颗粒增强铝基复合材料
1.复合材料
1.1复合材料的概述
材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。在许多方面，传
统的单一材料已不能满足实际需要，这些都促进人们对材料的研究逐步摆脱过去
单纯靠经验的摸索方法，向预定性能设计新材料的研究方展发展。复合材料(Composite Materials)一词大约出现在20世纪50年代，随之也出现复合材料较为
严格的定义。复合材料是由两种或两种以上物理和纯学性质不固的物质组合两成
的一种多相固体材料[1]。复合材料的组分材料虽然保持其相对的独立性，但复合材料的性能却不是组分材料的简单加和，两是有着重要的改进。复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界面。分教相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。
自上世界40年代美国诞生了玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢)以来，新型增强材料不断出现，到目前为止，聚合物基、金属基、陶瓷基、混凝土基复合材料和碳，碳复合材料正以前所未有的速度发展。随着航天航空技术的发展，对结构材料的比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工提出了新的要求。高强度、高模量的耐热纤维和颗粒与金属复合，特别是轻金属复合焉成的金属基复合材料，克服了树脂基复合材料耐热性差和不导电、导热性能低等不足，加上增强体不仅提高了材料的强度，还可以保持密度变纯不大甚至降低。此外，这种材料还具有耐疲劳、耐磨耗、高阻尼、不吸潮放气等特点，已经广泛应用予尖端技术领域，是理想的结构材料。2l世纪我们面临筋将是复合材料迅猛发展和更广泛应用的时代[2-4]。
1.2颗粒增强铝基复合材料
金属基复合材料(Metal Matrix Composite，简称MMC)是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷、碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。在结构材料方面，不但要求强度高，还要求重量轻，在航天领域尤其如此。金属基复合材料正是为满足上述要求而诞生的。与传统的金
属材料相比，它具有优良的导电性与耐热性，与陶瓷材料相比，它具有高韧性和高冲击性能。这些优良的性能决定了它成为新材料中重要一员，已经在一些领域得到应用并且应用领域正在逐步扩大。
铝基复合材料是金属基复合材料的一种，具有密度低、基体合金选择范围广、可热处理性好、制备工艺灵活等优点，成为金属基复合材料研究和发展的主流。根据材料使用性能要求，来选择基体金属、增强相和制备方法。纯铝和铝合金均可用作基体，铝合金基体主要选用AI—Cu-Mg系、A1-Mg-Si系和m．Zn．Mg系：增强相主要为SiC、Al2O3；常用制备方法有粉末冶金法、液态金属浸渗法、搅拌铸造法与原位复合法等[5]。按增强体不同，铝基复合材料分为纤维增强和颗粒增强铝基复合材料。
颗粒增强铝基复合材料的增强体主要有SiC、TiC、A12O3和石墨颗粒，解决了纤维增强铝基复合材料增强纤维制备成本昂贵的问题。而且这类复合材料各向同性，克服了制备过程中出现诸如纤维损伤、微观组织不均匀、纤维与纤维相互接触、反应带过大等影响材料性能的许多缺点。颗粒增强铝基复合材料可广泛应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育用品等。随着增强体与基体结合理论的进一步研究，成本更低的增强体和制备工艺的不
缅甸王断开发，成本将更加低廉，使其应用领域将越来越广[6]。颗粒增强铝基复合材料作为先进的材料，具有优异的性能，同时原材料资源丰富，相对成本较低，在各经济领域有着广泛的应用前景，已受到普遍重视。我国相关领域也应大力开展这方面研究，包括基础理论研究，如强化相，基体对材料性能影响的机理等。还应重点加强对材料制备工艺及其对材料性能影响的研究，积极开拓颗粒增强铝基复合材料在众多领域中的应用，使其在国防和国民经济中发挥更大作用[7]。
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2.颗粒增强铝基复合材料制备
颗粒增强铝基复合材料的制备方法对材料的性能影响很大，其成本也取决于
材料的制造工艺，因此研究和发展有效的制造工艺一直是铝基复合材料的重要研
究内容。
2.1固态法
金属基复合材料的固态制备工艺主要为固态扩散法和粉末冶金法两种方
法。
(1)粉末冶金法(powder metallurgy)是将金属粉末充满在排列规整或无规取向的短纤维或晶须中，然后进行烧结或挤压成型。在制造短纤维复合材料中，粉末冶金方法用的最多，大致上分为两种，热压法和冷压成型、烧结法。采用此种方法制备SiCp/AL复合材料具有一些独特的优点[8~11]：
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1)粉末冶金法所使用的温度较低，可有效减轻增强体与基体间的有害界面反应，制得的复合材料具有较好的力学性能；
2)颗粒或晶须与基体混合较均匀，偏聚或团聚现象不太严重；
3)增强体的加入量可以任意调节，体积分数控制方便，成分比例准确；
4)此法能够制备其它方法所不能制备的铝基复合材料；
缺点是：
1)原材料和设备成本高；
2)工艺较为繁琐，材料易受污染；
3)制造出的复合材料一般都存在内部组织不均匀、孔洞率较大的现象，因此
