納米陶瓷顆粒在鋁基復合材料中的研究進展

摘 要：納米陶瓷顆粒在鋁基納米復合材料領域是極具潛力的增強相，可較容易地使基體材料實現輕質化、耐高溫、耐摩擦、化學穩定性強的改性效果。在復合工藝中，納米陶瓷顆粒的不均勻分散及其在基體材料中的潤濕性差是當下的主要挑戰。本文以不同種類的納米陶瓷增強相為線索，分析梳理了不同性能及不同應用導向的納米陶瓷顆粒在鋁基復合材料應用中的研究進展。

關鍵詞：納米陶瓷；納米粉體；復合材料；粉末冶金

1前言

陶瓷材料因具有強度高、耐腐蝕、高溫下穩定等特性而在當下富有應用價值。在鋁基納米復合材料領域，作為極具潛力的納米增強相，納米陶瓷顆粒可較容易地使基體材料實現輕質化、耐高溫、耐摩擦、化學穩定性強的復合效果。此外，由于陶瓷與金屬的不相容性及較大的熱膨脹系數、彈性模量差異，其增強效果較好，因而廣受青睞。

已有學者對納米顆粒增強鋁基復合材料的研究現狀進行了歸納和梳理，但針對納米陶瓷顆粒在鋁基復合材料中的應用現狀的報道相對缺乏。本文以不同種類納米陶瓷增強鋁基復合材料的研究進展為線索，綜合陶瓷粉末應用及復合工藝研究，分析梳理了納米陶瓷粉末的研究熱點與工藝現狀，可在一定程度上為相關領域研究提供參考。

2 各類納米陶瓷增強相的研究進展

2.1 nmAl2O3陶瓷增強相

Al2O3具有強度、硬度、熱阻率、熱導率、電絕緣性、耐腐蝕性和生物相容性高的綜合優良特性[1]，在材料領域中應用廣泛，如制備火花塞、耐磨陶瓷和陶瓷刀具等[2]。在鋁基復合材料領域內，基于增強相粒度效應[3]及納米增強相雜化的輔助功能[4]，有研究者探索了nmAl2O3陶瓷增強鋁基復合材料的制備及性能研究。如Essam[5]等用nmAl2O3陶瓷配合BN納米顆粒雜化制備納米復合材料。結果dVqFBtnMV2XdX5qqe52emA==表明，nmAl2O3陶瓷粉末在基體中均勻彌散，有效提升了復合材料硬度。Vivek等人[6]使用攪拌鑄造，使6.6%nmAl2O3陶瓷粉末配合微量ZrO2納米顆粒雜化制備納米復合材料。結果表明，納米復合材料的抗拉強度提高了54.32%，硬度提高了114.28%。

2.2 nmSiC陶瓷增強相

SiC陶瓷材料具有耐磨性、耐久性，在耐磨材料領域極具成本效益因而應用廣泛。除耐磨性能優良外，SiC還具有優異的耐腐蝕性和高溫穩定性[7]，以及良好的電性能。一直以來SiC增強Al基復合材料廣受矚目，近年來發展了納米級SiC陶瓷顆粒的增強研究。如Mu等[8]通過高能球磨（HEBM）、放電等離子燒結（SPS）和熱擠壓等粉末冶金工藝制備了 5vol%nmSiC/AA2024 系統的納米復合材料，并詳細研究了不同HEBM和SPS工藝下的納米復合材料樣品的微觀形貌和機械性能變化規律。文章報道了以下結論：1）將球磨時間從12h增加到24h，可使Al基體晶粒細化，nmSiC更彌散分布，從而可以顯著提高材料的硬度和強度。2）將SPS時長從5 min增加到10min有助于增強相與基體相的結合，并促進晶粒長大，從而形成高延展性能的‘雙峰’微觀結構。3）24h的球磨、10min的SPS工藝下， 5vol%nmSiC/AA2024復合材料的拉伸強度及延展性達到了最優，其屈服強度為463MPa、極限拉伸強度為626MPa、斷裂伸長率為4.4%。Huang[9]等采用粉末冶金法制備5wt% nmSiC/Al-Mg-Sc-Zr的復合材料，通過摩擦攪拌加工（FSP）獲得了致密、均勻和晶粒細化的復合材料，機械性能有所改善。此外，該研究揭示了FSP納米復合材料的增強和增韌機理，證明增加 FSP 次數可明顯減少微缺陷并使微觀結構變得致密、均勻和細化（如圖1所示），使材料屈服強度和斷裂應變均增加了幾乎一倍。

