复合材料制备管理论文

复合材料制备管理论文

1、纳米Fe_3O_4及Fe_3O_4-SrFe_(12)O_(19)吸波复合材料的制备及性能2、纳米Ag颗粒/In-3Ag复合焊料的微观组织演变3、基于宏微观分析的碳纤维增强高分子复合材料强度性能表征4、新型无卤膨胀阻燃聚丙烯的制备及阻燃性能5、热残余应力对内埋光纤光栅传感性能的影响6、独角仙鞘翅微结构及其纳米力学性能7、聚丙烯-钢纤维混杂高强混凝土高温性能研究8、复合材料层合板准静压损伤的数值模拟9、MgO/Li_2O(mol)及烧结温度对结合剂及cBN磨具性能的影响10、复合材料层合板临界屈曲载荷分散性研究11、Si、Mg含量对离心铸造原位颗粒增强Al-xSi-yMg复合材料的组织与耐磨性能的影响12、颗粒增强金属基复合材料涂层的制备及其特性与应用13、三维五向编织复合材料渐进损伤分析的数值方法14、纳米银/环化聚丙烯腈复合物的制备与结构表征15、功能化碳纳米管的制备及功能化碳纳米管/尼龙6复合纤维16、石墨烯/聚苯胺复合材料的电磁屏蔽性能17、二维编织C/SiC复合材料的非线性损伤本构模型与应用18、压电复合材料表面化学镀镍工艺及镀层性能19、微米级煅烧羟基磷灰石/壳聚糖复合膜的制备及性能20、纳米TiO_2颗粒弱界面增强复合材料宏观力学行为有限元模拟

碳化硅颗粒增强铝基复合材料研究现状及发展 论文一篇，要综述性的东西，不能有实验和计算内容。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究现状及发展趋势

摘要：综述了铝基复合材料的发展历史及国内外研究现状，重点阐述了碳化硅颗粒增强铝基复合材料制备工艺的
发展现状。同时说明了碳化硅颗粒增强铝基复合材料研究中仍存在的问题，在此基础上展望了该复合材料的发展前景。
关键词：SiCp /Al 复合材料； 制备方法
中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1001-3814(2011)12-0092-05
Research Status and Development Trend of SiCP/Al Composite
ZHENG Xijun, MI Guofa
(College of Material Science and Engineer, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)
Abstract：The development history, domestic and foreign research present situation of SiCP /Al composite was
introduced, the research progress of preparation process for SiCP /Al composite were elaborated, the research on SiCP /Al
composite was analyzed and the development prospect of the composite was put forward.
Key words：SiCp /Al composite; preparation methods
收稿日期:2010-11-20
作者简介:郑喜军(1982- ),男,河南西平人,硕士研究生,研究方向为材
料加工工程;电话:;E-mail:
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下半月出版Material & Heat Treatment 材料热处理技术
应用进行了广泛的关注和研究，从材料的制备工艺、
组织结构、力学行为及断裂韧性等方面做了许多基
础性的工作， 取得了显著的成绩。在美国和日本等
国，该类材料的制备工艺和性能研究已日趋成熟，在
电子、军事领域开始得到实际应用。SiC 来源于工业
磨料，可成百吨的生产，价格便宜，SiC 颗粒强化铝基
复合材料被美国视为有突破性进展的材料， 其性能
可与钛合金媲美，而价格还不到钛合金的1/10。碳化
