1、 第 卷第 期 年 月稀有金属与硬质合金 碳化硅颗粒增强铝基复合材料研究现状与展望王行 ，谢敬佩 ，郝世明 ，王爱琴（河南科技大学 材料科学与工程学院 ，河南 洛阳）摘要 ：分别从材料的制备工艺 、性能与应用等方面 ，综述了碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究现状 ，分析了该材料在发展过程中存在的问题 ，并对其未来的发展进行了展望 。关键词 ：铝基复合材料 ；碳化硅颗粒增强 ；制备工艺 ；性能与应用 ；研究现状中图分类号 ： 文献标识码 ：文章编号 ：（）! ， ， ， （ ， ，）： ， ， ， ： ； ； ； ； 前言随着现代科学技术的飞速发展 ，人们对工程材料的要求越来越高 ，比如低密度 、
2、高比强度 、高比刚度 、耐高温 、抗疲劳 、抗腐蚀等一系列优异的物理力学性能 。颗粒增强铝基复合材料正是为了满足上述要求而诞生 。与传统的金属材料相比 ，颗粒增强铝基复合材料不仅兼有金属的高塑性 、高韧性和增强颗粒的高模量 、高硬度 ，同时具有各向同性 ，是研究较多 、潜在应用前景最广的材料之一。碳化硅颗粒增强铝基复合材料 ，其增强体颗粒价格低廉 ，可用常规方法制造加工 ，便于批量生产 ，而且这类复合材料的各向同性 ，克服了纤维增强铝基复合材料在制备过程中出现的因纤维损伤 、纤维与纤维互相接触 、微观组织不均匀等而影响材料性能的缺陷 ，因此有大规模应用的广阔前景 。随着国防工业和航天技术的发展
3、 ，以及成本更低的增强体和制备工艺的不断开发 ，颗粒增强铝基复合材料的应用领域将会越来越广。 制备工艺的研究现状颗粒增强铝基复合材料的强度通常取决于增强颗粒的直径 、间距和体积分数 ，以及基体合金的性能 。除此之外 ，界面结构和增强颗粒分布均匀性对材料的性能也会产生重要影响。目前制备颗粒增强铝基复合材料的方法主要分为固相法和液相法 ：固相法通过粉末冶金法进行固相烧结 ，液相法主要包括压力铸造 、搅拌熔铸 、无压渗透和喷射沉积。表对这几种制备工艺的特点进行了对比 。收稿日期 ：；修订日期 ：基金项目 ：河南省基础与前沿技术基金资助项目 （）通讯作者 ：谢敬佩 （），男 ，教授 ，博导 ，主要从事
4、耐磨材料方面的研究 ，：第 期 王行 ，等 ：碳化硅颗粒增强铝基复合材料研究现状与展望表 碳化硅颗粒增强铝基复合材料制备方法的特点 制备方法增强体体积分数增强体尺寸增强体均匀性界面结合状况微观结构多样性孔隙度力学性能低成本潜力半机械化生产能力工艺成熟性粉末冶金纳米至微米 非常均匀 良好 很小 压力铸造 左右 一般 一般 很小 搅拌熔铸 一般 一般 左右 无压渗透纳米至微米 非常均匀 良好 较小 喷射沉积微米级 宏观不均匀 良好 很小 数字 表示定性级别 ，越小的数字代表的级别越高 。 粉末冶金法粉末冶金技术又称为固态金属扩散技术 ，将基体金属粉末和增强颗粒粉末配料混匀 ，于一定的压力温度条件下
5、进行压制及烧结成形 。粉末冶金法具有一些独特的优点 ，如可任意调节增强相的体积分数 （最高可达），较准确地控制成分比 ，且其增强颗粒的粒径在纳米范围内可调 。此外 ，粉末冶金工艺的烧结温度较低 ，可有效减轻增强体与基体间的有害界面反应 ，制得的复合材料具有良好的力学性能 。但是粉末冶金法也存在一些弊端 ，如制造出来的复合材料一般均存在孔洞率较大 、内部组织不均匀的现象 ，因此需要进行二次塑性加工以提高其性能 ；原材料和设备成本高 ，须在密封 、真空或者保护性气氛下进行 ，对设备要求较高 ；制备的零件结构和尺寸受到一定的限制 ，制备周期长 ，生产工艺程序繁琐。目前 ，科研人员竞相研究开发粉末冶金
