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颗粒增强铝基复合材料的研究
姓名：陈云 班级：10161201 学号：

【摘要】 本文简要介绍了常见的几种颗粒增强铝基复合材料的增强颗粒和性质，以及颗粒增强铝基复合材料的制备方法和应用。
【关键词】 颗粒增强铝基复合材料 碳化硅 氧化铝 碳化钛 石墨 粉末冶金 原位反映合成

0 前言
金属基复合材料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。铝基复合材料是金属基复合材料的一种，按照增强体形式不同可以分为长纤维增强铝基复合材料，短纤维增强铝基复合材料，晶须增强铝基复合材料及颗粒增强铝基复合材料。
颗粒增强铝基复合材料的增强颗粒克服了制备过程中出现的纤维损伤，微观组织不均匀，纤维与纤维互相接触，反映带过大等影响材料性能的缺陷。同时，颗粒增强铝基复合材料制备成本低廉，回收性和再运用性好，使其在各个领域都具有广泛应用。因此，本文将简要介绍颗粒增强铝基复合材料的部分相关内容。

1 颗粒增强铝基复合材料
颗粒增强铝基复合材料具有密度小，比强度、比刚度高，剪切强度高，热膨胀系数低，热稳定性和导热、导电性能良好，以及抗磨耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀优良等一系列优点。颗粒的增强重要是弥散强化，颗粒越小，弥散强化的效果越好，材料的性能也就越佳。
颗粒增强铝基复合材料增强体的选择规定颗粒在基体中高度弥散均匀分散，尺寸大小要适度，与基体间要有一定粘结作用，并且它们之间各方面都要相匹配。常见的增强颗粒有：碳化硅、碳化钛、氧化铝和石墨颗粒。
1.1 碳化硅颗粒增强铝基复合材料
碳化硅颗粒增强铝基(/Al)复合材料是一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料，它是用碳化硅颗粒作为增强体，采用铝或铝合金作基体，按设计规定，以一定形式、比例和分布状态，构成有明显界面的多组相复合材料。通过改变碳化硅颗粒在复合材料中的含量，可以对材料的性能进行调整。一般随碳化硅体积含量的增长，复合材料强度增长，塑性下降。按SiC含量不同可将/Al复合材料的功能特性分为三类：SiC含量<20％，被用作结构级复合材料；SiC含量在35％～50％间，被用作光学仪表及功能级复合材料：SiC含量50％--80％，被用作电子级复合材料。
/Al复合材料的重要性能特点是高比强、高比刚度、耐高温、耐磨、耐疲劳、热膨胀系数小、尺寸稳定性好。同时，/Al复合材料制造工艺设备简朴，成本低，可以批量生产。由于性能特点的多样性，/Al复合材料可以应用于各个不同的领域，耐磨性高，可以用于汽车制动盘和刹车转子、发动机活塞和齿轮箱；尺寸稳定性好，可以用于精密仪器构件、空间构件；比刚度高，可以用于航空航天的重要部件；膨胀系数低，使其可以很好地用在微电子热封装。
/Al复合材料常用的制备方法是粉末冶金法和铸造法，除此，尚有，压喷射沉积法，压力熔渗法，无压熔渗法。与欧美发达国家相比，我国/Al复合材料的研究起步较晚，技术工艺相对落后，但由于其发展潜力较大，相信在不久的未来，/Al复合材料会得到空前的发展与运用。
1.2 碳化钛颗粒增强铝基复合材料
/Al复合材料是以碳化钛颗粒为增强体，铝或铝合金为基体的复合材料。碳化钛颗粒在基体中较易分散，其增强效果较好，综合性能较高。/Al复合材料由于TiC具有高硬度、高弹性模量、高耐磨性、高熔点和高热稳定性等特点被广泛应用。随着TiC颗粒含量的增长，材料的耐磨性及硬度等性能也随之提高。
