥接、裂纹偏转等。2、ZrO2相变增韧ZrO2从t相(正方相)向m相(单斜相)转变时会产生约5%的体积膨胀,以其作为Al2O3陶瓷的增韧相,将在基体内产生微裂纹和残余应力等,并产生韧化效果。其增韧机理主要有:裂纹尖端应力场诱发tm相变产生的体积膨胀和断裂表面吸收能量,ZrO2相变产生的残余压应力阻碍裂纹扩展并使其转向和分叉,相变诱发显微裂纹,细化晶粒等。3、复合增韧复合增韧即采用不同方法协同增韧Al2O3陶瓷,常见的复合方式有延性颗粒与ZrO2相变、异相颗粒、ZrO2相变与晶须等。并非任意增韧方式的复合都能使Al2O3陶瓷材料的韧性和强度同时提升。复合增韧可实现集高韧与高强于一身的理想Al2O3陶瓷基复合材料。参考文献1李荣久.陶瓷金属复合材料[M].北京:冶金工业出版社,2004.369-377.2布莱恩哈里斯.工程复合材料[M].陈祥宝,张宝艳,译.北京:化学工业出版社,2004.141-149.3黄传真,刘炳强,刘含莲,等.原位生长碳氮化钛晶须增韧氧化铝基陶瓷刀具材料粉末及制备工艺[P].中国:CN101054290,20071017.4钟长荣,毕松,苏勋家,等.A12O3陶瓷自增韧研究进展[J].粉末冶金材料科学与工程,2007,12(4):193-196.5周玉.陶瓷材料学[M].北京:科学出版社,2004.128-235.6葛启录.Al2O3ZrO2陶瓷材料的显微结构和力学性能[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,1992.7刘贯军,马利杰,张文庆,等.Al2O3SiO2(sf)/AZ91D复合材料的摩擦磨损性能[J].特种铸造及有色合金,2008,28(11):877-879.8饶平根,王娟,吴建青,等.一种应用ZTA材料制备冲压模具的方法[P].中国:CN101289320,20081022.9孔旭东,马伟民,修稚萌,等.一种Al2O3/ZrO2(Y2O3)纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法[P].中国:CN1709826,20051221.10刘家臣,徐海,杜海燕,等.一种氧化锆增韧莫来石陶瓷的微波连接方法[P].中国:CN101186518,20080528.11陈传忠,王文中,张建新.45钢表面激光熔覆Al2O3陶瓷涂层的研究[J].金属学报,1999,35(9):989-994.12刘开琪,徐强,张会军.金属陶瓷的制备与应用[M].北京:冶金工业出版社,2008.15.13赵士阳,张国赏,魏世忠,等.化学镀Ni对Al2O3颗粒增强复合材料制备及其耐磨性的影响[J].矿山机械,2008,36(20):25-28.