金屬復合板材料強度的影響因素及應用分析

愛仕達股份有限公司 楊劍博

在產品設計及生產制造中對金屬復合板材料最關注的性能指標是強度，所以復合材料強度的影響因素始終是研究的重要課題。然而因為金屬復合板材料的強化機理尚未明確，目前有關金屬復合板材料的設計理論依舊存在一定的不合理和盲目性。因此，要想更好更快的促進金屬復合板材料發展與應用，必須不斷探索和分析影響其復合材料強度的主要因素。

一、影響金屬復合板材料強度的主要因素

（一）基材

不同強度材料基材對復合材料的性能指標都有不同程度地影響，比如：抗拉強度、結合力還有屈服強度等等。然而并非基材強度越低，復合材料的強度就越低，而是存在最適合的匹配。根據有關研究成果顯示，在低強度的L3純鋁上能夠獲取最大的增強率，而在高強度的LY12合金上只能獲得較少的增強率，相比之下具有很強的塑性和高強度的LD2當做基材時，強度相當高。[1]而有些研究人員覺得基材本身強度不高，復合材料中基材強度將顯著提升，所以對基材強度不高的復合材料利用基材原位性能的明顯提升讓復合材料強度得到大幅度提升。[2]這些研究均表示基材與增強復合層之間有優化選擇以及科學匹配問題。

基材合金化對復合材料的強度有較大影響，有研究人員研究鋁合金成分影響Al2O3顆粒增強鋁基復合材料力學性能。[3]其研究結果顯示，在鋁合金中添加Cu以及Ni，在高溫環境下抗彎強度提高，提高Al的體積分數，也可以提高抗彎強度。還有研究人員提出Mg含量直接影響基于Al-Si-Mg合金的復合材料強度，將Mg徹底消除，讓此合金強度大大的加強。此外，通過適量的添加稀土元素，也可以增加復合材料強度，比如：通過添加稀土Ce，在一定程度上可以加強基材。然而現階段，尚未對稀土元素加強復合材料的原因獲得結論。

（二）增強復合層

在基材金屬增加增強復合層能夠利用對顯微組織，比如：亞結構以及位錯組態等變化，對基材金屬性能的缺陷進行有效彌補。增強復合層的重要功能是利用基材合金的微觀組織改變得以實現，而且其需要承受載荷，而且其對位錯的產生以及亞晶結構細化有直接地影響。比如：就SiCp/AL復合材料來講，因為添加增強顆粒，擴大晶界面積，在固溶處理過程中基材內因為熱錯配造成的位錯，異號位錯彼此抵消，同號位移就會經攀移排列成與滑移晶面保持垂直狀態的小角度晶界，進而形成亞晶界，而且此亞晶界面積不斷擴大。利用Hall-Petch關系式不難發現，亞晶界以及晶界的加大，基材合金晶粒以及亞晶結構等細化，能夠使復合板材料的強度得到提升。[4]有研究人員研究結果顯示，就低強度鋁合金來講，要想確保金屬復合板材料的高強度，纖維必須有相當長的長徑比與比較高的界面強度，而針對高強度的鋁合金，需要確保纖維有相當高的抗拉強度，這樣才可以確保金屬復合板材料的抗拉強度相當高。

（三）界面

界面是復合材料中不可或缺的重要構成部分，對復合材料有直接地影響。金屬復合板材料綜合性能是否優良通常受到增強復合層與基材之間的界面結合實際狀況影響。要想獲得不錯的強度，界面結構和性能是增強復合層與基材性能是否可以全面發揮、形成最優綜合性能的重點。而金屬復合板材料中許多承載體無法發揮最好性能的根本原因是溫度-時間產生的界面反應，因此必須形成相對穩定的界面結合。金屬復合板材料有著相當復雜的界面結構，界面區尺寸屬于微觀層面，很難對表征進行合理分析，就理論層面來講，常規力學分析通常無法準確得出結果。比如，增強復合層要想兼顧高效傳遞載荷以及避免裂紋擴大，需要保持在最適合的界面結合狀態以及強度。如果界面上有臺階，除了能夠減少界面結合能，臺階還會產生機械互鎖效應，造成很強的界面結合，對加強機械性能是十分有利的。反之，若界面存在脆性的金屬間化合物，就會造成比較弱的界面結合。[5]又如，連續纖維加強的金屬復合板材料強界面結合強度必須保持在適合的范圍內，由于強界面結合很有可能產生界面過度反應，最終反而導致纖維受到不同程度的損傷。而在界面的表面顆粒粗糙度進行加強的金屬復合板材料中，不管是基材還是增強復合層，都是承載向強界面結合，進而將表面顆粒的增強作用全面發揮出來。現階段，界面優化有多種方法，比如：金屬基材合金化，噴砂粗化等等。

