鋁基陶瓷復合材料在輕量化汽車零部件上的應用研究

摘 要：研究鋁基陶瓷復合材料在汽車輕量化零部件上的推廣應用，將極大地提高原有汽車輕量化零部件的綜合性能，彌補原有鋁合金輕量化零部件在惡劣環境中性能保持的穩定性，進一步提高產品壽命，應用前景十分廣闊。

關鍵詞：鋁基陶瓷；增強體；制備工藝；轉向節；輕量化

在汽車制造輕量化的今天，作為現代工程領域的一顆璀璨明星，鋁基復合材料憑借其獨特的性能，在眾多應用場合中嶄露頭角，尤其在輕量化汽車零部件中的探索應用更是得到眾多有實力的頭部企業的青睞。鋁基復合材料主要由鋁合金作為基體，通過添加其他增強體，如陶瓷顆粒、碳纖維等，來實現性能的大幅度提升。作為一種高性能的新型材料，鋁基復合材料具有許多獨特的優點，輕質、高強是其最大的亮點，耐磨、耐腐蝕性能也是它區別于其他金屬材料的顯著特點。

鋁基陶瓷復合材料是由上海交通大學周堯和院士、王浩偉教授等為代表的五代材料人合力攻堅30年研發而成，并在國際上率先實現了原位自生鋁基復合材料的規模化工程應用。陶鋁克服了傳統外加陶瓷顆粒增強鋁基復合材料存在的顆粒尺寸大、界面相容性差等組織相問題，陶瓷顆粒尺寸由外加法的幾微米到幾十微米降低到亞微米級別，突破了外加陶瓷增強鋁基復合材料塑性低、加工難等應用瓶頸。

鋁基陶瓷復合材料及產品介紹

1.鋁基陶瓷復合材料的構成

鋁基陶瓷復合材料是眾多金屬基體復合材料中的一種。金屬基體復合材料是一種由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料等兩種以上的增強性材料經過復合工藝制備而成的多相材料。各種材料在性能上相互取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料，從而滿足各種場景工件不同的要求。金屬基體可以是鋁基體、鎂基體或鎳基體，而組成復合材料的增強體則如圖1所示，通常采用顆粒體、纖維體或晶須體。

顆粒增強體鋁基復合材料是金屬基復合材料中最成熟的一個品種。構成復合材料增強體的顆粒物如圖2所示，有SiC顆粒、TiC顆粒、Al2O3顆粒、納米陶瓷顆粒以及初晶Si顆粒等。目前國外（如美國、加拿大）已有小批量生產，該種復合材料所用的增強體主要為TiC和Al2O3，亦有少量氧化鈦和硼化鈦等顆粒（粒徑一般為10mm）。

纖維在復合材料中的作用基本上是提高純樹脂體系的力學性能。復合材料中使用的所有不同纖維都具有不同的性能，因此會以不同的方式影響復合材料的性能。復合材料增強體纖維如圖3所示，主要包括玻璃纖維、?碳纖維、?硼纖維、?碳化硅纖維及?氧化鋁纖維等。?這些纖維在金屬基復合材料中會起到提高強度、?改善性能的作用。

復合材料增強體晶須主要包括金屬晶須增強體和非金屬晶須增強體。其中，金屬晶須主要應用于金屬基復合材料中，如圖4所示，金屬晶須有氧化鋁、氧化鋅晶須等。陶瓷質晶須則有SiC、鈦酸鉀、硼酸鋁晶須等。

2. 鋁基陶瓷復合材料產品的制備工藝

（1）混制工藝" 鋁基陶瓷復合材料的混制工藝分為兩步：預處理過程和復合制備過程。在預處理時，先根據需求選擇合適的鋁基體和陶瓷顆粒原材料，再將鋁和陶瓷原料進行分別處理，以保證兩種材料的純度和顆粒度。在復合制備階段，采用不同的方法，如熱壓燒結、熱等靜壓、電熱爆破等。液態攪拌鑄造法如圖5所示，將使鋁液和陶瓷顆粒進行復合，形成均勻分散的材料體系，實現陶瓷顆粒在鋁基體中的均勻分布，這種方法能使復合材料界面效應、混雜效應或復合效應充分發揮，有利于復合材料性能的提高與互補（見表1），從而滿足復合材料結構和強度設計要求。

