纳米SiC增强铝基复合材料

Nano-SiCp ReinforcedAI Matrix Composite

摘要：纳米SiC增强铝基复合材料能充分发挥纳米SiC颗粒和金属基体的各自优势，而且可以进行成分设计，与基体合金相比，具有优异的机械性能和物理性能、高的比强度和比模量、良好的抗疲劳性能、低的热膨胀系数和良好的热稳定性，是一种具有广阔应用前景的先进材料，自问世以来一直受到材料科学及工程应用领域极大的重视，正在部分取代传统的金属材料而应用在航空航天、汽车、电子封装和体育器械等对材料性能要求较高的领域。本文介绍纳米复合材料的发展现状，重点介绍几种固态法制备纳米SiC颗粒增强铝基复合材料的工艺,极其断裂韧性的影响因素。分析铝基复合材料的显微组织，综合评价纳米SiC颗粒增强铝基复合材料制备工艺中存在的几个重要问题，并提出解决方案。在展望其应用前景基础上，指出制备技术未来的发展方向。

关键词：纳米SiC颗粒；铝基复合材料；研究方法；断裂韧性；影响因素

引言

近年来在金属基复合材料中，以颗粒、短纤维、晶须等非连续相增强的铝基复合材料因其良好的可再加工性和各向同性而倍受重视。由于其具有高的比强度、比刚度、导热性, 优良的摩擦性能，与铝合金密度相当，以及可调配的热膨胀系数等优点而成为目前国内外专家学者研究的热点之一。而纳米SiCp可以改善铝基或铝合金基体的高、低温强度，提高其弹性模量，增强其耐磨性能。

近30年来，世界各国竞相研究并开发金属基复合材料，从材料的基体、增强粒子、制备工艺、微观组织、力学性能与断裂韧性等角度进行了许多基础和应用性研究，取得了显著的成绩。在美国国防部“T it le”项目支持下DWA复合材料公司与洛克希德·马丁公司以及空军进行合作，将粉末冶金法制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料用于F16战斗机的腹鳍，代替了原有2214铝合金蒙皮，不仅使刚度提高了50%，寿命也由数百小时提高到约8000h。目前美国空军已将这种铝基复合材料腹鳍作为现役F16战斗机的备用件，正在逐步更换。 此外 ,美国海军飞行动力实验室已经研制成SiC/Al复合材料应用于卫星的惯导平台和支撑构件上。而在我国，也较全面地开展了铝基复合材料方面的研究工作。包括纤维增强、颗粒增强、层压复合、喷射沉积、原位生成等方面的研究取得了很大的进展，正走向实用。近年来，纳米SiC颗粒增强铝基复合材料因为兼具金属和非金属的特性，已经成为纳米复合材料的一个研究热点。

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一、纳米SiC增强铝基复合材料的制备工艺

1.高能球磨法

采用高能球磨法，适当控制球磨条件可以制备出纳米复合粉末，如再采用热等静压、冷等静压和热挤压可以制备出各种块体纳米材料。贺春林[1]采用此法将纳米碳化硅粉增强铝基复合材料，球磨后的混合粉经过冷压成型，真空除气处理和真空热压，得到坯锭。烧结坯锭经机加工后，封装于工业纯铝的包套内进行热挤压，得到复合材料。高能球磨法具有成本低，产量高，工艺简单，可以制备出高熔点金属或合金的纳米微粒及纳米复合材料的优点。但是，它的能耗大、粒度不够细。粒径分布范围宽，容易引入杂质。田晓风[2]将纳米SiC粉与2024铝合金粉末预混合，然后采用高能球磨工艺制备纳米颗粒均匀分布的复合粉末，后经真空热压、热挤压制得复合材料。另外，El-Eskandaray[3]用高能球磨的方法也成功的合成了有纳米晶特性的SiC颗粒增强铝基纳米复合材料。 2.液氮球磨法

