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无压浸渗法是Aghaianian等于1989年在直接金属氧化工艺的基础上发展而来的一种制备复合材料的新工艺[1],将基体合金放在可
2.1纳米相增强铝基复合材料制备技术
由于纳米相增强铝基复合材料的制备方法和工艺过程的不同对其结构、性能和应用具有重要的影响,所以,纳米相增强铝基复合材料的制备方法探索在铝基纳米复合材料科学研究中占有举足轻重的地位。
2.1.1原位反应合成法
原位反应合成法制备纳米相增强铝基复合材料的基本原理是通过元素间或化合物间的化学反应,在铝基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷材料增强相,从而达到增强铝基体的目的[6]。
首先,由于原位反应合成技术基本上能克服其它工艺通常出现的一系列问题,如克服基体与增强体浸润不良,界面反应产生脆性层,增强相分布不均匀,特别是纳米级增强相极难进行复合问题等;
其次,在基体中反应生成的增强相热力学稳定,具有优良的力学性能。
董晟全和郭永春[7]等利用原位反应合成法制备出纳米AlN颗粒增强铝基复合材料。
由于原位增强体纳米颗粒AlN的产生,复合材料与基体相比,其拉伸强度和伸长率都有所提高,室温强度由250MPa增至280MPa,伸长率也提高了1.81%。
2.1.2快速凝固工艺
快速凝固(RS,RapidSolidification)[8]对晶粒细化有着显著的效果,利用RS工艺可以获得与传统材料性能迥异的新型材料。
仝兴存[9]等将Rs工艺与热挤压成型技术相结合,成功地制备出TiC/A1原位复合材料,与常规熔铸工艺相比,其室温拉伸强度增加了100MPa左右,并表现出良好的高温力学性能。
2.1.3大塑性变形法
大塑性变形法(SPD,Severeplasticdefornlation)[10]是近年来逐步发展起来的一种独特的纳米粒子铝及铝合金材料制备工艺。
它是指铝及铝合金材料处于较低的温度(通常低于0.4Tm)环境中,在大的外部压力作用下发生严重塑性变形,从而将材料的晶粒尺寸细化到纳米量级。
Alexandmv等[11]利用SPTS压实微米级的铝和纳米级的陶瓷混合粉末制备出相对密度大于98%的Al-5%Al2O3的高强度、高热稳定性的纳米相增强铝基复合材料,力学性能测试结果表明,在Al-5%Al2O3复合材料样品中发现了超塑性现象(400℃、塑性应变率为10-4s-1的拉伸实验显示,样品失效前的延伸率几乎高达200%,塑性应变率灵敏度为0.35)。
2.1.4高能球磨法
高能球磨法(highenergyballmilling)[12]是利用球磨机的高速转动或振动,使研磨介质对增强体进行强烈的撞击、研磨和搅拌,将其粉碎为纳米级微粒的方法。
K.D.Woo与D.L.Zhang[13]合作采用高能球磨法成功得到纳米SiC颗粒增强A1-7%Si-0.4%Mg(质量分数)复合材料。
由于高能球磨过程中提高了混合粉末的扩散速率,引起烧结过程中粉末的烧结率也加快了,烧结后的显微结构表明:
其颗粒尺寸与用混合粉末直接烧结的颗粒相比明显变小,同时烧结体的硬度也大大提高了。
C.Goujon与P.Goeuriot[14]在低温条件下采用球磨+热压的方法制取了纳米陶瓷颗粒分布均匀且力学性能优良的铝基复合材料,所得到的纳米颗粒尺寸均匀、显微结构稳定。
2.1.5溅射法
溅射(sputtering)法[15]是采用高能粒子撞击靶材的表面,与靶材表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到铝基片上形成纳米相增强铝基复合材料。
等离子溅射法[16]是一种改进的溅射法,它利用等离子区的高温将增强相熔融,再把熔融的增强相快速引向旋转的铝基体并在铝基体上沉积、冷却,最后得到纳米相增强铝基复合材料。
T.Laha与A.Agarual[16]等利用等离子溅射法在铝基上成功溅射了碳纳米管并对这种复合材料进行了研究分析。
研究结果表明:
碳纳米管紧密黏附在铝基体中;
在高温溅射过程中,碳纳米管性能十分稳定,没有生成氧化物;
铝基复合材料的硬度有了显著提高。
