颗粒增强复合材料
陶瓷颗粒增强铁基表面复合材料的研究现状与最新进展
要 系统 深入研 究不 同氧化锆含量 的Ｚ Ａ陶瓷 力学性 能 、 Ｔ
热物性参 数等对复合 材料界面结构 与性 能的影响 。
４ 展 望
陶瓷颗粒 增强 铁基 复合材 料无 疑 已成为替 代传 统 钢铁 耐 磨材 料 的首 选 材料 ，国外 Ｉ Ｍａ ｏ ｅｕ 公 司 为 ￣ ） ｇｔ ａｘ ｔ 代表 ，开 发 的陶瓷 颗粒增 强金 属基 复合材 料 已得到 工 业应 用 ，并形 成 了垄 断态 势 ，对 国内耐磨 材料 产业 提 出了挑 战 ，形 势相 当严 峻 。国 内关 于 陶瓷颗粒 增强 铁 基 复合 材料 的研究起 步较早 ，已有２ 余 年的研究历 史 ， ０ 但 大多 仅停 留在 实验 室研究 的层 面上 ，如何 尽快 实现 其 规模 化 、集 成 化 、产 业化 工业应 用 ，是广 大科 技工
・
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庆 《造杂 创 白 年 祝铸 》志 刊 周
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ｒ ｓ ｓａ ｃ ｏ Ｗ Ｃ／ ｄ ｅ ｄ ｓｅ ｌ ｃ ｍｐｏ ｉｅ ａ ｄ ｉｓ ｉ ｔ ｒａ ｉ ｌ ｅ ｉｔ ｎ ｅ ｆ Ｈａ ｆ ｌ ｔ ｅ ｏ ｉ ｓｔ ｎ ｔ ｎ ｅ ｒ ｃ ａ
提 高材料 的断裂韧 性 。由表 ３ 以看 出 ，如果在 氧化铝 可 陶瓷 中引入 一定 量 的氧化锆 ，复相 陶瓷 的线胀 系 数将 会 更 加接 近钢铁 材料 ，同时与 铁液 的润 湿性 也会 有所 改善 。这就 意 味着Ｚ Ａ陶瓷颗 粒在兼 具 良好 韧性 的 同 Ｔ 时 ，更适 合 于通过铸 渗 法制备 复合 材料 ，是 未来 颗粒 增强 铁基 表面 复合材 料 的发展方 向。 当然 ，随着 氧化
最新3复合材料性能的复合准则汇总
1、分散强化原理
• 分散强化复合材料是由微细硬质点与金属基体复合而成。 作为增强剂的硬点主要是金属氧化物、碳化物和硼化物， 如Al2O3、TiC、SiC等。
• 分散强化原理与析出强化机理相似，可用Orowan位错绕过 机制说明。
• 载荷分布：载荷主要由基体负担，分散微质点阻碍基体中 的位错运动，质点阻止位错运动能力越大，强化效果越好.
2、颗粒增强原理
• 颗粒增强复合材料是由尺寸较大〈>1mm〉的坚硬颗粒与金 属基体复合而成。
• 载荷分布：增强原理与分散强化不同，虽然载荷主要由基体 承受，但颗粒也承受载荷并约束基体的变形。颗粒阻止基体 位错运动的能力越大，增强效果越好。
• 在外力作用下，基体内位错的滑移在基体—颗粒界面上受到 阻滞，并在颗粒上产生应力集中，其值为
又
Dp(3 2d2/Vp)1 2(1Vp)
1
得出
y=
3G
m
G
p
bV
2 p
2d (1 p )C
讨论影响强度的因素
y =
1
3G
m
G
p
bV
2 p
2d (1 V p )C
• 质点尺寸d越小，体积分数Vp越高，强度越高，颗粒 对复合材料的增强效果越好。
• 在实用的颗粒增强复合材料中，增强颗粒的直径为 1~50μm，颗粒间距为1~25mm，颗粒体积分数为 0.05~0.50。
3、纤维增强原理
• 纤维增强复合材料是由连续〈长〉纤维或不连续〈短〉纤维 与金属基体复合而成。
• 载荷分布：复合材料受力时，高强度、高模量的增强纤维承 受大部分载荷，而基体主要作为媒介，传递和分散载荷。
• 复合材料的力学性能：除与纤维和基体性能、纤维体积分数 有关外，还与纤维与基体界面的结合强度，基体剪切强度和 纤维排列，分布方式和断裂形式有关。
颗粒增强铝基复合材料的研究与进展
颗粒 利用 率低
ｌ １
轧 制件
工 艺复 杂 润 湿 性 好 燃 气涡轮 机 ；热 交换机 ；耐 热
增 强体 分布 均匀 元 件；切 削工具
即得 到所需 的复合材料 。用该方法制备 的颗粒与铝基体之 于形状和尺寸都不相同的各种颗粒 ， 对 于颗粒增强铝基 复合材 料的 浇注 ， 间的润湿性好 ， 粒 子分布均匀 ， 且制备设备 简单 ， 成本低 廉 ， 能够大 可设计性有 了很大的提高。 同时 ， 粉末冶金法存在不少独特 的优点 ， 规模生产 。 现在 ， 成熟 的半 固态搅拌铸造法 主要应用于微米级颗粒 ， 制备 的复合材料颗粒分布均匀 、 组织细密 ， 不易出现偏析和偏聚 ； 烧 对 于亚微米级和纳米级颗粒 ， 搅拌铸造法还 比较难控制其在铝液 中 结 温度 比金属 的熔点 低 ， 减 轻了界面之 间的反 应 ， 减少 了化合物 的 此方法金属液处于半 固态 ， 粘度 比较大 ， 易形 生成 ， 提高了产 品的精度 。 在航天领域 ， 英 国航天金属基复合材料公 的均匀分布㈣。同时 ， 成 团聚现象 ， 导致复合材料的相关性能降低 。齐海波等采用半 固态 司（ Ａ ＭＣ ） 采用高能球磨 粉末冶金法成功研 制出碳化硅 颗粒增强 铝 搅拌挤压铸造方法制备出 Ｓ ｉ Ｃ复合材料制动盘 ， 与传统 Ｈ Ｔ ２ ５ ０铸铁 基（ ２ ０ ０ ９ ／ Ｓ ｉ Ｃ ／ １ ５ ｐ ） 复合材 料 ， 用此材料 制造 的直 升机旋翼 系统连 接 该新 型制动盘热膨胀系数更小 、 导热性能更好 、 质量也 用模锻件 已成功应用于欧直公司生产 的新 型直升机旋翼上 。 该材料 制 动盘相 比， 不仅延长 了制动盘 的使用周期 ， 也节约了成本㈣。 与铝合金相 比， 弹性模量提高约 ４ ０ ％， 构建刚度提高约 ３ ０ ％， 寿命提 更轻 ，