低温球磨同常温机械合金化的实质一样，就是固态反应。在反应过程中，由于球的碰撞，其中粉末混合物颗粒经历反复冷焊和断裂过程。在室温机械合金化过程中，粉末颗粒不断地被冷焊和破碎，如果粉末是延性的，则可能导致冷焊过程占主导地位，从而粉末聚集成团。而低温球磨时，由于低温下破碎过程占主导地位，使得延性组元断裂而使产物达到纳米量级。近年来，由于在液氮环境下，低温反应球磨制备出了具有良好热稳定性的纳米晶而被关注。首先，在液氮环境下通过机械合金化的方法制备出的纳米晶材料可以减少氧的污染；其次，在低温环境下可以通过减少球磨过程中的热量聚集而改变粉末形变动力学的机理，使粉末在不断的断裂和冷焊过程中朝着更容易断裂的方向发展。

与普通的机械合金化过程相比，低温球磨具有以下优势：(1)在液氮中研磨时，液氮与粉末形成料浆，可以消除粉末粘连现象，并提高研磨效率；(2)低温下研磨对粉末颗粒和晶粒尺寸有明显的细化作用，可在短时间内迅速细化到室温机械合金化难以达到的水平；(3)在液氮或者液氩环境下通过机械合金化的方法制备出的纳米晶材料可以减少氧的污染；(4)在低温环境下的球磨过程可以通过减少球磨过程中的热量聚焦而改变粉末形变动力学的机理，使粉末在不断的断裂和焊接过程中朝着更容易断裂的方向发展；(5)体系内含有铝时，在液氮中研磨将引入纳米AlN，Al2O3颗粒，从而形成原位自生复合材料。 3.高压法

肖永亮[4]采用高压的方法制备了纳米SiC颗粒增强铝基复合材料。将纳米SiC粉和纯铝

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粉在氩气保护下用球磨方法混料。球磨后粉体材料经冷压成型，在真空下以50MPa压力进行热压烧结。发现复合材料组织晶粒尺寸分布均匀而细小，观察不到增强相。

二、 纳米SiC增强铝基复合材料断裂韧性的影响因素 [5]

不同屈服强度及应变硬化率的材料，在相同载荷条件下断裂形式可能完全不同；同种材料,复合比的变化、应力状态的改变，使裂端空穴扩展与断裂机制会发生重大改变，大量实验表明，材料在加载过程中，空穴的扩展与塑性应变的相互影响会使断裂过程变得复杂。同时，试件在加载过程中裂端出现的塑性变形大小将不同，从而影响材料的断裂机制与断裂形式。

1.纳米SiC增强铝基复合材料断裂形式

(1)正拉断，当加载过程塑性应变不大、体积应变较大的情况下，空穴的成核与扩张易于进行，启裂位置发生在裂端钝化区应力三维度有极大值处。启裂方向为该处最大拉应力作用面方向。

(2)剪切断裂，由于启裂点的位置不同，剪切实际存在两种情况一是当加载过程塑性应变较大时，虽然在钝化区域应力三维度有较大值，存在一定数目的成核空穴，但空穴扩张程度极小，正拉断不易发生，受空穴存在的影响，剪断发生在应力三维度有极大值处，启裂方向为该处最大剪应力方向。二是当加载过程中塑性应变很大时，的塑性变形已使材料内的空穴成核受到阻碍，应力三维度最大处也较小有空穴成核形成，再成为危险点，启裂方向为该剪应力作用方向．在危险区域出现的局部化剪切变形形成的剪切带是导致剪断旋生的主要因素。

(3)混合型断裂，在许多情况下断裂面上正拉伸断口与剪切斜断口占一定区域，启裂先发生于试件厚度中心，以空穴扩展向表面及前方发展，由于试件表面应力三维度变小、塑性变形增大．引起断裂机制改变，近表面区域为剪断，启裂方向较为复杂。 2.影响SiC增强铝基复合材料断裂韧度的因素分析

材料不同其屈服强度及应变硬化指数均可能不同，相同受力形式下，其断裂机制则可能不同。屈服强度及麟硬化指数高的材料，裂端塑性变化程度小，易于正拉断；反之，屈服强度及应变硬化指数低的材料产裂端塑性变形程度大，易于剪切断裂。复台比的不同，使裂端应力场产生了变化，用应力三维度值的大小可表示三轴应力状态的不同程度；应力三维度值高，则偏于受拉状态，材料易于正拉断；应力三维度值低，则偏于受剪状态，材料易于剪断。