6、制备工艺 ，开发出了新的方法 机械合金化粉末冶金法 。该法制备的复合材料 ，其增强体颗粒分布均匀 ，粒度在纳米至微米范围内可调 ，增强相的体积分数可高达，与基体的界面结合良好 。此外 ，该法制备的复合材料力学性能优异 ，制备工艺较为成熟 ，但工艺成本较高 。美国公司于年左右采用机械合金化粉末冶金法生产了颗粒增强复合材料 ，并将其制造成各种零件 、管材 、型板和板材 ，这些零部件及结构材料具有很高的比强度 、比模量和耐磨性 ，已用于汽车 、飞机 、航天器等。 压力铸造法将液态或半液态金属基复合材料或金属以一定速度填充压铸模型腔 ，或增强材料预制体的空隙中 ，在压力作用下使其快速凝固成形而制备金属
7、基复合材料的工艺方法 ，即为压力铸造法 。根据制备复合材料过程中施加压力的大小 、施加方式的不同 ，压力铸造法可大致分为挤压铸造法 、离心铸造法 、气体压力渗透铸造法等 。目前 ，生产应用中使用较多的是挤压铸造法 ，其具体方法是 ：首先把碳化硅颗粒增强相以适当的粘结剂粘结制成预制块 ，然后装入铸模 ，浇入精炼的铝基体金属熔体 ，并立即加压使熔融的金属熔体浸渗到预制块中 ，凝固之后即得碳化硅颗粒增强铝基复合材料。压力铸造法的主要优点是 ：可大批量制造颗粒增强铝基复合材料的零部件 ，成本低 ；浸渗时熔体与增强材料在高温下接触时间短 ，避免了界面反应产物对复合材料的不利影响 ；高压作用促进了熔体对增
8、强材料的润湿 ，增强材料无需进行表面预处理 ；所制备材料的组织致密 ，无气孔 。但压力铸造法也存在如下缺点 ：预制件在压力渗透过程中容易崩溃 ，金属熔体不易充分渗入颗粒 ，制备的增强体成形较困难 ，强度不高。 搅拌熔铸法搅拌熔铸的其基本原理是将碳化硅颗粒直接加入基体铝熔体 ，通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属熔体中 ，然后浇铸成形 。这种制备方法的困难在于加入的碳化硅颗粒尺寸较为细小 （一般），与铝熔体浸润性差 ，不易进入和均匀分布于其中 ，故易产生团聚 。此外 ，强烈的搅拌易造成金属熔体的氧化和大量空气的进入 ，使增强体颗粒极易与铝熔体产生严重的化学反应 ，以致二者的界面结合不太理想
9、。与其他方法相比 ，搅拌熔铸法制备的复合材料力学性能较差。 无压渗透法无压渗透法也称工艺 ，是预先将增强稀有金属与硬质合金 第 卷体用粘结剂粘结成预制件并装入金属模具中 ，然后浇注金属熔体 ，利用金属熔体的自重压力和表面压力使其渗入预制件中并凝固成形 。该法因无压力作用 ，熔渗模具容易选择 ，但受熔渗温度 、增强颗粒大小和环境气体种类等因素的影响 ，其推广应用受到了一定的局限 。无压渗透法工艺设备简单 、便于操作 ，金属熔体能较好地浸润增强体的表面 ，从而使二者的界面结合良好 ，但其预制件的临界预热温度很难控制 ，以致产品的力学性能和热性能略低，。 喷射沉积法喷射沉积法是一种新型的凝固技术 ，
10、即将液态金属在高压下雾化 ，并在其流出时将增强颗粒喷射入金属液中 ，两相混合的雾化液体随后在容器中沉积成形 。喷射沉积是一复杂的物理过程 ，其影响因素很多 ，主要包括两方面 ：一是预先设定的参量 ，如导流管直径 、雾化气体种类 、雾化器结构 、基体几何形状等 ；二是在线参量 ，如金属熔体过热度 、液态金属流速 、雾化气体压力 、喷射运动方式 、喷射距离 、基体运动方式等 。喷射沉积法采用不同形状的基体和不同的基体运动方式可获得管坯 、圆柱坯 、带坯等产品 。此法的优点是可直接由液态金属雾化和沉积形成具有快速凝固组织和性能特征及一定形状的坯件 ；保证了增强颗粒在基体中的分布均匀性 ；冷却速度很快