搅拌铸造颗粒增强铝基复合材料颗粒分散性研究
ｗｅ ｔ ｇ ｆ ｒａ ｇｏ ｒ ｔ ｄ Ｓｉ ｐ ｒｃｅ ｎ ｏ ｄ ｗｅｔ ｇ ｆ ｒｄｓ ｅ ｓ ｄ Ｓｉ ａ ｉｌｓ ｗｉ ｈ ｌ ｙ ｔｎ ｏ ｇ ｌｍｅ ａｅ Ｃ ａ ｉｌｓ ａ ｄ ｇ ｏ ｔｉ ｏ ｉｐ ｒ ｅ Ｃ ｐ ｒｃｅ ｔ ｔ ｅ ａｌ ｉ ｔ ｎ ｔ ｈ ｏ ｍ ｅｔ Ｏｎｙ ａｔ ｒ ｔ ｉｉｇ ｇ ｏ ｔｉｇ， ａ ｈ Ｃ ａ ｉｌｓｂ ｌｄｓ ｅ ｓ ｄ ａ ｄ ｃ ｎｇ ｓｒ ｍｏ ｅ ｌ ． ｌ ｆ ｔ ｎｎ ｏ ｄｗｅｔ ｅ ａ ａ ｎ ｃ ｎｔ ｅ Ｓｉ ｐ ｒ ｃｅ ｅｗｅｌ ｉｐ ｒｅ ， ｎ ａ ａ ｅ ｔ － ｖ
ｏ ＣｐＡＩ ｆ Ｓｉ ／ Ｃｏｍ ｏ ｉ ｓｂ ｉ Ｃａ ｔ ｇ ｐ ｓｔ ｙ Ｓｔ ｓｉ ｅ ｒ ｎ
ＣＨＥＮＧ ｉｎ ｆ ｎ ’ Ｗ ＡＮＧ ｉ Ｌ Ｕ Ｃｈ ｎ － ｉｇ ， Ｊａ — ｇ ， ｅ Ｋａ’ Ｉ ａ ｇ ｍ ｎ ’ ＣＨＥＮ Ｘｕ ｈ ｎ ， —ｏ ｇ
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复合材料结构 分类
复合材料结构分类
复合材料结构是由两种或更多种材料组成的材料，具有优异的力学性能和广泛的应用领域。
根据材料组合的不同，复合材料结构可以分为以下几类：
1. 纤维增强复合材料结构：是指将纤维材料与基体材料结合在一起形成的材料，纤维材料可以是碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维等。
这种结构具有高强度、高刚度和轻质化等特点，广泛用于航空航天、汽车工业和体育器材等领域。
2. 层板复合材料结构：是指由多个层板材料通过层压成型组成的材料，每个层板材料通常由纤维增强材料和基体材料组成。
这种结构具有高强度、高刚度、耐冲击和防腐蚀等特点，广泛用于船舶、桥梁和建筑结构等领域。
3. 颗粒增强复合材料结构：是指将颗粒材料与基体材料结合在一起形成的材料，颗粒材料可以是陶瓷、金属或者聚合物等。
这种结构具有高耐磨性、高温性和高耐蚀性等特点，广泛用于摩擦材料、导电材料和防护材料等领域。
4. 泡沫复合材料结构：是指在基体材料中加入发泡剂形成的材料，具有轻质化、隔音、隔热和吸能等特点。
这种结构广泛用于包装材料、能量吸收材料和隔音材料等领域。
以上是复合材料结构的分类，不同的结构类型具有不同的特点和应用领域，为人类的生产和生活带来了巨大的便利和发展。
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复合材料结构 分类
复合材料结构分类
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料组合而成的一种新型材料。
复合材料结构是指复合材料中各种材料的组合方式和排列方式。
根据不同的组合方式和排列方式，复合材料结构可以分为层板结构、
纤维增强结构和颗粒增强结构三种类型。
层板结构是指由两层或多层材料按照一定的顺序和方式组合而成的结构。
其中，每一层材料都可以是不同的材料，如玻璃纤维、碳纤维、
芳纶纤维等，也可以是同种材料的不同形式，如不同厚度的玻璃纤维布。
层板结构的优点是结构简单，易于制造，同时也具有较高的强度
和刚度。
常见的层板结构应用于飞机、汽车、船舶等领域。
纤维增强结构是指在基体材料中加入纤维材料，使其具有更高的强度
和刚度。
纤维增强结构的优点是具有较高的强度和刚度，同时也具有
较好的耐疲劳性能和抗冲击性能。
常见的纤维增强结构应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
颗粒增强结构是指在基体材料中加入颗粒材料，使其具有更高的强度
和刚度。
颗粒增强结构的优点是具有较高的强度和刚度，同时也具有
较好的耐磨性能和耐腐蚀性能。
常见的颗粒增强结构应用于机械制造、建筑材料等领域。
综上所述，复合材料结构可以分为层板结构、纤维增强结构和颗粒增强结构三种类型。
不同的结构类型具有不同的优点和适用范围，可以根据具体的应用需求进行选择。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状
