铝基复合材料研究进展

摘 要：文章将从铝基复合材料强化机理等方面，介绍铝基复合材料的在目前阶段的研究进展，及铝基复合材料强化方面的研究与应用。希望通过文章的介绍，对相关工作提供参考。

关键词：铝基复合材料；强化；基体

前言

随着现代科技水平的迅速发展，在航空航天、军用以及其它高科技领域传统材料已经很难满足其需要。复合材料以其综合性能优异的特点逐步开始代替传统单一材料。然而一些纤维增强树脂基在某些特定的空间环境下使用时容易产生老化。在此方面，铝基复合材料具有高比强度、比模量、低热膨胀系数，较高的高温力学性能以及抗疲劳、耐磨损等优良性能，特别是颗粒、短纤维、晶须等非连续增强的铝基复合材料，因其良好的可再加工性及尺寸稳定性备受关注，成为近年来研究最多的复合材料。

1 金属基复合材料强化机理

由于材料的强度是一个极度结构敏感性质，金属基复合材料的变形过程极具复杂性，其所具有的强化机制在现有的模型只能在一定程度上较好地诠释金属基复合材料时的强化规律，不能完全得出具体的强化数值。金属基复合材料的强化机理主要有以下方面：

1.1 增强体承载与载荷传递

金属基复合材料的主要强化机制是载荷从基体向增强体传递的一个过程，增强体是主要起的是一个承担者作用。目前相关的模型举例很多，最简单的是混合定律，该模型未考虑增强体形状、分布等其他因素对材料的影响，因此预测强度与实际相比相差较大。Nardone和Prewo的改进剪切套模型是根据载荷在基体与增强体界面上传递的机制建立的，从该模型计算出的所得的屈服强度值可确认比实验所得屈服强度值约高10%。

1.2 基体中的位错强化

金属的热膨胀系数一般要比增强相的热膨胀系数大很多，因此在金属基复合材料的制作生产和热处理过程中，在基体材料中会形成高密度的位错，导致强化。位错模型主要包括：Orowan模型；林位错硬化模型；弹性栓模型；冲孔模型，且 Orowan机制可以较好的预测材料的强度值，对材料强度的预判有着明显的帮助。

1.3 细晶强化

增强体的引入还可以亚晶粒尺寸的减小。超细的亚晶粒尺寸会导致复合材料的增强。研究中，在对颗粒增强金属基复合材料进行热机械加工时，常常会在基体中发生再结晶的情况，增强体颗粒尺寸的不同，将会对再结晶体产生两种影响，当增强体的颗粒尺寸较小时，颗将会产生大角度晶界；当增强体颗粒尺寸较大，该增强颗粒又会促使再颗粒形成结晶形核，将会使金属复合材料获得极细小的颗粒。增强体晶粒尺寸會随着增强相尺寸增加，随增强相体积分数减小。

通过对复合材料的力学性能测试发现，复合材料的力学性能与基体相比有着很大的提高。例如，在实验过程中发现，与基体相比，10%TiB2/Al-7Si复合材料的屈服强度大幅提高了126%。由此可见，细晶强化及TiB2颗粒的弥散强化是复合材料的主要强化机制。

2 铝基复合材料的最新学术研究成果

2.1 将连续纤维作为增强体，这种铝基复合材料具有优异性能。目前，这种材料大多数用在航天航空、军事领域。

2.2 采用不连续增强体作为增强体。如采用颗粒和晶须等制备的具有优良性能的铝基复合材料，这种材料在众多行业已经取得了广泛地应用。

从表1可以看出，颗粒增强铝基复合材料具有众多的良好的物理及力学性能。将一些由不同工艺加工的的复合材料的力学性能进行比较，从中可以看出，由于受增强相的影响及其体积分数的增加，铝基复合材料的抗拉强度、弹性模量、屈服强度均有了显著地提高，反之受这些因素的影响，铝基复合材料的延伸率则有所下降，也就是韧性降低。由于受增强相的影响，材料内部基体的摩擦阻尼性能得到了改善，材料耐磨性和耐腐蚀性也得到了大幅地提高。

粉煤灰是煤粉燃烧的一种废弃物，主要成分为Al2O3、SiO2等混合氧化物，在铝合金基体中均匀分布不仅阻碍了金属基体缺陷的相对滑动，而且也提高了基体抗剪切的应变能力，使复合材料得到弥散和强化，改善了复合材料的抗拉强度。但是由于Al2O3、SiC、SiO2等常用的增强颗粒生产成本较高，并且这些颗粒棱角的过度尖锐容易引起复合材料的应力集中，从而影响材料的物理及力学性能。当粉煤灰颗粒里粉煤灰的含量大幅增加时，粉煤灰颗粒团聚的趋势也会更加明显，与此同时铝合金的含量相对减少，上述因素都会导致铝合金的变形受到制约，将导致复合材料的塑性变差。

碳纳米管作为一种新型材料，由于其新颖的结构、高强度、高弹性模量、高临界应变等超强的力学和功能特性，被广泛应用在各种树脂基、陶瓷基以及金属基复合材料当中。

3 结束语

在复合材料的设计与生产过程中，增强体含量及类型、基体金属类型、及制备方法及工艺参数的选择众多，这些因素相互作用、相互影响，共同决定了着最终所生产出的材料的各方面性能。

目前增强材料主要有纤维、晶须和颗粒。纤维增强铝基复合材料具有高的抗拉强度和高的弹性模量，除此之外还有一个重要性能，那就是各向异性，为结构材料提供特殊性能；晶须的分布是任意、无序的，晶须加入到铝基复合材料中，可以提高铝基复合材料的强度、硬度、弹性模量、耐磨、耐热性及其他性能等；颗粒加入到铝基体中，使复合材料具有小的密度、高的强度、高的硬度、高的刚度、低的热膨胀系数。

铝基复合材料的基体材料有两类：一类是纯铝；另一类是铝合金。但在实际应用中常以铝合金做基体材料。Al-Si合金基体耐磨性好、Al-Li合金基体密度低、Al-Fe合金基体高温性能好，可以根据实际需求选择合适的基体。当以纤维为增强体时，一般选用纯铝为基体；而对于非连续增强体，通常用高强合金作为基体。

界面在复合材料中连接着增强体与基体，能起载荷传递作用，是成分结构特殊的一个很小区域。界面虽然很小，但是复合材料重要组成部分，对复合材料的性能影响很大。界面的结构和性能主要受界面反应的影响。

参考文献

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作者简介：胡小兵（1974-），男，江西吉安人，助理工程师，从事机械设计和设备管理工作。