必须进行二次塑性加工，以提高其综合性能；
4)制品的结构和尺寸受到限制。
热压是把成型和烧结同时进行的一种工艺，把混合料装在模腔内，在加压
的同时，使温度升到烧结温度，在短时间内获得均匀致密的材料。
冷压成型、烧结法是在常温下把粉末加工成坯体，然后再用稍低于熔点的温
度烧结的工艺，由于冷压烧结工艺过程易于掌握和控制，对温度要求不高，特别
适合大规模自动化生产。
随着科研人员对粉末冶金法研究的不断深入，开发出了新的粉末冶金方法
(机械合金化粉末冶金法)。用此法制备的复合材料中增强体颗粒分布均匀、界面
结合良好，增强体颗粒粒度可在纳米至微米范围内调节，增强体可高达70％的体
积分数，同时复合材料的力学性能高。此项制备工艺较为成熟，但工艺成本较高
固态扩散法(diffusion bonding)是将固态的纤维与金属基体适当组合，在加压加热条件下使他们互相扩散结合成复合材料的方法。这种工艺优点是可适用于广泛的金属基体，而且可控制纤维取向和体积分数；缺点是制造时间较长，需要高的温度和压力，只能制造有限尺寸的试样。
2.2液相法
液相法是制备铝基复合材料的方法中较早的一种。该方法把增强物即颗粒、晶须或短纤维加入并均匀地分散在熔化的金属液体中，然后浇注成形。通常非金
属增强物与基体合金性质差别很大，往往互不润湿，倾向于排斥和分离：二是比
中央国术馆重差使增强体出现上浮或下沉现象：同时增强体和基体还可能发生不良界面反应。为了解决这些问题，人们研究了不少工艺和措施，主要有搅拌法、半固态铸
造法、预制件浸渗法、中间合金法。液态法也可称为熔铸法，其中包括压铸，半
固态复合铸造，液态渗透法等。深圳劳动法
压铸法(squeeze casting)是指在压力的作用下，将液态或半液态金属基复合材料或金属以一定速度填充压铸模型腔，或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成形而制备金属基复合材料的工艺方法。半固态复合铸造(compo-casting)将颗粒加入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使颗粒在金属基体中均匀分布，并取得良好的界面结合，然后浇注成型或将半固态复合材料注入模具，进行压铸成型。液态浸渍法是用液态金属浸渍纤维束，而制成复合材料的方法，或将纤维束通过液态金属融池，使每根纤维被熔融金属润湿，除去多余的金属后得到复合丝，多束复合丝可用挤压使其结合成一体以制得复合材料，但因为纤维难以被熔融金属润湿，因此只有比较少的几种金属基复合材料可直接用液态浸渍法制造。
2.3固液两相法
固液两相法又称喷射沉积法(Spray Deposition)。喷射沉积的原理都是熔融金
属流被高能高压惰性气体雾化形成细小液滴，高速飞行的液滴在完全凝固之前沉
积在激冷的基板上快速凝固。喷射沉积过程大致可以分为五个阶段：金属释放阶
段、气体雾化阶段、喷射阶段、沉积阶段及沉积体凝固阶段。喷射沉积是一个复
杂的物理过程，其影响因素很多，主要包括两个方面：一个是预先决定的参量，
如：导流管直径、雾化气体种类、雾化器结构、基底几何形状等：另一个是在线参量，如：金属熔体过热度、金属流率、雾化气体压力、喷射的运动方式、喷射距离、基底运动方式等。采用不同形状的基底和不同的运动方式可获得管坯、圆柱坯、带等产品。这种方法的特点是增强体体积分数可以任意调节；增强体的粒度也不受限制；增强体与基体熔液接触时间相当短。因此二者之间的反应易于
控制，大大改善了界面的结合状态：基体可以保持雾化沉积、快速凝固的特点，晶粒十分细小。利用喷射共沉积工艺生产的颗粒增强铝基复合材料有其不足之
处，其最大缺点是增强颗粒利用率低，材料制备成本高。
2.4原位法
通过元素间或元素与化合物之间反应制各原位生长陶瓷增强金属基复合材料是近年来迅速发展的一种新的复合工艺方法，目前已成功地在铝基中实现了硼
化物、碳化物、氮化物等的原位反应。由于这些增强相引入的特殊性，不仅它的
尺寸非常细小，而且与基体具有良好的界面相容性，使得这种复合材料较传统外刎颈之交的意思
加增强相复合材料具有更高的强度和模量，以及良好的高温性能和抗疲劳、耐磨
损性能。
参考文献：
【l】王荣国，武卫莉，谷万里主编，复合材料概论；哈尔摈工业大学出版，1998，8,1
【2】S．V．Nair，J。K．Tien and R．C．Bates．SiC—Reinforced Aluminium Metal Composites[J]．hat Met Rev．1995，30(6)；275-288
【3】D．J．Loyd．Particle Reinforced Aluminium and Magnesium Matrix Composites
即兴演讲题目[J]．IntMet Rev．1994，39(1)：1-23
【4】吴人洁21世纪复合材料发展趋势．工程塑料应用，1999，27(2)：28．
【5】张大童，李元元，龙雁．铝基复合材料研究进展[J]．轻合金加工技术，2000，
28(1)：5～10．
【6】刘卫红，孙大谦，贾树盛等．非连续增强铝基复合材料连接新工艺叨．沈
阳工业大学学报，2003，25(3)：196~199．
【7】王双喜，刘学敬，孙家森． 铝基复合材料的制备工艺[J]．热加工工艺，2006，
35(1)：65~69．
【1 8】Cui Yah,Geng Lin,Yao Zhongkai．Anew advance in the development of high
performance SiCp/AI composite不好意思的意思[J]．J．Mater．Sci，1997(13)：227