精密成形工程第15卷第12期表面改性技术研究现状甘国强1，韩震2，鲍建华1，WOLFGANG Pantleon3（1.合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009；2.中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波 315000；3.丹麦技术大学，哥本哈根 2800）摘要：SiC颗粒增强铝基复合材料因具有高的比强度、比刚度、耐磨性及较好的高温稳定性而被广泛应用于航空航天、电子、医疗等领域，但由于SiC颗粒高熔点、高硬度的特点以及SiC颗粒与铝基体间存在界面反应，碳化硅铝基复合材料存在加工性差、界面结合力不足等问题，已无法满足航天等领域对材料性能更高的要求，因此开展如何改善基体与颗粒之间界面情况的研究对进一步提升复合材料综合性能具有重要的科学意义。
结合国内外现有研究成果，总结了SiC颗粒与铝基体界面强化机制、界面反应特点、表面改性技术原理及数值建模的发展现状，结果表明，现有经单一表面改性方法处理后的增强颗粒对铝基复合材料性能的提升程度有限，因此如何采用新的手段使复合材料性能进一步提升将成为后续研究热点，且基于有限元数值模拟方法进行复合材料设计也是必然趋势。
最后针对单一强化性能提升有限的问题，提出了基于表面改性的柔性颗粒多模式强化方法，同时针对现有的技术难点展望了后续的研究方向，以期为颗粒增强复合材料的制备提供理论参考。
关键词：碳化硅颗粒；表面改性；复合材料；模拟；界面DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.12.008中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)012-0058-10Research Status of Particle Interface Modification Technology for Silicon CarbideParticle Reinforced Aluminum Matrix CompositesGAN Guo-qiang1, HAN Zhen2, BAO Jian-hua1, WOLFGANG Pantleon3(1. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2. Ningbo Branch of China Academy of Ordnance Science, Zhejiang Ningbo 315000, China;3. Technical University of Denmark, Copenhagen 2800, Denmark)ABSTRACT: SiC particle reinforced aluminum matrix composites are widely used in aerospace, electronics, medical and other fields due to their excellent properties such as high specific strength, high specific stiffness, high wear resistance, and high tem-perature stability. However, due to the high melting point and high hardness of SiC particles, as well as the interface reaction between silicon carbide reinforced particles and aluminum matrix, SiC aluminum matrix composites have problems such as poor收稿日期：2023-09-03Received：2023-09-03基金项目：安徽省重点研究与开发计划（JZ2022AKKG0100）Fund：Anhui Provincial Key Research and Development Project (JZ2022AKKG0100)引文格式：甘国强, 韩震, 鲍建华, 等. 碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状[J]. 精密成形工程, 2023, 15(12): 58-67.GAN Guo-qiang, HAN Zhen, BAO Jian-hua, et al. Research Status of Particle Interface Modification Technology for Silicon第15卷 第12期 甘国强，等：碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状59processability and insufficient interfacial adhesion. It is no longer possible to meet the requirements for material performance in fields such as national defense and aerospace. Therefore, studying the ways to improve the interface between particles