2.3 nmZrO2陶瓷增強相

氧化鋯（ZrO2）比多數陶瓷材料脆性更低，因其具有高硬度、化學無反應性和生物相容性[10]，常用作生物、醫學材料；此外，其優異的機械性能、耐摩擦性，較優的高溫強度，以及高抗腐蝕性、低熱導率和高電絕緣性能等綜合特性[11， 12]，也使之在眾多工業領域備受青睞。Jamali等[13] 利用ZrO2納米顆粒，成功制備了AA7075基納米復合材料，證實了增強相納米顆粒和增強相團聚體尺寸這兩個主要因素在機械和磨損性能中起重要作用。該研究中納米陶瓷顆粒的復合使基體的平均顯微硬度提高了31.3%、最大顯微硬度提高了44%，樣品的磨損率與純基底金屬相比降低了67%。

2.4 nmB4C陶瓷增強相

碳化硼（B4C）是已知最堅硬的材料之一，僅次于金剛石和立方氮化硼，且具有高熔點和高熱穩定性，屬于優質耐火陶瓷。此外，它具有高耐磨性、極高的硬度、較低的密度，可被用于生產耐磨器具[14]；此外它還是優質半導體材料[15]，并且可在核應用中被用于中子輻射吸收[16]。近年來，有學者基于碳化硼的優良綜合性能，開發了其作為納米增強相的工藝研究。如Chandra等[17]使用摩擦攪拌加工（FSP）將B4C納米顆粒鍵合在AA6063表面，形成自組裝單層（SAM）。該研究為了確保納米陶瓷顆粒的均勻分布，將0.138gB4C溶解在5ml乙醚中制備0.5mol溶液，使該溶液具有增強的表面和機械性能。由于納米陶瓷顆粒的有效添加和晶粒結構的細化，其制成的復合材料拉伸強度、延展性、耐磨性和硬度發生顯著變化。

2.5 nmWC陶瓷增強相

碳化鎢（WC）的硬度僅次于金剛石，高溫強度高，且非常穩定，具有高耐腐蝕性和高耐磨性，廣泛被應用于高溫和高速設備下的切削工具[18]。Zoalfakar等[19]利用攪拌摩擦加工（FSP）優化工藝參數，對nmWC/ AA6061表面納米復合材料的極限抗拉強度（UTS）和晶粒尺寸進行改善。研究表明，適當選擇FSP參數可使nmWC顆粒在整個基體中均勻分布，從而產生無缺陷、無空隙的nmWC/AA6061納米復合材料；FSP過程中的劇烈塑性變形和生熱會導致nmWC顆粒的破碎、多孔的消除，并通過動態再結晶產生超細晶粒尺寸的結構。該研究發現了此工藝參數的最佳組合，其開發的表面復合材料可用于改善材料表面性能的應用及材料的輕質化，在航空航天、航海、汽車、運輸工業和國防領域具有應用前景。

2.6 nmSi3N4陶瓷增強相

氮化硅（Si3N4）是一種先進陶瓷材料，具有高熱穩定性和高硬度[20]，是優良的增強相材料。Kumar等[21]人通過超聲輔助攪拌鑄造結合底部澆注，生產nmSi3N4陶瓷顆粒增強鋁基（AA7068）納米復合材料。研究表明，nmSi3N4陶瓷顆粒的加入使晶粒細化得到了改善，并觀察到了納米陶瓷顆粒的聚集。與基體合金材料相比，1.5wt%的nmSi3N4陶瓷顆粒增強納米復合材料的拉伸強度、壓縮強度和硬度值比純金屬基體分別提高了50.07%、27.41%和72.71%。由于納米陶瓷顆粒的顯著團聚，納米復合材料的沖擊強度和延展性持續下降。

2.7 nmBN陶瓷增強相

氮化硼（BN）是一種具有優異熱性能和機械性能的陶瓷，且環境友好。Moustafa等[22]使用FSP工藝，針對鋁基體以nmBN顆粒為主要增強相，NbC、SiC、TaC納米顆粒為次要增強相制備復合材料。結果表明，加入的混雜納米陶瓷顆粒增強了材料的化學穩定性、耐磨性、抗壓強度、顯微硬度和高溫變形抗力，晶粒尺寸相較于純基體材料有所減小。