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具体说来影响因素有：SiCp尺寸、数量、分布、形态与表面形态、基体的化学成份、热处理状态、MMCs的加工过程等。

(1)颗粒尺寸对复合材料断裂韧度的影响

在SiCp体积含量相同的情况下，颗粒的尺寸对断裂韧度的影响很大，颗粒过大时易产生低应力断裂，过小时易产生团聚现象。团聚颗粒内部联接较弱，在其后的变形中会出现重排，形成较大的孔洞。团聚颗粒周边的基体承受比无团聚颗粒附近基体更大的应力，因为团聚颗粒承载能力下降。小颗粒SiCp重排在基体晶粒边界，部分SiCp聚集，显微孔洞在此形成，导致应力集中．当SiCp尺寸大于2um后，断裂过程中由基体断裂控制变为颗粒断裂控制。大尺寸SiCp本身存在更多缺陷，更易在较小的应力下开裂。在一个较为台理的尺寸范围内，尺寸越小复合材料的断裂韧度就越好，这是因为颗粒越小，颗粒间的平均距离越短，对位错运动的约束增强，颗粒通过界面以机械约束的方式，对基体变形的限制范围也越大，从而强度更高。

(2)颗粒含量对复合材料断裂韧度的影响

SiCp含量增加，在制备过挫中易引起颗粒聚集，从而造成“显微疏松”成为应力集中源，在变形时易使材料内部损伤。造成内裂纹以致连通纹，在加工过程中聚集的颗粒之间发生相对滑动而萌生裂纹。从另一个角度来说．高含量颗粒复合材料的基体中已存在的剪应变要人火高于低颗粒含量复台材料的基体，微裂纹的生成能和扩展能较低因此，在制备SiCp增强铝基复台材料时应使用体积分数低的SiCp增强相颗粒。 (3)颗粒的形状对复合材料断裂韧度的影响

有限元计算结果表明，当颗粒形状由球形变为梭形时，在颗粒尖角处应力集中过大。即使复台材料界面结合良好，颗粒尖角在外加应变水平较低时也会出现孔洞而断裂。而经钝化处理的SiCp由于尖角处的应力集中减小，可有效提高复合材料的塑性。 (4)由于增强相的存在而造成的应力集中

基体的变形将外加应力传递到SiCp上，增强相中部的应力达到5倍于基体的应力强度，这种应力传递是通过界面剪切进行的。Levy和Papaxian通过有限元分析指出，在由于增强体存在造成的应力集中区域附近，在加载过程中基体流动受到促进，但也有可能由于增强相和基体的不匹配，导致在增强相附近及该部位的基体较大的应力集中。 (5)由于增强相和基体热膨胀系数不同导致的热应力

复合材料从高温冷却后，热应力在界面附近基体中得到松驰井在界面附近的基体中产生大量的位错，位错密度随离开界面的距离增大而迅速减小。经过T6处理后。这些位错成为

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析出相的优先形核位置，从而在离界面一定距离的基体中形成无析出带，降低了该区的强度，基体的失效将首先发生在该处。

(6)热处理工艺对复合材料断裂韧度的影响

由于基体合金的屈服应力和加工硬化速度决定着基体承受应力的能力。也就决定着微裂纹或空洞形核所导致的失效以及它在高度约束条件下基体的流变能力。在复合材料中，不同的热处理工艺会使基体合金的屈服应力差异较大、应变集中状况也不同，对复合材料断裂韧度的影响极大。热处理有利于提高复合材料的断裂韧度，其影响主要是时效作用。加入SiCp颗粒后，其位错密度增加，时效促使其弥散相加速析出。Lewandowski等发现Al-Zn-Mg-Cn/20前者为广泛的颗粒断裂，而后者为近SiCp/Al基体界面处的断裂。自然时效与人为时效相比较，自然时效态由于水淬时造成的SiCp处于压应力状态比T6态更大，颗粒的断裂几率更小，人工时效比自然时效状态下的断裂韧度高，T6热处理工艺比T4热处理工艺更能提高复合材料的断裂韧度。