and ma-trix is of great scientific significance for improving the comprehensive performance of composite materials. In combination with existing research results at home and abroad, the interface strengthening mechanism, interface reaction characteristics, existing surface modification technology principles and numerical simulation development status of SiC reinforced particles and alumi-num matrix composites were summarized. The results showed that the performance improvement of reinforced particle alumi-num matrix composites after strengthening was limited after being treated with a single surface modification method. Therefore, how to adopt new methods to improve the performance of composite materials will become a hot research topic in the future, and the design of composite materials based on finite element numerical simulation methods is also an inevitable trend. Finally, in response to the limited improvement of single strengthening performance, the author proposes a flexible particle multimodal strengthening method based on surface modification, and looks forward to future research directions in response to existing technical difficulties, hoping to provide theoretical reference for the preparation of particle reinforced composite materials. KEY WORDS: SiCp; surface modification; composite material; simulation; interface碳化硅颗粒增强铝基复合材料是以碳化硅颗粒（SiCp ）作为增强相，以铝或铝合金作为基体的一种复合材料，因具有密度和价格成本低、高温性能良好、耐腐蚀耐磨及比强度和比弹性模量高等特点，已成为热门的新型结构材料之一，现已广泛应用于航空航天、电子、汽车及体育等多个领域，如汽车刹车盘、发动机缸体活塞等结构件中。
复合材料分类
复合材料分类
复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料组成的材料。
根据制备方法和材料性质的不同，复合材料可以分为以下几类。
一、增强复合材料
增强复合材料是将增强体嵌入到基体中形成的材料。
常见的增强体有纤维、颗粒和片状。
纤维增强材料是最常见的一种增强材料，包括玻璃纤维、碳纤维和聚合物纤维等。
纤维增强材料通常具有高强度和高模量的特点，常用于航空航天、汽车和建筑等领域。
二、无机基复合材料
无机基复合材料是以无机材料为基体的复合材料。
常见的无机基材料有金属、陶瓷、玻璃等。
无机基复合材料具有高温耐性、耐腐蚀性和高摩擦性能等特点，广泛应用于高温元件、化学管道和磨损零件等领域。
三、有机基复合材料
有机基复合材料是以有机材料为基体的复合材料。
常见的有机基材料有塑料、橡胶和树脂等。
有机基复合材料具有良好的可加工性和成型性，常用于航空航天、电子和建筑等领域。
四、金属基复合材料
金属基复合材料是以金属为基体的复合材料。
常见的金属基材料有铝、镁、钛等。
金属基复合材料具有高强度、高刚性和良好的导热性能，常用于航空航天、汽车和机械制造等领域。
五、混合复合材料
混合复合材料是指由两种或多种类型的复合材料组合而成的材料。
混合复合材料可以充分发挥各种不同材料的优点，实现材料性能的优化。
总之，复合材料根据不同的制备方法和材料性质可以分为增强复合材料、无机基复合材料、有机基复合材料、金属基复合材料和混合复合材料等几类。
每种类型的复合材料在不同领域有着广泛的应用。