不同體積分數納米Al2O3顆粒增強鋁基復合材料的力學性能探究

段忠英，趙 科，劉金鈴

(1.西南交通大學 力學與工程學院，四川 成都 611756； 2.西南交通大學 應用力學與結構安全四川省重點實驗室，四川 成都 611756)

0 引 言

顆粒增強鋁復合材料作為一種輕質高性能結構材料，因其較低的制造成本、輕量化、節約能源的同時具有高模量、高強度和良好的耐磨性等特點，因而被廣泛應用于航空航天和交通運輸等領域[1-2]。然而，復合材料強度的提升往往伴隨著韌性的損失[3-4]，高強度和高韌性難以同時兼顧的難題限制了顆粒增強鋁基復合材料的進一步應用。

大量實驗研究表明當納米顆粒體積分數低于4vol%時，納米顆粒能均勻分散在鋁基體中。由于納米顆粒具有較大的比表面積，隨著體積分數進一步增加，納米顆粒容易發生團聚現象，不利于復合材料性能的提升甚至是有害。例如，Y.C. Kang[5]等人采用粉末冶金工藝制備了不同體積分數(0～8 vol.%)Al2O3顆粒(25 nm)增強鋁基復合材料。結果表明：當顆粒含量為4vol%時，復合材料的抗拉強度值達到最大；當含量超過4 vol%后，納米顆粒發生團聚現象導致材料的強度和韌性均有所下降。X. Yao[6]等人采用粉末冶金工藝制備了超細晶SiC/6063Al納米復合材料。結果表明：當SiC含量從1vol.%增加到10vol.%時，復合材料的最大拉伸強度從343 MPa增加到603 MPa，但韌性從10%降低到2.3%。L.N. Wang[7]等人采用粉末冶金工藝制備了納米SiC顆粒增強鋁基復合材料，探究了SiC含量(1wt%、2wt%、5wt%、10wt%和15wt%)對復合材料力學性能的影響。結果表明：隨著SiC顆粒含量的增加，復合材料的拉伸強度先增大后減小，并在SiC含量為5wt%時強度到達最大值215 MPa，顆粒分散性差是導致隨后強度下降的主要原因。

為解決納米顆粒易團聚問題，研究學者對復合材料制備工藝進行諸多改善。如冷凍球磨、超聲輔助攪拌和粉末冶金結合二次加工處理等。其中粉末冶金結合二次加工處理等能較好的解決顆粒易團聚問題。J.L. Liu[8]等人采用粉末冶金結合熱擠出工藝制備了體積分為為15vol.%的納米Al2O3(50 nm)顆粒和微米Al2O3(3 μm)顆粒兩種鋁基復合材料，并對兩種材料的壓縮力學性能進行研究。結果表明：納米Al2O3顆粒能夠均勻地分散在鋁基體中，只在少數地方發現由納米顆粒團聚而形成的大顆粒。A.B.Li[9]等人采用高能球磨結合熱壓燒結制備了含量為10vol.%的SiC(40 nm)顆粒增強鋁基復合材，隨后對復合材料進行熱擠出處理。結果表明：熱擠出后SiC顆粒能夠均勻地分散在鋁基體中，復合材料的屈服強度和最大極限強度分別能達到250 MPa和420 MPa。雖然通過改進制備工藝在一定程度上可以改善高體積分數納米顆粒易團聚問題，但復合材料具有高強度和高韌性依的目標依舊未能很好的實現。筆者文中研究了不同體積分數納米Al2O3顆粒增強鋁基復合材料的力學性能及失效方式，通過高體積分數納米顆粒均勻分布來實現復合材料具有高強度和高韌性的目的。

1 實驗及方法

1.1 實驗原材料與實驗設備

平均粒徑為50 μm的球狀高純鋁粉(上海山浦化工有限公司)；平均粒徑為86 nm的Al2O3粉(合肥中航化工有限公司)；無水乙醇。

行星式球磨機(QM-QX, 長沙米淇儀器設備有限公司)；真空熱壓燒結爐(ZT-50-22Y,上海晨華電爐有限公司)；X射線衍射儀(XRD，Rigaku-D/max-2400，日本株式會社理學)；掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-7800F，日本電子株式會社)；萬能試驗機(INSTRON LEGEND 2367型，美國英斯特朗公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 Al2O3/Al復合粉體的制備

在充滿高純氬氣的手套箱中將鋁粉和納米Al2O3粉混合裝入500 ml的硬質合金球磨罐中，并按照25:1的球料比加入對應質量的硬質合金球，同時添加4wt.%無水乙醇作為過程控制劑。首先將裝有混合粉體的球磨罐在行星式球磨機上進行短時間的低速球磨，使無水乙醇與待研磨粉體混合均勻；再將球磨轉速提高至240 r/min，球磨時間為20 h，制備5vol.%、10vol.%和15vol.%三種Al2O3/Al復合粉體。