硅颗粒增强铝基复合材料是最近20 年来在世界范
围内发展最快、应用前景最广的一类不连续增强金
属基复合材料，被认为是一种理想的轻质结构材料，
尤其在机动车辆发动机活塞、缸头(缸盖)、缸体等关
键产品和航空工业中具有广阔的应用前景[5-7]。
在1986 年，美国DuralAluminumComposites 公
司发明了碳化硅颗粒增强铝硅合金的新技术， 实现
了铸造铝基复合材料的大规模生产， 以铸锭的形式
供给多家铸造厂制造各种零件[8-9]。美国Duralcan 公
司在加拿大己建成年产11340 t 的SiC/Al 复合材料
型材、棒材、铸锭以及复合材料零件的专业工厂。目
前，Duralcan 公司生产的20%SiCp /A356Al 复合材
料的屈服强度比基体铝合金提高75%、弹性模量提
高30%、热膨胀系数减小29%、耐磨性提高3～4
倍。美国DWA 公司生产的碳化硅增强复合材料随
碳化硅含量的增加，只有伸长率下降的，其他性能都
得到了很大提高。到目前为止，SiCp/Al 复合材料被
成功用于航空航天、电子工业、先进武器系统、光学
精密仪器、汽车工业和体育用品等领域，并取得巨大
经济效益。表1 列举了一些SiCp/Al 复合材料的力
学性能。
目前国内从事研制与开发碳化硅颗粒增强铝复
合材料工作的科研院所与高校主要有北京航空材料
研究院、上海交通大学、哈尔滨工业大学、西北工业
大学、国防科技大学等。哈尔滨工业大学研制的
SiCw/Al 用于某卫星天线丝杆，北京航空材料研究院
研制的SiCp/Al 用于某卫星遥感器定标装置[10-11]。
国内到目前为止还没有出现高质量高性能的碳
化硅颗粒增强铝基复合材料， 虽然部分性能已达到
国外产品的指标， 但在产品的尺寸精度上还存在不
小的差距，另外制造成本太高，离工业化生产还有一
段距离要走。
2 铝基复合材料的性能特征
(1)高比强度、比模量由于在金属基体中加入
了适量的高强度、高模量、低密度的增强物，明显提
高了复合材料的比强度和比模量， 特别是高性能连
续纤维，如硼纤维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维等增
强物，他们具有很高的强度和模量[1]。
(2)良好的高温性能，使用温度范围大增强纤
维、晶须、颗粒主要是无机物，在高温下具有很好的
高温强度和模量， 因此金属基复合材料比基体金属
有更高的高温性能。特别是连续纤维增强金属基基
复合材料，其高温性能可保持到接近金属熔点，并比
金属基体的高温性能高许多。
(3)良好的导热、导电性能金属基复合材料中
金属基体占有很高的体积百分数， 一般在60%以
上，因此仍保持金属的良好的导热、导电性能。
(4)良好的耐磨性金属基复合材料，特别是陶
瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的
耐磨性。这是由于在基体中加入了大量细小的陶瓷
颗粒增强物，陶瓷颗粒硬度高、耐磨、化学性能稳定，
用它们来增强金属不仅提高了材料的强度和刚度，
也提高了复合材料的硬度和耐磨性。
(5)热膨胀系数小，尺寸稳定性好金属基复合
材料中所用的增强相碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗
粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，特别是超高
模量的石墨纤维具有负热膨胀系数， 加入相当含量
的此类增强物可降低材料膨胀系数， 从而得到热膨
胀系数小于基体金属、尺寸稳定性好的金属基复合
材料。
(6)良好的抗疲劳性和断裂韧性影响金属基复
合材料抗疲劳性和断裂韧性的因素主要有增强物与
复合体系制备工艺
增强体含量
(vol,%)
拉伸强度
/MPa
弹性模量
/GPa
伸长率
(%)
SiCP /2009Al 粉末冶金20 572 109 5.3
SiCP/2124Al 粉末冶金20 552 103 7.0
SiCP/6061Al 粉末冶金20 496 103 5.5
SiCP/7090Al 粉末冶金20 724 103 2.5
SiCP/6061Al 粉末冶金40 441 125 0.7
