原位鋁基複合材料研究

鋁基複合材料由於具有低密度、高比強度、高比模量以及良好的耐磨損性能等優異的綜合性能而被譽為21世紀最具有競爭力的綠色工程材料之一,特別是原位反應合成技術(in-situ reactive synthesis )製備的原位鋁基複合材料,由於增強顆粒是從基體中形核長大的,具有熱穩定性好、顆粒細小、分布均勻、與基體結合良好等優點,彌補了外加增強顆粒尺寸大、界面結合性差等一系列缺點,因此日益受到國內外研究的重視,在航空航天、國防及先進位造業等高新技術領域展現出廣闊應用前景.

國外已出現工業化生產的鋁基複合材料,並成功應用於 F-16戰鬥機腹鰭、波音777和空客 A380等大型客機的發動機風扇導流葉片,壓氣機靜子的葉片,高速列車的制動盤,輕型高效節能汽車發動機缸體、缸蓋、輪轂以及高性能計算機熱控元件的晶元等.

我國開展鋁基複合材料的研究工作開始於20世紀80年代初,目前,在基礎理論方面取得了不少成果,但在實際應用方面還處於試驗階段.未來10~30年是我國大飛機、高鐵以及輕型節能汽車等製造業的高速發展時期,對高性能、低成本原位鋁基複合材料的需求十分迫切和巨大.

原位鋁基複合材料的體系設計與模擬計算

高性能原位鋁基複合材料的體系設計與模擬計算,涉及顆粒的種類、形狀、尺寸、含量和在基體中的分布以及顆粒/基體界面結構特徵等.由於原位鋁基複合材料是通過適當的反應劑(氣相、液相或粉末態固相),在適當的溫度下,藉助於基體鋁合金和它們之間的化學反應而製備的,因此,反應體系是決定原位複合材料性能、製備難易程度及成本的重要因素.其選取準則包括以下幾方面:

生成增強體的性能; 增強體的形態控制難易程度; 增強體與基體的界面情況; 反應的劇烈程度及起始反應溫度; 反應物來源及價格等.原位反應合成所產生的增強相主要為氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和金屬間化合物,常見的幾種為Al２O３、MgO、AlN、TiC、ZrC、TiB２、ZrB２、Al３Ti、Al３Zr等.鋁基原位合成反應主要分為直接合成反應、氧化物還原反應、無機鹽反應及催化反應四類,目前原位鋁基複合材料的合成體系主要有 Al-Ti-B 、Al-Ti-C 、Al-Ti-B-O 、Al-Zr-B 、Al-Zr-O 、Al-Zr-B-O 等.

由於原位鋁基複合材料中增強體的空間配置模式、增強體/基體界面結構涉及多組元、多尺度,十分複雜,目前還沒有建立原位鋁基複合材料的設計理論與模擬計算方法.已有研究表明:增強體的種類、尺寸、含量和分布是原位鋁基複合材料設計的關鍵因素,減小增強體尺寸或增加其含量均有利於提高複合材料的屈服強度,其機理可用Ashby 的應變梯度理論進行解釋.

隨著鋁基複合材料的應用向重要承載結構推廣,延伸率與斷裂韌性成為研究工作的重點.複合材料在受載過程中,在界面附近產生應力集中導致顆粒開裂,之後裂紋向基體中擴展並相互連接,成為制約複合材料塑韌性提高的關鍵因素. Song 等利用 Weibull 分布與 Eshelby 模型,建立了顆粒尺寸和含量與延伸率及斷裂韌性模型,可較好地描述顆粒與性能的關係.

原位鋁基複合材料的製備與成型加工技術

近二十年來,國內外關於原位鋁基複合材料已有大量的研究報道,原位合成製備技術發展迅速,總結概括起來主要有放熱彌散法(XDTM法)、氣液反應合成法(VLS 法)、自蔓延高溫合成法(SHS 法)、混合鹽反應法( LSM 法)、機械合金化合成法( MA )和熔體直接反應法( DMR 法)等.

其中,熔體直接反應法因具有工藝簡單、成本低、周期短、易於工業化生產等優點,而被認為是最有希望實現工業化應用的新技術.但是,目前這種新技術還很不完善,主要表現在以下方面:

反應體系少,大多集中在 Al-Ti-X( Al-Ti-O 、 Al-Ti-B 、 Al-Ti-C )系; 起始反應溫度高,常常高於900℃ ,甚至超過1000℃ ,惡化鋁液; 顆粒的形成與生長機制涉及甚少,主要集中在顆粒的相鑒別及形貌觀察上; 顆粒與基體界面結構的研究還不全面,大多文獻集中在界面形貌觀察上,而對顆粒與基體是否存在一定的位向關係、界面原子的模擬排列與匹配計算及界面區附近位錯的定量分析等問題研究甚少; 超塑性及高溫蠕變性能的研究還很少,多數集中在室溫拉伸性能的研究上; 耐磨性的研究還鮮見報道.

在高性能原位鋁基納米複合材料製備方面仍存在尚未突破的國際性難題: 生成的顆粒形態和大小不易控制,亞微米級尚能達到,納米級難以達到; 生成的納米顆粒體積分數大於3％ 時,納米顆粒易團聚; 反應時間較長,反應不徹底,中間相多.因此,原位反應製備技術尚需進一步完善和創新.

針對傳統反應合成技術製備原位鋁基複合材料存在的問題及上述國際性難題,作者所在課題組尋求新思路,從基於交變電磁場、高能超聲場及聲磁耦合場調控和促進原位合成反應出發,深入探討磁場或超聲場作用與原位增強體的形成和生長規律、原位鋁基複合材料的微觀組織和性能的關係;同時,建立相關模型和動力學方程,具有重要的理論意義和工程應用價值.