11、 ，避免了增强颗粒与金属基体之间的界面反应 ；对界面的润湿性要求不高 ，晶粒十分细小。而喷射沉积法的不足之处是增强颗粒的利用率低 ，材料制备成本高 。 性能与应用的研究现状颗粒增强铝基复合材料具有一系列优异的物理力学性能 。表对不同工艺所制备的复合材料的力学性能进行了比较 。从中可以看出 ，随着增强相的加入及其体积分数的增加 ，复合材料的屈服强度 、抗拉强度 、弹性模量均有明显提高 ，而延伸率则有所下降 ，即韧性降低 。此外 ，增强相的加入改善了材料内部基体的摩擦阻尼性能 ，使材料具有优异的耐磨性和耐腐蚀性 ，而粉末冶金法制备的复合材料经热挤压后 ，其强度也有较大提高 。颗粒增强铝基复合材料的
12、应用领域非常广阔 ，如航天航空 、军事 、汽车 、电子 、体育等领域 。颗粒增强铝基复合材料按其用途分类 ，可分为结构材料和功能材料两大类 ，其中功能材料又可分为光学级 、仪表级 、电子级材料和耐磨材料 。碳化硅颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航空结构材料 ，如卫星支架 、结构连接件 、管材 、各种型材 、导弹翼 、制导元件 ；制造飞机零部件 ，如起落架支柱龙骨 、纵梁管 、液压歧管 、直升飞机阀零件 ；制造高速旋转扫描镜以及汽车零部件 ，如驱动轴 、刹车盘 、发动机缸套 、衬套表 不同工艺所制备铝基复合材料的力学性能 制备工艺 铝合金 增强体 屈服强度 抗拉强度 延伸率 弹性模量 粉末冶
13、金 喷射沉积 无压渗透 普通铸造 各工艺制备的产品均经过 处理 ，且粉末冶金产品为热挤压态 。第 期 王行 ，等 ：碳化硅颗粒增强铝基复合材料研究现状与展望和活塞 、连杆 、活塞镶圈 ；制造金属镜光学系统 ，如红外探测器 、空间激光镜 ；还可以用来制造微波电路插件 、惯性导航系统的精密零件 、涡轮增压推进器 、电子封装器件 、自行车框架接头等。近些年 ，不少国内外公司开始投入开发碳化硅颗粒增强铝基复合材料的应用领域 。在世纪初 ，颗粒增强铝基复合材料即将成为航空航天 、军工领域举足轻重的新型材料 ，并逐渐应用于民用市场 。美国的复合材料公司 、（先进复合材料公司 ）和铝基复合材料公司等 ，均是
14、国外比较有名的生产金属基复合材料的公司 。国内尚无成规模的这类材料的生产厂家 ，但在这一领域也取得了一定的成果 。随着科学技术的发展 ，材料科学与其他学科的联系也越来越紧密 。除了对传统工艺进行不断简化和降低成本之外 ，还应利用计算机分析和模型设计 ，建立金属基复合材料设计数据库 ，进行生产技术及复合材料的计算机模拟与设计 。此外 ，还需引入生态环境复合材料的概念 ，实现这类材料的可持续发展 。 存在的问题目前 ，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺有多种 ，但是各工艺均各有优劣 ，生产能力也参差不齐 ，要制备出性能优异的碳化硅颗粒增强复合材料还存在一些问题 。如碳化硅颗粒在铝合金熔体中不稳定
15、 ，与合金熔体发生化学反应 ，于界面处生成不稳定化合物 。如何避免在制备过程中发生的各种不利的界面反应以及基体金属的氧化反应 ，将成为今后碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究重点 。同时 ，碳化硅颗粒与铝合金基体润湿性差 ，虽可通过细化碳化硅颗粒来提高材料整体的力学性能 ，但碳化硅颗粒越细 ，团聚现象越严重 ，也会影响复合材料的力学性能 。此外 ，在细化颗粒的同时 ，颗粒表面积增大 ，其表面能也随之升高 ，导致气体易于被吸附进入金属液中。阻碍颗粒增强铝基复合材料发展的主要原因还有制备成本的居高不下 ，以致碳化硅颗粒增强铝基复合材料主要应用于军工国防 、航天航空领域 ，而在民用领域的应用则很有限 。