SiCP/7091Al 粉末冶金15 689 97 5.0
SiCP/A356Al 搅拌铸造20 350 98 0.5
SiCP/A359Al 无压浸渗30 382 125 0.4
表1 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的力学性能[1]
Tab.1 Mechanical properties of aluminum matrix
composite reinforced by SiC particle
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材料热处理技术Material & Heat Treatment 2011 年6 月
金属基体的界面结合状态、金属基体与增强物本身
的特性以及增强物在基体中的分布等。特别是界面
结合强度适中，可以有效传递载荷，又能阻止裂纹扩
展，从而提高材料的断裂韧性。
(7)不吸潮、不老化、气密性好与聚合物相比，金
属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问
题，也不会发生性能的自然退化，在空间使用不会分解
出低分子物质而污染仪器和环境，有明显的优势。
(8)较好的二次加工性能可利用传统的热挤压、
锻压等加工工艺及设备实现金属基复合材料的二次
加工。由于铝基复合材料不但具有金属的塑性和韧
性，而且还具有高比强度、比模量、对疲劳和蠕变的
抗力大、耐热性好等优异的综合性能。尤其在最近
20 年以来， 铝基复合材料获得了惊人的发展速度，
表2 列举了一些铝基复合材料的力学性能。
3 主要应用领域
3.1 在航空航天及军事领域的应用
美国ACMC 公司和亚利桑那大学光学研究中
心合作，研制成超轻量化空间望远镜和反射镜，该望
远镜的主镜直径为0.3m，仅重4.54kg。ACMC 公司
用粉末冶金法制造的碳化硅颗粒增强铝基复合材料
还用于激光反射镜、卫星太阳反射镜、空间遥感器中
扫描用高速摆镜等；美国用高体积分数的SiCp/Al代
替铍材，用于惯性环形激光陀螺仪制导系统、三叉戟
导弹的惯性导向球及管型测量单元的检查口盖，成
本比铍材降低2/3；20 世纪80 年代美国洛克希德.马
丁公司将DWA 公司生产的25%SiCp /6061Al 用作
飞机上承载电子设备的支架，其比刚度比7075 铝合
金约高65%；美国将SiCp/6092Al 用于F-16 战斗机
的腹鳍， 代替原有的2214 铝合金蒙皮， 刚度提高
50%，寿命从几百小时提高到8000 小时左右，寿命
提高17 倍，可大幅度降低检修次数，提高飞机的机
动性，还可用于F-16 的导弹发射轨道；英国航天金
属及复合材料公司(AMC)采用高能球磨粉末冶金法
研制出高刚度﹑ 耐疲劳的SiCp/2009Al， 成功用于
Eurocopter 公司生产的N4 及EC-120 新型直升
机[12]；采用无压浸渗法制备的高体积分数SiCp/Al 作
为印刷电路板芯板用于F-22“猛禽”战斗机的遥控
自动驾驶仪、发电元件、飞行员头部上方显示器、电
子计数测量阵列等关键电子系统上， 以代替包铜的
钼及包铜的锻钢，可使质量减轻70%，同时降低了
电子模板的工作温度；SiCp/Al 印刷电路板芯板已用
于地轨道全球移动卫星通信系统； 作为电子封装材
料，还可用于火星“探路者”和“卡西尼”土星探测器
等航天器上。美国采用高体积分数SiCp /Al 代替
Cu-W 封装合金作为电源模块散热器，已用于EV1 型
电动轿车和S10 轻型卡车上；美国将氧化反应浸渗法
制备的SiC-Al2O3/Al 作为附加装甲，用于“沙漠风暴”
地面进攻的装甲车；美国GardenGrove 光学器材公司
用SiCp/Al 制备Leopardl 坦克火控系统瞄准镜。
3.2 在汽车工业中的应用
由山东大学与曲阜金皇活塞有限公司联合研制
的SiCp /Al 活塞已用于摩托车及小型汽车发动机；
自20 世纪90 年代以来， 福特和丰田汽车公司开始
采用Alcan 公司的20%SiC/Al-Si 来制作刹车盘；美
国Lanxide 公司生产的SiCp/Al 汽车刹车片于1996
