复合材料的作业

铝基复合材料

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、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。金属基复合材料常用基体有铝、镍、镁、钛及其合金。

我现在简单介绍铝基复合材料。

铝基复合材料的基本成分。铝及其合金都适于作金属基复合材料的基体，铝基复合材料的增强物可以是连续的纤维，也可以是短纤维，也可以是从球形到不规则形状的颗粒。目前铝基复合材料增强颗粒材料有SIC、AL2O3、BN等，金属间化合物如Ni-Al，Fe-Al和Ti-Al 也被用工作增强颗粒。

常见铝基体

1工业纯铝

2铸造冶金变形铝合金

3末冶金变形铝合金

4铸造铝合金

5新型铝合金

一、连续纤维增强铝基复合材料的制造工艺

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 反应自生成法

5 液态金属搅拌铸造法

6 半固态搅拌复合铸造

我简单介绍其中几种方法

（一）、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：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。

（二）、自生反应法

自生复合材料主要是利用金属凝固过程中的相变规律在材料中形成具有一定方向性排列的第二相(增强相)粒子，达到增强的目的。这种材料各向异性，其制备过程一般要用定向凝固，因而制造工艺比较复杂。

自生反应法是制备自生复合材料的另一种工艺。如利用置换反应3Cu0+2Al→3Cu+AL2O3

生成A1203粒子，起到增强体的作用。该法与机械搅拌法基本相同，只是加入的不是SiC,AL2O3、石墨粒子，而是Cu0粒子;并且所需温度高(1273K)。研究发现，在此温度下，反应太快而难以控制，且生成的A1, 03粒子粗大。后来有人在1073K下获得了粒子细小且分布均匀的铝基复合材料，反应速度平稳。日本新源皓一等人还提出了“内晶型”复合材料的概念，制造出Ti C粒子/铝基纳米级复合材料，Ti C粒子在基体合金的晶内形成，使材料的力学性能显著提高。

用置换反应法可以避免诸如污染、润湿和界面反应等问题，所得材料的界面为光滑的共格结构，性能优良。

二、铝基复合材料的性能

（1）铝基复合材料的性能取决于基体合金和增强物的特性、含量、分布等。与基体合金相比,铝基复合材料具有许多优良的性能。

1 低密度

2 良好的尺寸稳定性

3强度、模量与塑性

增强体的加入在提高铝基复合材料强度和模量的同时,降低了塑性。

4耐磨性

高的耐磨性是铝基复合材料的特点之一。

5疲劳与断裂韧性

铝基复合材料的疲劳强度一般比基体金属高,而断裂韧性却下降。影响铝基复合材料疲劳性能和断裂的主要因素有:增强物与基体的界面结合状态、基体与增强物本身的特性和增强物在基体中的分布等。

6热性能

增强体和基体之间的热膨胀失配在任何复合材料中都难以避免,为了有效降低复合材料的热膨胀系数,使其与半导体材料或陶瓷基片保持热匹配,常选用低膨胀的合金作为基体和采用不同粒径的颗粒制备高体积分数的复合材料。

（2）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。

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）

（3）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。

三、铝基复合材料的应用

1 在汽车领域的应用

铝基复合材料在汽车工业的应用研究起步最早。上个世纪年代,日本丰田公司成功地用复合材料制备了发动机活塞。美国的研制出用颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘,使其重量减轻了,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。用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。铝基复合材料还可用来制造汽车驱动轴、摇臂等汽车零件。

2 在航空航天领域的应用

现代科学技术的发展,对材料性能提出了越来越高的要求,特别是航空航天领域要制造

轻便灵活、性能优良的飞机、卫星等，铝基复合材料恰能满足这方面的要求。公司采用熔模铸造工艺研制成复合材料,用该材料代替钛合金制造直径达、重的飞机摄相镜方向架,使其成本和重量明显降低,导热性提高。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。

3 在电子和光学仪器领域中的应用

铝基复合材料,特别是增强铝基复合材料,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。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。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 在体育用品领域上的应用

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。

四、铝基复合材料的研究的热点

（1）纳米相增强铝基复合材料

纳米材料的尺寸非常细小，形状多为规则的近球状，因此，在铝基复合材料的制备中若能以纳米级颗粒作为增强相，应该能改善增强相与基体的结合界面，提高结合强度，进而提高铝基复合材料的力学性能和理化性能等。

（2）碳管纳米增强铝基复合材料

随着碳纳米管的出现和纳米晶材料研究的深入，为复合材料性能的进一步提高提供了一个新的途径。碳纳米管具有极小的尺度及优异的力学性能，其封闭中空管状结构具有良好的稳定性，并且具有优异的力学性能,，因此，碳纳米管作为一维纳米晶须增强材料在复合材料中具有重要的应用价值。

①碳管纳米增强铝基复合材料的力学性能。为了满足航空航天等领域对材料更高比强度、高比模量和耐磨损的要求，将碳管纳米用于制备铝基复合材料，并取得优异力学性能，已成为极具潜在应用价值的复合材料。

②碳纳米管增强铝基复合材料的耐磨性。由于碳纳米管的自润滑作用，使得这种复合材料在摩擦磨损方面表现出优异的性能,这是值得研究者关注的一个方面。

五、铝基复合材料的发展趋势

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。