铝基复合材料

铝基复合材料的制造工艺
连续纤维增强铝基复合材料的制造 1 粉末冶金法 2 高能-高速固结工艺 3 压力浸渗铸造工艺 4 液态金属搅拌铸造法
粉末冶金法
粉末冶金法是最早用来制造铝基复合材料的方法,是 一种比较成熟的工艺方法。采用粉末冶金法时,首先将颗 粒增强物和铝合金粉末用机械手段均匀混合,进行冷压实, 然后加热除气,在液相线与固相线之间进行真空热压烧结, 得到复合材料的坯料,在将坯料进行挤压、轧制、锻造、 拉拔等二次加工就可制成所要的型材零件。
优点：
高能量高速度脉冲有利于将冷模中的导电粉体 快速加热到指定温度,从而控制相变和组织粗 化,这是常规粉末冶金工艺无法实现的。高能高速固结工艺可使复合材料的相对密度达95% 以上。
压力浸渗工艺
压力浸渗工艺是先将增强体制成预制件, 再将预制件放入模具后,以惰性气体或机械 装置为压力媒体将铝液压入预制件的间隙, 凝固后即形成复合材料。
铝基复合材料及其应用
铝基复合材料之 Ⅰ、综述 Ⅱ、基体与增强体 Ⅲ、种类及分类 IV、生产工艺 V、结构与性能 VI、应用及发展趋势
基复合材料的综述
复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有 强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同 的材料通过各种工艺手段复合而成。
复合材料可分为三类： 聚合物基复合材料（PMCs） 金属基复合材料（MMCs） 陶瓷基复合材料（CMCs）。
常见铝基体
工业纯铝 铸造冶金变形铝合金（2014、2024、2124
等，且不选含Mn Cr的铝合金，因其产生脆 性相 ） 粉末冶金变形铝合金 铸造铝合金 新型铝合金
复合材料增强基
分类： 连续的和非连续的纤维、晶须、颗粒。
特性： 高强度、高模量、高刚度、抗疲劳、耐
热、耐磨、抗腐蚀、热膨胀系数小、导电、 导热以及润湿性、化学相容性、易加工等。
三、晶须和颗粒增强铝基复合材料 特点：优异的性能，制造方法简单，增强体主要是碳化硅和氧化铝。
碳化硅：随它的含量增加，抗拉强度和弹性模量都增加 氧化铝：比强度和比刚度高。
碳化硅
铝基复合材料的应用
1 、在汽车领域的应用
美国的Duralcan研制出用SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车 制动盘,用其代替传统铸铁制动盘，使其重量减轻了60%~40%, 而且提高了耐磨性能,噪音明显减小,摩擦散热快; 同时该公司还用SiC颗粒增强铝基复合材料制造 了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件,这种 汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、良 好的耐高温性能和抗咬合性能,同时热膨胀系数 更小,导热性更好。
结束语
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发展趋势
采用颗粒增强制备铝基复合材料成本相对较低, 原材料资源丰富,制备工艺简单。选择适当的增强 颗粒与基体组合可制备出性能优异的复合材料,具 有很大的发展潜力和应用前景。可以预料,在现代 工业的高速发展和技术水平的高要求下,颗粒增强 铝基复合材料必将以其独特优势在工业领域占据 重要位置。但同时也应看到,颗粒增强铝基复合材 料在未来的时间里要取得更进一步发展,并列入规 模化生产的行列,还需要进行更多的探索和实践。 因此,进一步加强理论研究,建立完整的理论模型, 不断进行实践探索,将是今后的工作重点。
铝基复合材料的增强纤维有硼纤维，碳 纤维，碳化硅纤维等。
铝复合材料的种类与分类
铝合金材料可按增强相，铝基体及材料特 性三方面进行分类。
按增强体分类：
长纤维增强复合材料 短纤维增强复合材料 颗粒增强复合材料 混合增强复合材料 纳米复合材料 层合复合材料 倾泻复合材料 表面复合材料
铸造铝合金基复合材料 变形铝合金基复合材料 以铝基体分类 工业纯铝基复合材料 新型铝合金基复合材料 结构复合材料 以特性分类 功能复合材料 智能复合材料
IBM公司2004年第2期黄永攀等: 铝基复合材料的 性能、应用及制造工艺就是利用其上述性能，在 MCMs器件中使用该种材料封装和改进冷却系统结 构,使其工作时产生的热量迅速扩散,提高了元件的 有效性。
在精密仪器和光学 仪器的应用研究方面, 铝基复合材料用于制 造望远镜的支架和副 镜等部件。
另外铝基复合材料
金属基复合材料常用基体有铝、镍、镁、钛及其合 金。
