學術干貨│鋁基復合材料總覽

鋁在制作復合材料上有許多特點，如質量輕、密度小、可塑性好，鋁基復合技術容易掌握，易于加工等。此外，鋁基復合材料比強度和比剛度高，高溫性能好，更耐疲勞和更耐磨，阻尼性能好， 熱膨脹系數低。同其他復合材料一樣，它能組合特定的力學和物理性能，以滿足產品的需要。因此，鋁基復合材料已成為金屬基復合材料中最常用的、最重要的材料之一。

按照不同的增強體, 鋁基復合材料分為顆粒（直徑在0.5～100μm之間的等軸晶粒）增強和纖維（包括短晶須）增強鋁基復合材料。

1. 顆粒增強鋁基復合材料

采用顆粒增強制備鋁基復合材料成本相對較低，原材料資源豐富，制備工藝簡單。選擇適當的增強顆粒與基體組合可制備出性能優異的復合材料, 具有很大的發展潛力和應用前景。顆粒增強鋁基復合材料的增強體主要有SiC、TiB₂、和B₄C。

1.1 鋁基SiC復合材料

圖1 (a) 67.5 vol.%SiC_p/Al 復合材料. (b) 68.0 vol.%SiC_p/Al 復合材料.

作者制備了60.5–68.0 vol.%SiC_p/Al 高含量陶瓷顆粒復合材料，圖1（a）與圖1（b）為該復合材料在光學顯微鏡下拍到的金相圖片。從圖中可以看出雖然SiC顆粒粒徑大小不一，但是其在基體中的分布還是較為均勻的。由于陶瓷顆粒含量很高，在復合材料內部微小孔洞也就不可避免了。陶瓷顆粒的含量越高，那么其微小空洞的數量也就越多。

圖2復合材料一組和二組陶瓷顆粒含量

圖3 復合材料一組與二組的拉伸強度（a）和彈性模量（b）

作者通過對1組與2組的拉伸試驗的對比得出同含量下，粒徑小的陶瓷顆粒對機體的增強效果較為顯著。

1.2 鋁基TiB₂復合材料

圖4 納米顆粒增強與微米顆粒增強的應力應變曲線

作者采用攪拌鑄造法分別制備了相同體積分數但是TiB₂顆粒粒徑不同的鋁基TiB₂復合材料。從圖4兩者的力學性能比較可以看出，納米級TiB₂陶瓷顆粒對基體的強化效果較為顯著，塑形也有很大的提高（TiB₂陶瓷顆粒體積分數在1.5%時，達到最大值）在這一現象的背后的理論支撐來自于：晶粒細化、位錯強化等理論。

1.3 鋁基B₄C復合材料

圖5 界面處掃描電子顯微鏡圖片（a）界面示意圖（b）界面處能譜線掃描（c）

作者采用放電等離子燒結方法制備了鋁基B₄C復合材料，同時又因為B₄C具有中子吸收性能，所以該復合材料作為功能性復合材料常用作核電站乏燃料池中的中子吸收板。作者采用能譜中的線掃描（EDS）以及電子掃描顯微鏡（SEM）對復合材料中金屬和陶瓷顆粒的界面進行了研究，探討了界面處的各產物。

2. 纖維增強鋁基復合材料

連續纖維增強鋁基復合材料性能優異，已在航天航空、軍事領域等作為高強度耐高溫材料顯示出巨大的應用潛力。晶須增強鋁基復合材料具有高的比強度、比模量、 良好的熱穩定性以及抗疲勞、耐磨損等優良性能，已得到迅速發展，成為鋁基復合材料的一個重要分支。

2.1 碳纖維增強鋁基復合材料

圖6 碳纖維增強鋁基復合材料斷口圖片

作者采用了高壓壓鑄的方法制備了碳纖維增強鋁基復合材料。圖6（a）與（b）由于加入的碳纖維含量較低，因此在斷口處并沒有看到碳纖維拉出與基體分離現象。圖6（c）與（d）碳纖維的含量較高，在拉伸斷口處可以看到碳纖維與基體的分離現象。分離現象主要發生在增強區與非增強區的界面處。

2.2 鋁基SiC_w復合材料

圖7 AA7039+20% SiCw透射圖

作者對AA7039+20%SiC_w的熱擠壓加工進行了研究。通過透射電鏡，作者發現SiC晶須會沿著擠壓方向有著明顯的分布（擠壓比0.33），并且大量的SiC晶須在擠壓過程中發生了斷裂。盡管SiC晶須斷裂，但是其依然與基體有著很好的結合。

參考文獻

【1】Influence of particle size distribution on properties of SiC particles reinforced aluminum matrix composites with high SiC particle content

【2】Tensile and fracture behavior of nano/micro TiB2 particle reinforced casting A356 aluminum alloy composites

【3】The design, microstructure and mechanical properties of B 4C/6061Al neutron absorber composites fabricated by SPS

【4】Mechanical Properties of Carbon Fiber-Reinforced Aluminum Manufactured by High-Pressure Die Casting

【5】Microstructure and mechanical properties of AA7039+20%SiCw composite

本文由材料人編輯部學術干貨組seeding供稿，材料牛編輯整理。

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