1.2.2真空熱壓燒結

將球磨后的復合粉體密封于石墨模具中，以2 MPa的壓力將復合粉體壓實并保壓1 min；隨后置于熱壓燒結爐中，升溫至450 ℃保溫30 min，用以除去球磨過程中添加的無水乙醇；最后升溫至620 ℃，并加壓50 MPa條件下保持40 min，以使復合粉體燒結致密。

1.2.3 材料表征與測試

采用X射線衍射儀表征分析Al2O3/Al復合材料成分。采用掃描電子顯微鏡表征真空熱壓燒結得到的復合材料塊體。使用電火花切割機將Al2O3/Al復合材料塊體加工成φ2.5×5 mm的圓柱型試樣，將圓柱上下表面打磨光滑平整后，固定應變率為1×10-3s-1，在室溫條件下使用萬能試驗機對Al2O3/Al納米復合材料塊體進行壓縮性能測試，每個樣品測試三次以上以保證實驗結果的準確性。

2 實驗結果

2.1 復合材料的密度以及致密性

材料致密性的高低可以根據材料的實際密度與理論密度比值判斷。通過混合法則計算可得5vol.%、10vol%和15vol%三種Al2O3/Al復合材料的理論密度分別為2.745 g/cm3、2.79 g/cm3和2.835 g/cm3。根據阿基米德排水法測算得出三種復合材料的實際密度分別為2.7447 g/cm3、2.7973 g/cm3以及2.8417 g/cm3。通過計算可得三種復合材料的致密度分別為99.989%和100.262%和100.236%，具體數據如表1所示，表明三種復合材料的致密性均良好。對于10vol.%和15vol.% 兩種Al2O3/Al復合材料的實際密度略高于理論密度的原因可能是復合材料在熱壓燒結制備過程中石墨模具中的碳與部分鋁反應生成Al4C3，因此使得復合材料的實際密度略高于理論密度。

表1 復合材料的密度以及致密度

2.2 Al2O3/Al納米復合材料表征分析

圖1為復合材料物相檢測的XRD圖譜，由XRD圖譜中可以看出5vol%-Al2O3/Al復合材料的XRD衍射峰中只有 Al峰和 Al2O3峰，表明材料在制備過程中沒有雜質相的生成。而10vol%-Al2O3/Al和15vol%-Al2O3/Al復合材料的XRD衍射峰中除了具有Al峰和 Al2O3峰之外，還存在 Al4C3峰，說明兩種復合材料在制備過程中有雜質相的生成。

圖1 不同體積分數Al2O3/Al納米復合材料的XRD圖譜

圖2為5vol.%、10vol.% 和15vol.%三種Al2O3/Al復合材料的微觀形貌表征圖。

圖2 不同體積分數Al2O3/Al復合材料SEM圖像

從圖中可以發現三種復合材料中納米Al2O3顆粒分布均勻，沒有出現高體積分數納米顆粒易團聚的問題，同時材料中均沒有孔洞和裂紋等缺陷，也能進一步確認三種復合材料均具有較好的致密性。此外，從圖中也可以發現納米Al2O3顆粒的形狀大部分呈橢圓形并且納米Al2O3顆粒的尺寸分布范圍較大，其中大部分顆粒尺寸為80 nm左右，少數顆粒尺寸小于30 nm同時也有個別顆粒尺寸能達到300 nm。

2.3 力學性能

圖3為5vol.%- Al2O3/Al、10vol.% Al2O3-Al和15vol.% Al2O3-Al三種復合材料在室溫下的準靜態壓縮真實應力-應變曲線。從圖中可以發現隨著納米Al2O3顆粒體積分數的增加，在損失一定量韌性的同時復合材料的強度提升明顯。其中，15vol.%-Al2O3/Al復合材料在屈服強度和抗壓強度能分別高達536 MPa和741 MPa的同時具有0.23的壓縮失效應變，使得復合材料在獲得高強度的同時具有高的韌性。實驗結果表明，復合材料中納米Al2O3顆粒的均勻分布能有效提升材料的強度，并隨著納米Al2O3顆粒體積分數的增加而提高。復合材料強度提高的來源主要有以下三方面。

圖3 不同體積分數Al2O3/Al復合材料的溫準靜態壓縮真實應力-應變曲線

(1) 更多的納米Al2O3顆粒在承載過程中能具有更好的載荷傳遞能力。

(2) 鋁和氧化鋁具有不同的楊氏模量和熱膨脹系數，因此在變形過程中將在鋁基體和氧化鋁顆粒界面處產生大量幾何必須位錯來協調材料的整體變形，納米Al2O3顆粒含量越高所產生的幾何必須位錯越多，對復合材料強度的提升越明顯。