铝基复合材料基体
铝有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性 好,熔点低制备工艺简单。
铝基复合技术容易掌握,易于加工，比强度 和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐 磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。
同其他复合材料一样,它能组合特定的力学 和物理性能,以满足产品的需要。因此,铝 基复合材料已成为金属基复合材料中最常 用的、最重要的材料之一。
2 、在航空航天领域的应用
Cercast公司采用熔模铸造工艺研制成 A357SiC20%Vol+复合材料,用该材料代替钛合金制 造直径达180mm、重17.3kg的飞机摄相镜方向架, 使其成本和重量明显降低, 同时该复合材料还可用 来制造卫星反动轮和方向架的支撑架。
美国DWA公司用/6061SiC 25%p铝基复合材料代替 7075制造航空结构的导槽、角材，使其密度下降 了17%，模量提高了65%。
优点:
可将增强物颗粒和铝合金粉按任意比例混合,而且混合 均匀性好,不会出现偏析和偏聚,制备的复合材料机械性能 较高。
缺点：
粉末冶金法制造工艺及装备复杂,生产成本高,图1是粉 末冶金法制备颗粒增强铝基复合材料的工艺流程图。
高能-高速固结工艺
这种工艺是在短时间内使陶瓷颗粒和铝合金粉 末的混合物受到高脉冲电流的放电作用后,迅 速提高能量,并在较小外力作用下,使之固结成 复合材料的工艺。
铝合金复合材料的结构与性能
碳纤维增强铝基复合材料结构 Ⅰ、用液态浸渍法制备 其铝基中 无方向性，表
明具有各向异性
Ⅱ、 用固态热压法制备 其铝基中含有纤维 表明具 有较高拉伸强度。
—、长纤维增强铝基复合材料性能 1、硼—铝复合材料 特点：有优异的疲劳强度，比强度和比模量高，尺寸稳定性好， 线膨胀系数与半导体芯片非常接近。
用SiCp/Al复合材料制成的汽车齿轮箱在强度 和耐磨性方面均比铝合金齿轮箱有明显的
提高。铝合金复合材料也可以用来制造刹
车转子、刹车活塞、刹车垫板、卡钳等刹 车系统元件.
上个世纪80年代,日本丰 田公司成功地用/AlO
Al32复合材料制备了发动 机活塞,与原来的铸铁 发动
机活塞相比,重量减轻了 10%~5%,导热性提高了 4倍。
还可以制造惯性导航 系统的精密零件、旋 转扫描镜、红外观测 镜、激光镜、激光陀 螺仪、反射镜、镜子 底座和光学仪器托架 等许多精密仪器和光 学仪器
4 、在体育用品上的应用 铝基复合材料可以代替木材及金属材料来
制作网球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆和滑雪 板等。
用SiC颗粒增强铝基复合材料制作的自行车 链齿轮重量轻、刚度高、不易挠曲变形,性 能优于铝合金链齿轮

铸造SiC颗粒增强 A356和A357复合材料 可以制造飞机液压管、
直升机的起落架和阀 体等
3 、在电子和光学仪器中的应用
铝基复合材料,特别是SiC增强铝基复合材料,由于 具有热膨胀系数小、密度低、导热性能好等优点, 适合于制造电子器材的衬装材料、散热片等电子 器件。SiC颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数完 全可以与电子器件材料的热膨胀相匹配,而且导电、 导热性能也非常好。
这种工艺简单,但预制件中的气体不易在 凝固前排出而造成气孔与疏松,同时预制件 也易产生变形和偏移。
液态金属搅拌铸造法
液态金属搅拌铸造法的基本原理是将颗粒 增强物直接加入到熔融的铝合金中,通过一 定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在基体熔 体中,复合成颗粒增强铝基复合材料。复合 好的熔体可浇铸成锭坯、铸件等使用。这 种工艺简单、生产效率高、制造成本低廉。 复合好的铸锭经重熔后,可精密压成各种型 材、管材、棒材等。它是目前最成熟、最 具竞争力、也是工业化规模生产铝基复合 材料的最主要的方法。
硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱
二、短纤维增强铝基复合材料
特点：在室温和高温下的弹性模量有较大的提高，但线膨胀 系数由所下降，耐磨性改善，并具有良好的的导热性。
2、碳—铝复合材料
特点：碳纤维的长度与直径比例对碳—铝复合材料的性能有很大 的影响（当长径比增大时，抗拉强度增大，增大到一定值时， 抗拉强度又开始减少）