（四）制備工藝

不同的制備方法也會導致復合材料體現出不同的性能特點。比如：高能球磨法可以讓增強復合層顆粒在基材均勻分布，顆粒均勻，對提升復合材料強度是十分有利的。但是金屬冷噴涂法制備的復合板材料中就容易出現偏聚增強復合層顆粒的情況。就原位生成制備的復合板材料來講，因為原位增強相除了尺寸相當細小，也與基材有著較強的界面相容性，以確保該復合材料具有相當高的強度。對于熱處理工藝來說，比如：淬火，就可以加強復合材料。淬火強化作用通常體現在兩點，一方面是因為淬火產生的應力而造成的強化，另一方面是增強復合層顆粒抵抗基材塑性流動產生的反向應力而造成的強化。經應力分析系統模擬結果顯示，冷卻速度越大，復合材料中增強顆粒越均勻分布，兩者有緊密的關聯。同時，時效也可以顯著加強復合作用。除此之外，復合材料強度還有可能受到二次加工影響。比如：熱擠壓可以使復合材料有更高的強度，由于復合材料通過進行熱擠壓，顆粒分布非常均勻，位錯密度也更高，消除許多鑄造缺陷。然而如果擠壓溫度偏高，擠壓件表面很有可能出現橫向裂縫；如果擠壓溫度偏低，顆粒分布均勻情況一般，與高溫下擠壓有很大的差距。

二、金屬復合板材料在五金炊具行業中的應用

相比較粉末基復合材料而言，金屬復合板材料具有諸多特點，比如：高強度、高彈性模量、橫向力學性能強、高層間剪切強度、耐熱性能強、尺寸相對穩定、熱傳遞性能優良以及不會放出氣體對環境造成污染等等。因此金屬復合板材料非常適合在綜合性能要求均衡的消費產品中進行應用，尤其在以民用消費品為主的五金炊具行業可以得到廣泛應用。

利用Fe-Al基復合板材料制成適用電磁爐使用的鍋具，Fe基層材料具有磁通感應加熱特性，電熱轉化率高，但受熱不均勻，通過復合Al層材料的優良熱導性能，將熱量均勻傳遞加熱食物，改善了單層鋼制鍋具易燒焦食物的弊病，現已應用于電磁爐鍋具、IH電飯煲內鍋等產品中。通過基材合金化，采用8011A鋁合金為基材的不銹鋼復合板材料能有效提高材料的抗彎強度，使產品的抗變形能力得到提升，實際生產應用可以減少制品厚度，達到與1100鋁合金加厚制品相同的抗變形能力，有效減輕了產品重量，達到輕量化的目的，非常適合用于大口徑的炒鍋、湯鍋等較重的手持操作炊具產品。

用低強度鋁合金基材來制造高強度的承壓結構時，利用增強復合層對復合板材料的影響因素，選用界面強度較高的的奧氏體不銹鋼作為增強復合層，可以保證承壓結構的高強度，如高壓力鋁合金壓力鍋的牙口采用加厚結構，在長期高壓使用環境下，仍然存在失效的情況，改用增強復合層為304不銹鋼的鋁合金復合板后，牙口的結構強度得到提升，能有效保障高壓力壓力鍋的安全性及使用壽命。

金屬復合板材料在進行拉深成型時，容易出現分層剝離，利用界面結構對復合板材料的影響因素，提高增強復合層表面粗糙度，復合前通過噴砂粗化，形成具有波峰波谷的界面結構，并除去了表層脆性的金屬氧化物，能很好的改善界面質量，與基材復合后可以形成承載向強界面結合，避免了金屬復合板材料拉深成型時出現剝層現象。

對于金屬復合板材料二次加工的加工工藝的選擇，應避免冷擠壓工藝對金屬復合材料強度性能的影響，如在生產厚薄不均的仿鑄鋁型鍋具時，有多處棱角分明的臺階，用冷擠壓工藝生產時，容易出現拉料、斷料、皺紋等缺陷，改為熱擠壓工藝生產后，消除大部分缺陷，良品率得到提升。

因此，在產品設計生產中合理利用金屬復合板材料的特性，可以有效地提升產品性能及質量，滿足廣大用戶的實際需求。

結語

總而言之，金屬復合板材料強度除了受到以上因素影響，還會受到其它因素影響，包括溫度以及環境等等。怎樣充分利用有利因素，將一些不利因素去除，以加強金屬復合板材料性能是需要深層次探究的問題。通過對金屬復合板材料強度的改善及研究，可以將其更好的應用到五金炊具行業的新產品開發及產品質量提升方面，也有利于將這種先進的材料推廣到更多的領域中應用。