(3) 納米Al2O3顆粒對位錯的運動具有釘扎作用，通過阻礙位錯的運動從而提高復合材料的強度，納米Al2O3顆粒體積分數越高，顆粒間距越小，納米Al2O3顆粒與位錯的相互作用越明顯，對復合材料強度提升作用越大。

圖4為5vol.%- Al2O3/Al、10vol.% Al2O3-Al和15vol.% Al2O3-Al三種復合材料的加工硬化硬化率-真實應變曲線。從圖中可看出在塑性應變前期，納米Al2O3顆粒體積分數越大，復合材料的加工硬化率越高。在材料變形過程中，納米Al2O3顆粒對位錯的運動產生釘扎阻礙位錯的運動，導致位錯的糾纏和增值。納米Al2O3顆粒體積分數越大，釘扎效應越明顯，復合材料的加工硬化率也越高。隨著復合材料變形程度的加大，復合材料中位錯發生湮滅以及相互之間發生反應導致位錯密度減小，加工硬化率降低。在應變的中后期，納米Al2O3顆粒體積分數越大，復合材料的加工硬化率越小，說明材料的軟化現象越明顯。

圖4 不同體積分數Al2O3/Al納米復合材料的加工硬化率-應變曲線

2.4 壓縮斷口分析

5vol.%-Al2O3/Al、10vol.%- Al2O3/Al和15vol.% -Al2O3/Al三種復合材料的壓縮斷口在宏觀上均表現為沿壓縮圓柱呈斜45°角剪切破壞。圖5為三種復合材料在室溫下準靜態壓縮斷口形貌圖。

圖5 不同體積分數Al2O3/Al納米復合材料的準靜態壓縮斷口形貌

從圖5(a)可以看出5vol.% -Al2O3/Al復合材料壓縮斷口的表面凹凸不平，具有表現為脆性斷裂的平滑區域和表現為韌性斷裂的韌窩區域兩種形貌特征，其中韌性斷裂特征占整個斷裂表面形貌的主要部分。圖5(b)為圖5(a)的局部放大圖，圖中左半部分為平滑區，右半部分具有高密度的等軸韌窩并且韌窩大小均勻，平均尺寸約為0.6 μm，因此材料的整體斷裂方式為脆性-韌性混合斷裂。由圖5(c)可以看出10vol.% -Al2O3/Al復合材料的斷裂方式仍為脆性-韌性混合斷裂，既有相對平坦和光滑的脆性斷裂區域也有韌窩密布的韌性區域。圖5(d)為圖5(c)的局部放大圖，韌窩平均尺寸約為1μm。比較5vol.%和10vol.%兩種Al2O3/Al復合材料可發現 5vol.%-Al2O3/Al復合材料中韌窩的數量更多。這或許是由于5vol.% -Al2O3/Al復合材料中的納米Al2O3顆粒數量相對較少使得基體具有更好的塑性變形能力，在復合材料發生塑性變形過程中因納米Al2O3顆粒和鋁基體之間更大的變形不協調而形成更多的顯微空洞，基體更好的塑性變形能力為顯微空洞的長大和集聚提供了更有力的條件，因此在斷裂表面形成更多的韌窩。5vol.% -Al2O3/Al復合材料中韌窩的尺寸更小是因為顯微空洞的密度大和間距小導致韌窩的尺寸變小。15vol.% -Al2O3/Al復合材料的斷裂特征主要為脆性斷裂，雖然在局部區域可以發現韌窩，如圖5(f)所示，但斷裂表面整體較為平坦，屬于脆性斷裂。

3 結 論

通過高能球磨和真空熱壓燒結技術制備不同體積分數納米Al2O3/Al復合材料，并對其微觀結構、準靜態壓縮力學性能和斷裂方式進行了探究。主要結論如下：

(1) 5vol.%Al2O3-Al、10vol.% Al2O3-Al和15vol.% Al2O3-Al三種復合材料的微觀結構表征結果表明納米Al2O3顆粒分布均勻，沒有出現高體積分數納米顆粒易團聚問題。

(2) 隨著納米Al2O3顆粒體積分數的增大，復合材料的強度提升明顯，其中15vol.%- Al2O3/Al復合材料的最大抗壓強度高達741 MPa同時具有0.23的失效應變。

(3) 隨著納米Al2O3顆粒體積分數的增大，復合材料的壓縮斷裂方式由脆性-韌性混合斷裂轉變為脆性斷裂。