年投入批量生产[13]；德国已将该材料制作的刹车盘
成功应用于时速为160km/h 的高速列车上。整体采
用锻造的SiCp/Al 活塞已成功用于法拉利生产的一
级方程式赛车。
3.3 在运动器械上的应用
BP 公司研制的20%SiCp/2124Al 自行车框架已
在Raleigh 赛车上使用；SiCp /Al 复合材料可应用于
自行车链轮、高尔夫球头和网球拍等高级体育用品；
在医疗上用于假体的制造。
4 制备及成型方法
一般来说， 根据铝基体状态的不同，SiCp/Al 的
制备方法大致可分为固态法和液态法两类。目前主
要有粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法和挤压铸
造法。
4.1 粉末冶金法
粉末冶金法又称固态金属扩散法，该方法由于克
增强相/ 基体增强相含量
拉伸强度
/MPa
弹性模量
/GPa
伸长率(%)
SiC/Al-4Cu 15 476 92 2.3
SiCp /ZL101 20 375 101 1.64
SiCp /ZL101A 20 330 100 0.5
SiCp /6061 25 517 114 4.5
SiCp /2124 25 565 114 5.6
Al2O3 /Al-1.5Mg 20 226 95 5.9
Cf /Al 26 387 112 -
表2 金属基复合材料的力学性能[1]
Tab.2 Mechanical properties of metal matrix composite[1]
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服了碳化硅颗粒与铝合金熔液润湿困难的缺点，因而
是最先得到发展并用于SiCp/Al 的制备方法之一。具
体制备SiCp/Al 的粉末冶金工艺路线有多种，目前最
为流行和典型的工艺流程为：碳化硅粉末与铝合金粉
末混合一冷模压(或冷等静压)一真空除气一热压烧
结(或热等静压)一热机械加工(热挤、轧、锻)。
粉末冶金法的优点在于碳化硅粉末和铝合金粉
末可以按任何比例混合，而且配比控制准确、方便。
粉末冶金法工艺成熟，成型温度较低，基本上不存在
界面反应、质量稳定，增强体体积分数可较高，可选
用细小增强体颗粒。缺点是设备成本高，颗粒不容易
均匀混合，容易出现较多孔隙，要进行二次加工，以
提高机械性能，但往往在后续处理过程中不易消除；
所制零件的结构、形状和尺寸都受到一定的限制，粉
末冶金技术工艺程序复杂，烧结须在在密封、真空或
保护气氛下进行， 制备周期长， 降低成本的可能性
小，因此制约了粉末冶金法的大规模应用。
4.2 喷射沉积法
喷射沉积法是1969 年由Swansea 大学Singer
教授首先提出[14]，并由Ospray 金属有限公司发展成
工业生产规模的制造技术。该方法的基本原理是：对
铝合金基体进行雾化的同时，加入SiC 增强体颗粒，
使二者共同沉积在水冷衬板上， 凝固得到铝基复合
材料。该工艺的优点是增强体与基体熔液接触时间
短，二者反应易于控制；对界面的润湿性要求不高，
可消除颗粒偏析等不良组织， 组织具有快速凝固特
征；工艺流程短、工序简单、效率高，有利于实现工业
化生产。缺点是设备昂贵，所制备的材料由于孔隙率
高而质量差必须进行二次加工， 一般仅能制成铸锭
或平板； 大量增强颗粒在喷射过程中未能与雾化的
合金液滴复合， 造成原材料损失大， 工艺控制较复
杂，增强体颗粒利用率低、沉积速度较慢、成本较高。
4.3 搅拌铸造法
搅拌铸造法的基本原理[15-17]：依靠强烈搅拌在合
金液中形成涡漩的负压抽吸作用， 将增强体颗粒吸
入基体合金液体中。具体工艺路线：将颗粒增强体加
入到基体金属熔液中， 通过一定方式的搅拌与一定
的搅拌速度使增强体颗粒均匀地分散在金属熔体
中，以达到相互混合均匀与浸润的目的，复合成颗粒
增强金属基复合材料熔体。然后可浇铸成锭坯、铸件
等使用。该方法的优点是：工艺简单、设备投资少、生
产效率高、制造成本低、可规模化生产。缺点是：加入
的增强体颗粒粒度不能太小， 否则与基体金属液的
浸润性差， 不易进入金属液或在金属液中容易团聚