(7)基体的化学成份对复合材料断裂韧度的影响

据研究表明，在增强相SiCp的尺寸、含量及形状已定的情况下，基体的化学成份对复合材料的断裂韧度也有一定的影响，其实验所用样品及实验结果如表l和表2所示。从表2中可以看出Mg-Al(SiC)的主应力口σb与Mg-AL-Ca-(Sic)的主应力σb近似，而其屈服应力σ高于Mg-Al-Ca-(SiC)的屈服应力σ，延伸应力σ低于Mg-AL-Ca-(SiC)的延伸应力σ。由此可见，复合材料的机械性能随基体台金成份的变化而变化。

3.改善纳米SiC增强铝基复合材料低强度与塑性的几点设想

影响铝基复合材料塑性的主要因素有3个：颗粒强度、界面粘结强度、基体韧性可以通过选择合适的材料制备和加工工艺，控制基体合金的特性、增强相的含量、形状、尺寸等方法来改善铝基复合材料的塑性。

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(1)采用合理的制备工艺。制备过程中减少氧化、避免SiCp偏聚及有害的界面反应、减少杂质与气体疏松、改善增强体与基体的润湿性、增大冷速使基体晶粒细小。如选用喷射沉积法制备铝基复合材料坏料。

(2)对SiCp进行预处理，合理控制SiCp的含量、形状、尺寸。如通过SiCp预处理钝化尖角；选择合理的颗粒尺寸，使SiCp在制备与变形过程中既不会因尺寸过小而聚集，也不会因尺寸过大而容易断裂。

(3)尽可能建立影响SiC铝基复合材料断裂韧性的模型，如在基体合金化学成份一定的前提下建立增强相含量、形状以及尺寸对强度与韧性的影响模型，单一考虑其中的两个因素的互相影响可建立二维坐标在平面中找到一种表示；若考虑三者之间的相互影响。则可建立三维坐标，在空间某一个区域(曲面)内利用高斯公式或格林公式加之其它的辅助方法找到一个较为理想的表示，当然其复杂性将远远超过两个因素存在时模型的建立。这种理论上的假设有数学依据，即可以在空问某一区域找到一个“最优值”。

三、综合评价与展望

如何将纳米SiC单元体分散在铝基体中构成复合材料，使之不团聚而保持纳米尺寸的单个体，以充分发挥其纳米效应是合成铝基纳米复合材料必须解决的首要问题。但现今为止，还没找到十分有效的分散方法可以对团聚状态的纳米粉体在铝基体中进行分散。

采用固态法制备复合材料时，粗粉末经过高强度机械球磨产生大量塑性变形 ，并产生高密度位错。初期，塑性变形后的粉末中位错先是纷乱地纠缠在一起，形成“位错缠结”。随着球磨强度的增加，粉末变形量增大，缠结在一起的位错形成“位错胞”，高密度位错主要集中在胞的周围区域，形成胞壁。随着机械化强度进一步增加，粉末变形量增大，“位错胞”的数量增多，尺寸减小。球磨时间、磨球的球径和转速、球磨气氛以及球磨过程中带进的杂质都会影响球磨的效果 。

纳米SiC颗粒增强铝基复合材料具有许多优异的力学性能，目前，制备复合材料的方法也多种多样。纳米SiC颗粒增强铝基复合材料在普通工业和民用领域应用很少，主要应用于航空航天、军事、汽车等方面。虽然纳米SiC颗粒增强铝基复合材料的制备工艺目前仍停留在实验室阶段，但随着增强体和基体结合理论的进一步研究，分析方法的不断进步、制备工艺的不断成熟和制备成本的不断降低，纳米SiC颗粒增强铝基复合材料必将以其优良的特性在航空航天及其他高科技领域发挥更加巨大的作用。纳米SiC颗粒增强铝基复合材料制备技术的发展应该遵循纳米技术与传统产业紧密结合的原则，改造传统制备工艺和开发新型的制

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备工艺相结合，迅速实现产业化的目标。

今后工作重点：(1)深入研究制备工艺过程中纳米颗粒含量与复合材料性能的关系。加入少量的纳米颗粒，就能在不影响复合材料成型加工性能的同时,可以显著提高复合材料的力学性能；(2)对工艺简单、成本低、适合工业化生产的高能球磨技术，在开展基础理论研究的同时，重点抓分散工艺和过程控制，使之尽快投入到工业化生产中去 。

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