/Al复合材料的制备技术重要分两种类型。一是外加预制的增强相，例如熔融搅拌法、压铸法和粉末冶金法。此类方法在制取材料的过程中，有的存在严重的界面反映，有的基体与增强相间的相容性不良，难以达成抱负的增强效果。另一类即是目前引起广泛关注的原位合成法，它是将可以反映合成增强相的原料粉末混合，在一定温度下通过自发反映合成增强相，采用该方法生成的增强颗粒细小均匀，形状规则，与基体相容性好，两者结合牢固，且界面干净，热力学性能稳定，利于提高了材料的综合性能。此外，该方法工艺简便、成本低；可制备形状复杂、大尺寸的产品，产品质量高。
1.3 氧化铝颗粒增强铝基复合材料
氧化铝颗粒的熔点、强度和硬度高，并具有低的热膨胀系数、高的弹性模量，它是离子键化合物，抗晶格畸变能力及阻碍位错运动的抗力较强，是一种性能良好的颗粒增强相氧化铝颗粒增强铝基复合材料是以氧化铝颗粒增强铝或铝合金为基体的复合材料。
氧化铝颗粒增强铝基复合材料的增强体与基体之间具有良好的化学相容性，该复合材料是可以大批量生产和应用的金属基复合材料品种之一。它的制备方法有粉末冶金法和铸造法等，最常用的为半固态法。半固态法克服了传统铸导致形过程中易产生缩孔、缩松、气孔及尺寸偏差等缺陷，时具有成形温度低，延长模具寿命，减少能耗和成本，改善生产条件和环境，提高产品质量(减少气孔和凝固收缩)及性能，减少加工余量，提高产品竞争力等许多优点。
1.4 石墨颗粒增强铝基复合材料
石墨颗粒是软增强体，由于具有独特的层状结构自身就是一种优良的固体润滑剂。同时，石墨还具有良好的减磨性能，使得石墨颗粒增强铝基复合材料具有优良的摩擦稳定性、抗咬合和抗擦伤性，合用于制作汽车活塞、衬套、轴瓦等耐磨件。
石墨颗粒增强铝基复合材料的制备方法重要有粉末冶金法、喷射沉积法、自蔓延高温合成法和铸造复合法。铸造复合法与其他制备方法相比具有设备与工艺简朴、制导致本低、易于操作等优点，所制得的复合材料可采用常规二次加工的方法制成零件或型材，因此，适合工业化大规模生产。但铸造复合法制备过程中也存在很多问题，如：碳在固态和液态铝中的溶解度，且石墨与铝不润湿因此很难将石墨颗粒加入铝熔体，同时，由于未经解决的石墨颗粒表面粘附有机物，吸附有气体水分等物质更加破坏了其与铝熔体的润湿性；石墨颗粒密度比铝的密度小，很易在铝熔体中上浮和团聚，难以均匀分布；墨颗粒与铝熔体间的过度界面反映会在铝基体和石墨表面间形成脆性相和脆性层，破坏复合材料力学性能。
除此之外，颗粒增强铝基复合材料的增强颗粒尚有Zr2、Ti02、Cr203、WC、Si3N4、Mo、Cr、W、非金属颗粒C、轻石等。在所有颗粒增强铝基复合材料中氧化铝和碳化硅的发展较快、较成熟，被广泛应用。由于我国盛产钨，所以以WC颗粒作为增强颗粒的复合材料的研究也越来越引起人们的注意。
2 颗粒增强铝基复合材料的制备方法
颗粒增强复合材料的品种繁多，应当根据基体金属的物理、化学性质和增强材料的几何形状、物理、化学性质来选择合适经济的制备方法，大体可以分为：液态法，两相法，固态法和原位复合合成法。
2.1 液态法
液态法是指基体金属处在熔融状态下与固态的增强材料复合在一起的方法，重要涉及无压浸渗法、真空压力浸渗法、搅拌铸造法、热喷涂法。
2.1.1无压浸渗法
无压浸渗法是将基体合金放在可控制气氛的加热炉中加热到基体合金液相线以上的速度，在不加压力的情况下合金熔体自发渗透到颗粒层或预制块中，最终形成颗粒增强铝基复合材料。该技术是由美国Lanxide公司于开发出来的，制备工艺简朴便捷，具有可操作性，通过适当控制，如合金成分、温度、保温时间，可以取得良好额润湿，使自发渗透得以进行。目前，该工艺只能在一定条件下才干实现，合金含镁和氮气是两个前提条件，因此无压浸渗工艺具有局限性。
受到无压浸渗的启发，国内学者开展了在空气气氛环境下制备氧化铝和碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究，发现在颗粒增强物体中添加某种助渗剂或在铝合金熔体中添加某种起到助渗的物质，可以实现在空气中Al2O3/Al复合材料的无压浸渗制备，取得了良好的成果。