2.1.6溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶(sol-Gel)法[17]是20世纪60年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺,近年来许多人用此法制备纳米微粒来增强铝基复合材料。
其基本原理是:
将醇盐或无机盐经水解,然后使溶质聚合凝胶化,再经凝胶干燥、煅烧,最后得到纳米微粒,sol-Gel法的优点是:
①化学均匀性好,由于溶胶-凝胶过程中,溶胶由溶液制得,故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致。
②纯度高,粉体(特别是多组分粉体)制备过程中无须机械混合。
③颗粒细,缺点是原料价格高、有机溶剂的毒性以及在高温下作热处理时会使颗粒快速团聚等[18-19]。
2.2碳化硅颗粒增强铝基复合材料
2.2.1粉末冶金技术
粉末冶金技术又称固态金属扩散技术,此方法是将固态金属粉末和增强颗粒机械均匀混合,在一定的温度和压力条件下制造成型。
粉末冶金技术具有一些独特的特点,如制造温度较低,减轻了和增强颗粒之间的界面反应,减少了界面上硬质化合物的生成,增强颗粒的体积分数比较高,而且分布均匀。
但粉末冶金技术也存在着一些弊端,如之间的大小和形状受到一定限制,工艺程序多,制备周期长,成本高。
美国著名的DWA复合材料专业公司就用粉末冶金法制得了碳化硅颗粒增强铝基复合材料自行车车架,设备支撑架等产品,并已达到商品化。
另外,美国ARCO公司、英国BP公司也在碳化硅颗粒增强铝基复合材料方面取得了显著的成果[20]。
2.2.2铸造技术
铸造技术是目前制备金属基复合材料的主要方法,主要有液态搅拌法、半固态复合铸造法、挤压铸造法、真空压力渗透法、无压力渗透法、铸造渗透法、超声波法、中间合金法、喷射分散法、离心铸造法等多种工艺。
目前,人们使用较多的是挤压铸造法,其具体方法是:
预先把碳化硅颗粒增强相用适当的粘接剂粘接,制成预制块,放入压型,浇入精炼的铝基体金属溶液,然后立即加压,使熔融的铝基金属溶液浸渗到预制块中,凝固后就得到所需的碳化硅颗粒增强铝基复合材料。
这种工艺的优点是:
工艺及设备简单,组织致密,无气孔,材料质量稳定,已工业化生产。
丰田汽车公司曾用这种工艺制成了碳化硅颗粒局部增强铝基复合材料汽车发动机活塞[21]。
2.2.3熔渗技术
熔渗技术是指金属液体与多孔性固体外表面相接触,靠毛细管力将金属液体吸引到固体内部。
熔渗技术又分为压力熔渗和无压熔渗两种。
压力熔渗是预先把增强体用适当的粘结剂粘结,做成相应形状的预制件,放在金属压型内的适当位置,浇注金属液。
并加压使金属液掺入预制件间隙,凝固后就得到所要求的金属基复合材料。
所加压力可采用液体压力(挤压铸造)和气体压力两种。
这种方法可排除对增强物与金属液结合有重要影响的润湿性、反应性、比重差等重要因素的干扰作用。
在预制件制造得好以及熔渗时温度、压力等参数控制得当的情况下,可成功地制取满意的复合材料[22]。
Laxide公司提出了无压熔渗工艺[23]。
该工艺使基体合金放在可控气氛的加热炉中加热至基体合金液相线以上的温度,在不加压的情况下使合金熔体自发熔渗到颗粒层或预制块中。
因在无压力作用下,熔渗模具的选择容易。
但受熔渗温度、环境气体种类及颗粒大小等因素影响,使该法受到一定局限。
无压渗透法以其设备简单、操作方便、成本低廉等特点近年来得到了普遍应用。
3结语
总体而言,国外对铝基复合材料的研究较早。
近些年来,国内越来越多的高校和研究所加入了铝基复合材料增强的研究行列,并对该复合材料的组织、力学性能及其增强机制进行了较系统的研究,并取得了一定的研究成果。
但是,铝基复合材料的制备与应用还存在很多问题,还有待进一步的研究和解决。
随着科学技术的不断向前发展,材料科学与其他学科的联系也越来越紧密。
在以后的发展过程中,除了在传统上不断简化工艺流程、降低成本等除外,还应使用计算机分析和模型设计,使材料科学转入定量描述阶段,建立金属基复合材料的数据库,进行金属基复合材料的计算机模拟、设计。
此外,还需要引入的一个概念是生态环境复合材料,重视金属基复合材料的研究、开发、生产和使用过程中存在的污染问题和金属基复合材料的回收再利用问题,使其具有满意的使用性能和优良的环境协调性,实现人类的可持续发展。
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