和聚集；普遍存在界面反应，强烈的搅拌容易造成金
属液氧化，大量吸气及夹杂物混入，颗粒加入量也受
到一定限制，只能制成铸锭，需要二次加工。
4.4 挤压铸造法
挤压铸造法是首先把SiC 颗粒用适当的粘结剂粘
结，制成预制块放入浇注模型中，预热到一定的温度，
然后浇入基体金属液，立即加压，使熔融的金属熔液浸
渗到预制块中，最后去压、冷却凝固形成SiCp/Al。该方
法的优点是：设备较简单且投资少，工艺简单且稳定
性较好，生产周期短，易于工业化生产，能实现近无余
量成型，增强体体积分数较高，基本无界面反应。缺点
是容易出现气体或夹杂物，缺陷比较多，需增强颗粒
需预先制成预成型体， 预成型体对产品质量影响大，
模具造价高，而且复杂零件的生产比较困难。
5 SiCp /Al 复合材料发展的建议与对策
SiCp /Al 复合材料作为一种新的结构材料有着
广阔的发展前景, 但要实现产业化还需做大量的研
究工作。除了要对SiCp/Al 复合材料的制备工艺、界
面结合状态、增强机制等方面的内容做进一步研究，
其相关领域的研究及发展也应给予重视。
5.1 现有制备工艺进一步完善和新工艺的开发
现有工艺制备方法虽然已经成功制造了复合材
料，但很难用于工业化生产且尚处于实验室研究阶
段[18]。SiC 颗粒存在于铝液中，使金属液粘度提高，流动
性降低，铸造时充填性变差，当颗粒含量增加至20%或
在较低温度(<730℃)时，流动性急剧降低以致于无法正
常浇注。另外，SiC颗粒具有较大的表面积， 表面能较
大，易吸附气体并带入金属液中，而金属液粘度大也易
卷入气体并难以排出，产生气孔缺陷。因此，对现有工
艺的进一步完善和新工艺的开发成为下一步研究工作
的主要任务。
5.2 后续加工工艺的研究
金属基复合材料的切削加工、焊接、热处理等后
续加工工艺的研究较少，成为限制其应用的瓶颈。高
强度、高硬度增强体的加入使金属基复合材料成为
难加工材料[18-19]，而由于增强体与基体合金的热膨胀
系数差异大引起位错密度的提高， 也使金属基复合
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材料热处理技术Material & Heat Treatment 2011 年6 月
材料的时效行为与基体合金有所不同[20]。另外，增强
体影响焊接熔池的粘度和流动性， 并与基体金属发
生化学反应限制了焊接速度， 给金属基复合材料的
焊接造成了极大困难。因此， 解决可焊性差的问题
也成为进一步研究的主要方向。
5.4 环境性能方面的改善
金属基复合材料的环境性能方面的研究， 即如
何解决金属基复合材料与环境的适应性， 实现其废
料的再生循环利用也引起了一些学者的重视， 这个
问题关系到有效利用资源，实现社会可持续发展，因
此， 关于环境性能方面的研究将是该领域今后研究
的热点。由于铝基复合材料是由两种或两种以上组
织结构、物理及化学性质不同的物质结合在一起形
成一类新的多相材料， 其回收再利用的技术难度要
比传统的单一材料大得多。随着铝基复合材料的批
量应用，必然面临废料回收的问题，通过对复合材料
的回收再利用， 不但可减少废料对环境的污染还可
减低铝基复合材料的制备成本、降低价格，增加与其
他材料的竞争力，有利于促进自身的发展。文献[21]
配制了混合盐溶剂， 采用熔融盐法成功地分离出颗
粒增强铝基复合材料中的增强材料，研究结果表明，
利用该技术处理颗粒增强铝基复合材料， 其回收利
用率可达85%。
6 结语
与铝合金基体相比， 铝基复合材料具有更高的
使用温度、模量和强度，热稳定性增加及更好的耐磨
损性能，它的应用将越来越广泛。然而，在目前的
研究中仍然存在许多疑问和有待解决的问题， 例如
怎样去克服铝基复合材料突出的界面问题， 并且力
求研究结果有助于改善生产应用问题； 在制备过程
前后， 怎样通过热处理手段来改善成品的各方面性
能；如何利用由于热失配造成的内、外应力使材料服
役于各种环境。此外，原位反应中仍不免其他副反应
夹杂物存在， 同时对增强体的体积分数也难以精确
控制，这些都是亟待研究解决的问题。
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