2.1.2真空压力浸渗法
真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体共同作用下，将液态金属压入增强材料的预制件中，制备金属基复合材料零件的一种方法。重要工艺参数涉及：预制件的预热温度，金属熔体的温度，浸渍压力和冷却速度。其中，预制件的预热温度和金属熔体的温度是影响浸渍是否完全和界面反映的最重要因素。
真空压力浸渍法合用面广，可以用来制造混杂复合材料。浸渍在真空中进行，在压力下凝固，无气孔、缩松、缩孔等铸造缺陷，组织致密，材料性能好，工艺简朴，参数容易控制，可根据增强材料和基体金属的物理化学特性，严格控制温度、压力等参数，避免严重的界面反映。该法设备比较复杂，工艺周期长，制造大尺寸的零件规定大型设备。
2.1.3搅拌铸造法
搅拌铸造是指将增强陶瓷颗粒加入高速搅拌的完全或者部分溶化的基体金属熔体中，然后浇注成复合材料的一种工艺。目前，搅拌铸造法所采用的有液态机械搅拌法和半固态机械搅拌法。前者是通过搅拌器的旋转运动使增强材料均匀分布在液体中，然后浇注成型。后者是运用合金在固-液两相温度区间经搅拌后得到的流变性质，将增强颗粒搅入半固态溶液中，依靠半固态金属的粘性阻止增强颗粒因密度差而浮沉来制备复合材料，这种方法能获得增强颗粒均匀分布的复合材料，但是，它只合用于具有固液相温度区间的基体合金材料。
搅拌铸造法由于成本低，操作简朴而广泛被广大学者所关注。近年来，在航空航天、汽车工业以及体育器械等方面已有大量的实例，如传动轴承，压缩活塞等。
2.1.4热喷涂法
常用的热喷涂法为等离子喷涂，虽然等离子喷涂设备规定较高，但是由于工艺参数和气氛容易控制，因此在颗粒增强铝基复合材料制备上经常被采用。
等离子喷涂是运用等离子弧的高温下将基体金属熔化后喷射到工件(增强材料)上，冷却并沉积下来的一种复合方法。等离子喷涂法不能直接制成复合材料零件，只能制造预制片，且组织不够致密，必须进行二次加工。
2.2固态法
固态法将金属粉末与增强颗粒按设计规定以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再经加热、加压，将金属基体与增强物复合粘结在一起，形成复合材料。粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法，均属于固态法。粉末冶金法是最早应用于复合材料的开发的，在此，只介绍该制备方法。
粉末冶金法是制备高熔点难成型金属材料的传统工艺，同时它也是最早开发用于制备颗粒金属基复合材料的工艺，工艺过程是将固体增强颗粒和铝基粉末用机械手段均匀混合，通过筛分、混合、冷压固结以及除气解决，然后加热到固液相区进行真空热压制成复合材料。目前，粉末冶金法是一种比较成熟的工艺方法。
使用粉末冶金法制得的产品具有界面反映少，增强相的含量可以根据需要进行调节，并且增强相分布均匀，性能稳定可进行传统的机械加工，综合强度水平比用熔融金属工艺生产的同种材料的高，伸长率也较高，材料微观组织结构有所改善。但该方法工艺复杂，成本较高，金属粉末与陶瓷颗粒混合时会因颗粒分布不均匀，除气不完全导致材料内部出现气孔，温度选择不妥易导致汗析。此外，制得的复合材料坯件还需要二次成型。
2.3 两相法
两相法重要涉及半固态复合铸造工艺和喷射共沉积工艺。
半固态复合铸造工艺，其实质是液态搅拌法的一种变化和改良，是指将金属液温度控制在液相线和固相线之间进行搅拌，这时熔体具有一定组分的固相粒子，增强物的加入，即使润湿效果不好，由于固相粒子的阻挡和搅拌，增强物颗粒也不会结聚或偏聚，仍然能得到较好的分散。
喷射沉积工艺是一种快速，其工艺流程：将铝合金在坩锅中熔化，加压流经雾化器后被高速气体分散成极其细小的微滴，微滴高速冷却后沉积到基板上，便可得到抱负的快凝材料；若同时通过一个或几个喷嘴射入增强粒子并使之与雾滴一起沉积到基板上，这样便制得了复合材料凝固技术。
