学术干货│铝基复合材料总览

铝在制作复合材料上有许多特点，如质量轻、密度小、可塑性好，铝基复合技术容易掌握，易于加工等。此外，铝基复合材料比强度和比刚度高，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。

按照不同的增强体, 铝基复合材料分为颗粒（直径在0.5～100μm之间的等轴晶粒）增强和纤维（包括短晶须）增强铝基复合材料。

1. 颗粒增强铝基复合材料

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。颗粒增强铝基复合材料的增强体主要有SiC、TiB₂、和B₄C。

1.1 铝基SiC复合材料

图1 (a) 67.5 vol.%SiC_p/Al 复合材料. (b) 68.0 vol.%SiC_p/Al 复合材料.

作者制备了60.5–68.0 vol.%SiC_p/Al 高含量陶瓷颗粒复合材料，图1（a）与图1（b）为该复合材料在光学显微镜下拍到的金相图片。从图中可以看出虽然SiC颗粒粒径大小不一，但是其在基体中的分布还是较为均匀的。由于陶瓷颗粒含量很高，在复合材料内部微小孔洞也就不可避免了。陶瓷颗粒的含量越高，那么其微小空洞的数量也就越多。

图2复合材料一组和二组陶瓷颗粒含量

图3 复合材料一组与二组的拉伸强度（a）和弹性模量（b）

作者通过对1组与2组的拉伸试验的对比得出同含量下，粒径小的陶瓷颗粒对机体的增强效果较为显著。

1.2 铝基TiB₂复合材料

图4 纳米颗粒增强与微米颗粒增强的应力应变曲线

作者采用搅拌铸造法分别制备了相同体积分数但是TiB₂颗粒粒径不同的铝基TiB₂复合材料。从图4两者的力学性能比较可以看出，纳米级TiB₂陶瓷颗粒对基体的强化效果较为显著，塑形也有很大的提高（TiB₂陶瓷颗粒体积分数在1.5%时，达到最大值）在这一现象的背后的理论支撑来自于：晶粒细化、位错强化等理论。

1.3 铝基B₄C复合材料

图5 界面处扫描电子显微镜图片（a）界面示意图（b）界面处能谱线扫描（c）

作者采用放电等离子烧结方法制备了铝基B₄C复合材料，同时又因为B₄C具有中子吸收性能，所以该复合材料作为功能性复合材料常用作核电站乏燃料池中的中子吸收板。作者采用能谱中的线扫描（EDS）以及电子扫描显微镜（SEM）对复合材料中金属和陶瓷颗粒的界面进行了研究，探讨了界面处的各产物。

2. 纤维增强铝基复合材料

连续纤维增强铝基复合材料性能优异，已在航天航空、军事领域等作为高强度耐高温材料显示出巨大的应用潜力。晶须增强铝基复合材料具有高的比强度、比模量、 良好的热稳定性以及抗疲劳、耐磨损等优良性能，已得到迅速发展，成为铝基复合材料的一个重要分支。

2.1 碳纤维增强铝基复合材料

图6 碳纤维增强铝基复合材料断口图片

作者采用了高压压铸的方法制备了碳纤维增强铝基复合材料。图6（a）与（b）由于加入的碳纤维含量较低，因此在断口处并没有看到碳纤维拉出与基体分离现象。图6（c）与（d）碳纤维的含量较高，在拉伸断口处可以看到碳纤维与基体的分离现象。分离现象主要发生在增强区与非增强区的界面处。

2.2 铝基SiC_w复合材料

图7 AA7039+20% SiCw透射图

作者对AA7039+20%SiC_w的热挤压加工进行了研究。通过透射电镜，作者发现SiC晶须会沿着挤压方向有着明显的分布（挤压比0.33），并且大量的SiC晶须在挤压过程中发生了断裂。尽管SiC晶须断裂，但是其依然与基体有着很好的结合。

参考文献

【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

本文由材料人编辑部学术干货组seeding供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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