（2）成型工藝" 將混合均勻的原材料通過一定手段成型為所需形狀。鋁基陶瓷復合材料是顆粒增強金屬基復合材料（PRMMCs）中的一種，其產品主要成型工藝（見表2）有熱壓成型、凝膠注模成型、陶瓷涂覆成型、液相反應燒結成型等。

1）熱壓成型，將預制的陶瓷與鋁材層層疊放，然后通過高溫和高壓的條件進行熱壓，使兩者之間形成結合。

2）凝膠注模成型，將陶瓷粉末和鋁粉末與有機膠體混合，并在適當的溫度和濕度下進行攪拌，形成膏狀物料后注入模具中，然后通過凝膠化、烘干和燒結等步驟制得復合材料。

3）陶瓷涂覆成型，先制備陶瓷涂料，然后將其涂覆在鋁材表面上，再進行燒結和熱處理，使涂層與鋁材結。

4）液相反應燒結成型，將鋁薄板與陶瓷粉末堆積在一起，然后在高溫條件下進行燒結，利用陶瓷粉末與鋁薄板之間的液相反應形成氧化物膜層，從而增強材料的結合性和耐蝕性。

需要注意的是，鋁陶產品鑄造成型工藝也存在一些技術難題，如增強顆粒與基體金屬熔體的潤濕性差、增強顆粒分布均勻性差、增強顆粒與基體金屬的界面互不溶解及PRMMCs的凝固對組織和性能的不利影響等。總之，鋁基陶瓷復合材料的產品凝固過程較為復雜，業界目前尚無統一的理論以及有效的解決辦法。

鋁陶產品在汽車零部件上的應用

在汽車制造領域，鋁基陶瓷復合材料的應用對于實現汽車輕量化、提高?燃油效率和減少排放具有重要意義。尤其是鋁陶材料在汽車一些關鍵部件（見表3）如轉向節、制動盤乃至發動機等產品上的應用，不僅提高了部件的強度和韌性，還實現了經濟效益和社會效益的雙贏。

轉向節是汽車制動系統的重要組成部分，其性能的好壞直接關系到車輛能否安全、高速地行駛。隨著目前汽車輕量化發展的要求，高性能、輕質量的轉向節越來越成為汽車零部件廠商青睞的對象。

鋁基陶瓷復合材料應用于汽車轉向節，具有較強的優勢：鋁合金的密度僅為鋼的1/3，而鋁陶材料的轉向節質量僅為鑄鐵轉向節質量的40%～50%，是最佳的汽車輕量化材料。同時又具有較高的比輕度、比剛度和彈性模量，而且導熱性好，其耐磨性明顯高于HT200；熱膨脹系數小，在高溫載荷下尺寸比較穩定。

據悉，我國某企業已經成功完成了一款陶瓷鋁合金轉向節的研發（見圖6）。其材料機械性能為：屈服強度290MPa/抗拉強度310MPa/伸長率8%，已達到了鍛造轉向節水平，經由權威金屬材料研究機構完成了轉向節靜強度和疲勞的臺架試驗，且機械性能、化學成分和金相組織檢測、測試，其結果均證明全部合格，已經具備批量生產條件。

結語

隨著中國汽車工程學會2020年10月《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》的發布，在“以鋁代鋼”實現汽車輕量化的大環境下，伴隨著我國科學技術的不斷進步，相信在不久的將來，陶瓷鋁合金新材料在汽車底盤零件上的推廣應用，尤其在新能源汽車的副車架、轉向節、車輪支架及控制臂等，包括一體化副車架，以及目前正在研究火熱的一體化前機艙、后地板等，必將迎來迭代升級式普及，應用前景和發展空間將非常廣闊。

參考文獻：

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