鋁基復合材料研究進展

摘 要：文章將從鋁基復合材料強化機理等方面，介紹鋁基復合材料的在目前階段的研究進展，及鋁基復合材料強化方面的研究與應用。希望通過文章的介紹，對相關工作提供參考。

關鍵詞：鋁基復合材料；強化；基體

前言

隨著現代科技水平的迅速發展，在航空航天、軍用以及其它高科技領域傳統材料已經很難滿足其需要。復合材料以其綜合性能優異的特點逐步開始代替傳統單一材料。然而一些纖維增強樹脂基在某些特定的空間環境下使用時容易產生老化。在此方面，鋁基復合材料具有高比強度、比模量、低熱膨脹系數，較高的高溫力學性能以及抗疲勞、耐磨損等優良性能，特別是顆粒、短纖維、晶須等非連續增強的鋁基復合材料，因其良好的可再加工性及尺寸穩定性備受關注，成為近年來研究最多的復合材料。

1 金屬基復合材料強化機理

由于材料的強度是一個極度結構敏感性質，金屬基復合材料的變形過程極具復雜性，其所具有的強化機制在現有的模型只能在一定程度上較好地詮釋金屬基復合材料時的強化規律，不能完全得出具體的強化數值。金屬基復合材料的強化機理主要有以下方面：

1.1 增強體承載與載荷傳遞

金屬基復合材料的主要強化機制是載荷從基體向增強體傳遞的一個過程，增強體是主要起的是一個承擔者作用。目前相關的模型舉例很多，最簡單的是混合定律，該模型未考慮增強體形狀、分布等其他因素對材料的影響，因此預測強度與實際相比相差較大。Nardone和Prewo的改進剪切套模型是根據載荷在基體與增強體界面上傳遞的機制建立的，從該模型計算出的所得的屈服強度值可確認比實驗所得屈服強度值約高10%。

1.2 基體中的位錯強化

金屬的熱膨脹系數一般要比增強相的熱膨脹系數大很多，因此在金屬基復合材料的制作生產和熱處理過程中，在基體材料中會形成高密度的位錯，導致強化。位錯模型主要包括：Orowan模型；林位錯硬化模型；彈性栓模型；沖孔模型，且 Orowan機制可以較好的預測材料的強度值，對材料強度的預判有著明顯的幫助。

1.3 細晶強化

增強體的引入還可以亞晶粒尺寸的減小。超細的亞晶粒尺寸會導致復合材料的增強。研究中，在對顆粒增強金屬基復合材料進行熱機械加工時，常常會在基體中發生再結晶的情況，增強體顆粒尺寸的不同，將會對再結晶體產生兩種影響，當增強體的顆粒尺寸較小時，顆將會產生大角度晶界；當增強體顆粒尺寸較大，該增強顆粒又會促使再顆粒形成結晶形核，將會使金屬復合材料獲得極細小的顆粒。增強體晶粒尺寸會隨著增強相尺寸增加，隨增強相體積分數減小。

通過對復合材料的力學性能測試發現，復合材料的力學性能與基體相比有著很大的提高。例如，在實驗過程中發現，與基體相比，10%TiB2/Al-7Si復合材料的屈服強度大幅提高了126%。由此可見，細晶強化及TiB2顆粒的彌散強化是復合材料的主要強化機制。

2 鋁基復合材料的最新學術研究成果

2.1 將連續纖維作為增強體，這種鋁基復合材料具有優異性能。目前，這種材料大多數用在航天航空、軍事領域。

2.2 采用不連續增強體作為增強體。如采用顆粒和晶須等制備的具有優良性能的鋁基復合材料，這種材料在眾多行業已經取得了廣泛地應用。

從表1可以看出，顆粒增強鋁基復合材料具有眾多的良好的物理及力學性能。將一些由不同工藝加工的的復合材料的力學性能進行比較，從中可以看出，由于受增強相的影響及其體積分數的增加，鋁基復合材料的抗拉強度、彈性模量、屈服強度均有了顯著地提高，反之受這些因素的影響，鋁基復合材料的延伸率則有所下降，也就是韌性降低。由于受增強相的影響，材料內部基體的摩擦阻尼性能得到了改善，材料耐磨性和耐腐蝕性也得到了大幅地提高。

粉煤灰是煤粉燃燒的一種廢棄物，主要成分為Al2O3、SiO2等混合氧化物，在鋁合金基體中均勻分布不僅阻礙了金屬基體缺陷的相對滑動，而且也提高了基體抗剪切的應變能力，使復合材料得到彌散和強化，改善了復合材料的抗拉強度。但是由于Al2O3、SiC、SiO2等常用的增強顆粒生產成本較高，并且這些顆粒棱角的過度尖銳容易引起復合材料的應力集中，從而影響材料的物理及力學性能。當粉煤灰顆粒里粉煤灰的含量大幅增加時，粉煤灰顆粒團聚的趨勢也會更加明顯，與此同時鋁合金的含量相對減少，上述因素都會導致鋁合金的變形受到制約，將導致復合材料的塑性變差。

碳納米管作為一種新型材料，由于其新穎的結構、高強度、高彈性模量、高臨界應變等超強的力學和功能特性，被廣泛應用在各種樹脂基、陶瓷基以及金屬基復合材料當中。

3 結束語

在復合材料的設計與生產過程中，增強體含量及類型、基體金屬類型、及制備方法及工藝參數的選擇眾多，這些因素相互作用、相互影響，共同決定了著最終所生產出的材料的各方面性能。

目前增強材料主要有纖維、晶須和顆粒。纖維增強鋁基復合材料具有高的抗拉強度和高的彈性模量，除此之外還有一個重要性能，那就是各向異性，為結構材料提供特殊性能；晶須的分布是任意、無序的，晶須加入到鋁基復合材料中，可以提高鋁基復合材料的強度、硬度、彈性模量、耐磨、耐熱性及其他性能等；顆粒加入到鋁基體中，使復合材料具有小的密度、高的強度、高的硬度、高的剛度、低的熱膨脹系數。

鋁基復合材料的基體材料有兩類：一類是純鋁；另一類是鋁合金。但在實際應用中常以鋁合金做基體材料。Al-Si合金基體耐磨性好、Al-Li合金基體密度低、Al-Fe合金基體高溫性能好，可以根據實際需求選擇合適的基體。當以纖維為增強體時，一般選用純鋁為基體；而對于非連續增強體，通常用高強合金作為基體。

界面在復合材料中連接著增強體與基體，能起載荷傳遞作用，是成分結構特殊的一個很小區域。界面雖然很小，但是復合材料重要組成部分，對復合材料的性能影響很大。界面的結構和性能主要受界面反應的影響。

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作者簡介：胡小兵（1974-），男，江西吉安人，助理工程師，從事機械設計和設備管理工作。