16、如何优化制备工艺 ，简化工艺流程 ，提高可操作性 ，减少辅助设施 ，尽可能满足近净成形以及回收利用复合材料的技术要求 ，尚需进一步的研究 。 展望颗粒增强铝基复合材料是一门相对较新的材料学科 ，其与现代科学技术和高新技术产业的发展密切相关 ，特别是航天航空 、电子 、汽车以及先进武器系统领域的发展有力地促进了铝基复合材料的迅速发展 。随着生产成本的降低和制备工艺的改善 ，颗粒增强铝基复合材料将逐渐普及到民用领域 ，从单功能材料转向多功能材料 ，从高精尖构件转向普通构件 ，从而在更多特色领域中获得广泛的应用 。目前对于这些新领域的研究 ，正朝商业化生产和应用方向迅速迈进 。阻碍颗粒增强铝基复合材
17、料发展的难点如成本高 、制备工艺复杂等将逐步被攻克。目前 ，世界各国均在竞相研究开发这类复合材料 ，在材料的制备工艺 、微观组织 、力学性能与断裂特性等方面进行了大量基础性研究 ，并取得了显著的成绩 。美国 、日本和欧洲一些发达国家相继进入了颗粒增强铝基复合材料的开发应用阶段 ，建立了工业规模的工厂 ，其产品已广泛应用于航空航天 、军工 、汽车 、电子 、运动器械等领域 。作为世纪最有潜力的工程材料 ，碳化硅颗粒增强铝基复合材料将会在更广泛的领域取得应用 ，除了显著的军事效益外 ，还将带来可观的经济效益和社会效益 。参考文献 ：欧阳柳章 ，罗承萍 ，隋贤栋 ，等复合材料的制造及新动向 铸造 ，
18、（）：崔朝英复合材料的制备方法及研究方向沈阳电力高等专科学校学报 ，（）：杨国英 ，陈建华 ，任智森颗粒增强铝基复合材料的研究进展 轻合金加工技术 ，（）：樊建忠 ，桑吉梅 ，石力开颗粒增强铝基复合材料的研制 、应用与发展 材料导报 ，（）： ， ， ，：乐永康 ，张迎元颗粒增强铝基复合材料的研究现状材料开发与应用，（）：张大童 ，李元元 ，龙雁 铝基复合材料研究进展 轻合金加工技术 ，（）： ，金属基复合材料导论北京：冶金工业出版社 ，（下转第页 ）稀有金属与硬质合金 第 卷表 测定方法的精密度实验结果 分析项目钴含量 平均值 电位滴定值 残渣补正 差较低 ，可见本方法精密度较高 ，可满足分
19、析要求 。 结语在分解处理含钴样品时 ，通过将低价态的铬（）、铁 （）、砷 （）氧化为高价态的铬 （）、铁（）、砷 （），将锰 （）氧化为二氧化锰沉淀进行分离除去 ，可以消除电位滴定法测钴时干扰元素的影响 ；同时对二氧化锰沉淀进行洗涤还原 ，并用火焰原子吸收光谱法测其钴含量 ，对电位滴定值加以补偿 ，可得到较好的回收率 。本改进的电位滴定法准确度好 、精密度高 ，能满足复杂物料中常量钴的测定 。参考文献 ：李建雄络合滴定法测钴含量误差分析工业金刚石 ，（）：段 微 微 ，闻 红 芬 ，黄 一 平亚硝基红盐光度法测定 催化剂中钴含量理化检验（化学分册 ），（）：谢丽婷草酸钴中钴的快速测定电位滴定
20、法 江西有色金属 ，（）：符斌 重金属冶金分析 北京 ：冶金工业出版社 ，李君 ，杨玉萍 ，何明 ，等 电位滴定法测钴粉中钴含量 中国硅酸盐学会 全国第五届浮法玻璃及深加工玻璃技术研讨会论文集 檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴（上接第页 ）汤佩钊复合材料及其应用技术重庆：重庆大学出版社 ，王文明 ，潘复生 ，鲁云 ，等 制备 复合材料的研究 现 状 粉 末 冶 金 技 术 ，（）：樊建中 ，姚忠凯 ，杜善义 ，等制备的 复合材料界面结构 中国有色金属学报 ，（）：王武孝 ，袁森 铸造法制备颗粒增强金属基复合材料的研究进展 铸造技术 ，（）：张少卿 ，崔岩 ，宋颖刚 无压浸渗制备的 复合材料的微观组织研究 材料工程 ，（）：边涛 ，潘颐 ，崔岩 ，等 金属基复合材料的自发浸渗制备工艺 材料导报 ，（）：张济山 ，陈国良雾化喷射沉积成形材料制备技术的新进展 北京科技大学学报 ，（）： ， ，（）： 杨国英 ，陈建华 ，任智森颗粒增强铝基复合材料的研制 、应用与发展 轻合金加工技术 ，（）： ， ，： ： ，： ， ， ， ，（）：