2.8 nmTiC及nmTiO2陶瓷增強相

TiC及TiO2陶瓷在改性鋁基材料研究中得到了豐富的發展，近年來相關研究人員針對納米級TiC及TiO2陶瓷增強鋁基復合材料進行了研究。如Yang等[23]建立了高強度超聲鑄造技術制備的0.9 wt% nmTiC顆粒增強2219鋁的納米復合材料的二維模型，結合試驗，采用考慮湍流的多相計算流體動力學超聲空化模型，研究了TiC納米顆粒在2219鋁熔體中的分布。結果表明，超聲功率對TiC納米顆粒在鋁熔體中的分布有顯著影響；合適的超聲功率對納米粒子的分散有促進作用。此外，用電鏡分析了TiC納米顆粒的分布，證明它們在鑄錠的中心位置比在邊緣部分更均勻地分布；納米顆粒更多聚集在邊緣。實驗結果與模擬結果基本一致。Najjar等[24]將TiO2納米顆粒與鋁基體通過累積軋制結合（ARB）加工，實現了納米陶瓷顆粒的均勻分布，使基體晶粒變得超細，復合材料的機械性能、屈服強度和極限強度均有所提高。

2.9 nmAlN陶瓷增強相

AlN有優異的機械和物理性能，是較合適作為增強相的陶瓷材料。早期有研究者通過各種方式[25-26]制備了AlN增強Al基復合材料，近幾年開始轉向nmAlN增強鋁基復合材料[27， 28] 。如Song等[28]通過液-固反應方法結合擠壓變形成功制備了nmAlN陶瓷增強鋁基復合材料，該材料表現出優異的拉伸強度和延展性。該研究進一步揭示了納米陶瓷顆粒在變形過程中的分布演變和拉伸性能響應規律。隨著陶瓷顆粒尺度的改變，會導致顆粒之間的距離減小，這增加了增強顆粒之間位錯運動所需的張力，同時使增強相更易彌散分布，帶來更好的增強效果[29]。

3總結及展望

總的來說，各類納米陶瓷均在鋁基復合材料中有優越的發展前景，其中不同性能及不同應用導向的納米陶瓷顆粒需要采用相對應的復合方法，并對其工藝進行逐步改進。如前文總結的納米氧化鋁顆粒，通常和其他納米顆粒雜化[5， 6]，以化解其本身在復合加工中帶來的不良特性。從整體來看，納米陶瓷顆粒的團聚和不均勻分散，以及納米陶瓷在基體材料中的潤濕性差，這二者是制造納米陶瓷顆粒增強鋁/合金納米復合材料的主要挑戰[29]。通常來說，要改善納米陶瓷顆粒的團聚，如前文所述，多采用固態粉末冶金（球磨）法、攪拌鑄造法，搭配超聲波輔助或加入次要增強相雜化等手段進行改進。對于較硬質的陶瓷顆粒如碳化鎢、碳化硼、碳化硅等，機械合金化法會造成復合顆粒的加工硬化[30]，所以需要與熱擠壓、SPS[31]等工藝手段結合使用。本文中歸納的硬質陶瓷納米顆粒多采用攪拌鑄造法，然而這種制備納米陶瓷增強鋁基復合材料方法的主要挑戰是工藝過程中納米顆粒的團聚、固體納米陶瓷顆粒在熔融金屬中的有限潤濕性，和旋轉攪拌過程中引入的空氣滯留造成的孔隙[4]。如前文所述，研究者會利用超聲波動力輔助[21， 23]及顆粒表面涂覆[4]等物理、化學方法改善界面間的相互作用。除此之外，還可以采用固態、半液態和液態等[4]多種加工方法互相配合來制備納米陶瓷增強鋁基復合材料。

在未來，納米陶瓷顆粒將在鋁基復合材料領域有更廣闊的應用前景和更深入的工藝探索，如何更好地解決其彌散分布問題及界面接觸問題，使陶瓷與金屬基體的優越性能更完善地協調在復合材料中，是今后的研究方向。

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Research Progress of Ceramic Nanoparticles in Aluminum Matrix Composites

CHEN Lin-yu1 ， ZHANG Xiang-jun1 ， ZHANG Ming-yi1 ， LIU Hong-wei1 ， WANG Wei1 ， YIN Fei2 ， LIU Hui2

（1.Fifty-second Research Institute of China National Weapons Industry Corporation， Baotou 014030 China；2.Yantai Area Military Representative Office of Army Equipment Department Military Representation Bureau in Nanjing Area， Shandong 264000 China）

Abstract： Ceramic nanoparticles are highly promising reinforcing phases in the field of aluminum-based nanocomposites， which can more easily enable the matrix material to achieve the modification effects of lightweight， high temperature， friction resistance， and high chemical stability. The inhomogeneous dispersion of nanoceramic particles and their poor wettability in the matrix material are the main challenges in the composite process today. In this paper， the research progress of nanoceramic particles with different kinds of nanoceramic reinforcing phases in aluminum matrix composite applications with different properties and applications is analyzed and sorted out as a clue.

Keywords： Nano-ceramics; Nano-powders; Composites; Powder metallurgy