喷射沉积工艺是一种崭新的金属基复合材料制备工艺。它综合了粉末冶金和快速凝固技术，因而在很大限度上避免了增强颗粒与基体的界面反映和铸造过程中普遍存在的宏观偏析，使材料具有细小的等轴晶组织和优良的综合性能。此外，喷射沉积工艺大大简化了粉末冶金工艺，因此能有效的缩短生产周期、减少成本，有助于实行工业化生产。
2.3 原位反映合成技术
原位反映合成法是近年来发展起来的一种新型的制备颗粒增强铝基复合材料的方法，其基本原理是：在一定的条件下，通过元素之间或者元素与化合物之间的化学反映，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达成强化金属基体的目的。此工艺由于增强体是从金属基体中原位形核，长大相的力学性能稳定，因此增强体表面无污染，界面结合强度高，避免了基体相容性不良的问题。原位反映合成铝基复合材料不受增强体的体积分数限制，增强体的设计自由度大，得到的尺寸细小，并呈弥散分布状态。因此制备得到的颗粒增强铝基复合材料具有优良的力学性能、耐磨性能和高温稳定性。原位反映合成技术涉及自蔓延高温合成法和放热弥散法两种方法。
自蔓延高温合成法（SHS）技术是运用热脉冲使放热反映起始于反映剂粉末压坯的一端，其生成热使临近的粉末温度骤然升高，发生化学反映并以燃烧的形式蔓延通过整个反映物，当燃烧波推行前移时反映物转变成产物特点是在无需外加热源的情况下，运用高放热化学反映的热量使其在引发后自身延续合成材料，节能、弥散法的基本原理是运用两组分间的放热反映得到第三种组分，制得具有很高增强体体积分数的中间合金，然后进行挤压、轧制得到复合材料，或者与重要合金混合重新熔化使之得到所需含量的颗粒增强体的金属基复合材料。
放热弥散法的基本原理是将增强相组分物料与金属基粉末按一定的比例均匀混合，冷压或热压成型，制成坯块，以一定的加热速率预热试样，在一定的温度下，增强相各组分之间进行放热化学反映生成增强相，增强相尺寸细小，呈弥散分布。其关键技术是：控制金属基复合材料中增强颗粒尺寸、大小、形状及体积分数。

3 颗粒增强铝基复合材料的应用与研究
颗粒增强铝基复合材料材料作为21世纪的先进材料，具有良好的综合性能，原材料资源丰富，成本低廉，在航空航天、军工业、电子工业、汽车、体育器械等领域有着广泛的应用，并取得了巨大经济效益。
颗粒增强铝基复合材料材料比强度高于传统的铝合金，比模量甚至高于钛合金，用作高性能结构材料，可提高结构安全，优化设计；同时，颗粒增强铝基复合材料物理性能优异，在某些特殊环境下可作为功能材料应用。高弹性模量和低热膨胀系数的特性，决定了它在制造光学和电子封装壳体两件上的应用，特别是高体积比颗粒增强铝基复合材料，具有很低的热膨胀系数和良好的导热性，是抱负的电子封装壳体材料……
我国研制的颗粒增强铝基复合材料的性能达成了国际先进水平，并且应用研究正在和国外应用研究接轨，并努力将材料推向实际应用。结合铝基复合材料的应用规定，我国还发展了复合材料的导热性、热膨胀性、磨擦磨损特性、疲劳特性、尺寸稳定性等应用基础研究，为颗粒增强铝基复合材料的实际应用打下了良好的基础。

4 结尾
颗粒增强铝基复合材料一直处在飞速发展当中，在当今资源节约型的社会大背景下，设计方法的优化、制备方法的创新及新型材料的研发显得越来越重要，只有方法的优化与技术的创新才可以节约资源，减少成本，提高生产效率，带来更多更大的经济效益。
材料是社会的物质基础，社会的发展将推动材料研究的热潮，颗粒增强铝基复合材料是金属基复合材料的重点研究领域，发展前景十分广阔，终将会以大规模的生产和应用走进社会的各个角落。

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