此外,原位鋁基複合材料的成型與加工也是決定其應用的關鍵技術之一.原位鋁基複合材料由高硬度的增強體分布於軟基體鋁上而構成,其塑性成型加工性差,形狀複雜的構件難以成型加工,這在很大程度上限制了它的應用.

為解決這一問題,用近終形成型方法來生產原位鋁基複合材料構件,不但可節省原材料,還可大幅度降低成本.近終形成型方法的關鍵是超塑性變形,但傳統超塑性成型時應變速率太低(10-5~10－3s－1),不利於批量生產,發展應變速率大於10－2s－1的高應變速率超塑(HSRS )成型可大幅度地提高生產效率.因此,高應變速率( ＞10－2s－1)超塑性成型是近年來解決鋁基複合材料因塑性差而難以成型加工及克服傳統超塑性成型中因應變速率低( ＜10－3s－1)而生產率低這一缺點的最佳捷徑,並成為原位鋁基複合材料和先進位造交叉的高科技前沿領域中的研究熱點.

原位鋁基複合材料的凝固過程由於增強體的存在而使基體鋁的凝固過程變得更加複雜,現有的金屬凝固理論顯然並不適用:增強體的產生,其凝固過程中的溫度場和濃度場、晶體生長的熱力學和動力學過程都會發生變化;流體的流動行為、溶質的再分配規律以及凝固體的組織形態也有相應的變化.對於內生顆粒增強鋁基複合材料,其凝固過程中顆粒與基體鋁固/液界面之間的相互作用一直是研究者們關注的焦點.

H.Nakae和 S.Wu 在考慮顆粒與凝固界面接觸時固相的實際生長形態的基礎上,結合固相/液相/顆粒間的潤濕性,提出了界面能模型. Uhlmann 等通過理論分析得出固/液界面推進速度存在一個臨界值vc. Han 和 Hunt 定義了顆粒在複合材料凝固過程的分配係數 k ,其模型較好地解決了顆粒在常規凝固過程中的再分配問題.

原位鋁基複合材料界面、微結構與性能調控

由於界面結構和性能對原位鋁基複合材料的應力與應變分布、導熱、導電及熱膨脹性、載荷傳遞、斷裂都起決定性作用,故用現代分析方法深入研究界面微結構及性能、界面演化規律對複合材料各種性能的影響、界面結構和性能優化與控制途徑以及界面結構的穩定性成為研究的重要方向.

原位鋁基複合材料在模擬環境下服役行為與損傷失效機制

原位鋁基複合材料在航空航天、國防等高技術領域的服役環境大都比較特殊,直接在服役條件下進行材料實驗,不僅無法獲得演變過程的信息和控制因素,而且風險大、試驗費用高且難以實現.開展原位鋁基複合材料在模擬服役環境下服役行為與服役壽命研究,將成為其工程化應用的重要基礎.

當前,由於原位鋁基複合材料是新興高性能金屬基複合材料,國際上尚未見該材料在模擬服役環境下服役行為與服役壽命的研究報道,但可借鑒航空材料模擬服役環境下的可靠性強化試驗進行研究.

在服役過程中,材料的損傷失效是重要的研究內容.對於原位顆粒增強鋁基複合材料,一個關鍵性的問題就是如何確定原位顆粒的尺寸大小以及體積分數,以使增強後的複合材料達到最佳的材料特性.因為一方面原位顆粒極大地提高了材料的楊氏模量、屈服強度等參數;另一方面,原位顆粒充當了材料中空洞成核的中心,在材料變形過程中極大地加速了材料的損傷演化,從而又降低了材料的延展性和斷裂韌度.因此許多研究者非常重視複合材料損傷理論的研究,以改善材料的延展性和斷裂韌性.

但是到目前為止,損傷演化定量描述的模型尚不能令人滿意,主要問題是以應力為基礎或以應變為基礎的模型不能較好地評價細觀損傷演化,也沒有建立細觀損傷與顆粒斷裂之間的定量關係,對微孔形成的細觀損傷機理與宏觀損傷判據研究相互脫節.因此,把斷裂理論建立於細觀損傷演化的動力學基礎上,是研究者關注的熱點課題.在研究損傷演化時,有必要將細觀尺度下的損傷萌生與宏觀尺度下的材料性能的降低結合起來考慮,將細觀損傷過程與宏觀損傷特性結合起來,建立一個合理、可靠而又實用的本構模型對於原位顆粒增強鋁基複合材料的發展和應用意義重大。

本文摘編自趙玉濤著《原位合成鋁基複合材料》（責 編：胡 凱 李涪汁 孫 靜）第1章，內容有刪減。

原位合成鋁基複合材料

趙玉濤 著

北京：科學出版社 2016.08

ISBN 978-7-03-049545-4

近年來，隨著能源環境問題日益凸顯和輕量化設計製造的需求日益迫切，航空航天、軌道交通、節能汽車等高技術領域對原位鋁基複合材料的需求潛力巨大，且對其綜合性能的要求也越來越高。《原位合成鋁基複合材料》較系統、詳細地介紹了原位鋁基複合材料的體系設計、材料開發、製備技術、凝固組織、塑變加工及性能。全書共九章，主要內容包括：原位反應體系的設計與開發、電磁法合成原位鋁基複合材料、高能超聲法合成原位鋁基複合材料、聲磁耦合法合成原位鋁基複合材料、原位鋁基複合材料的凝固組織及界面結構、塑變加工對原位鋁基複合材料組織的影響、原位鋁基複合材料的力學性能、原位鋁基複合材料的磨損性能。內容豐富、新穎，具有系統性和前瞻性，反映了作者團隊二十餘年來在原位鋁基複合材料領域的科研成果。

（本期編輯：安 靜）

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