【正文】 材料是人類社會(huì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，社會(huì)的飛速發(fā)展推動(dòng)了新材料的研發(fā)熱 潮，稀土氧化顆粒增前鋁基復(fù)合材料的性能與發(fā)展前景，勢(shì)必引領(lǐng)先進(jìn)材料應(yīng)用領(lǐng)域的革命。氧化顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的多元化的研究應(yīng)用與發(fā)展，使其人類生活越來(lái)越優(yōu)越，其在航空航天、軍工、汽車、電子以及體育器械等方面的應(yīng)用也得到的了認(rèn)可和肯定。稀土氧化顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料材料作為 21世紀(jì)的先進(jìn)材料，具有優(yōu)異的性能，與此同時(shí)原材料資源豐富，相比較而言成本較低，在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)被世界各個(gè)國(guó)家受到普遍的重視與研究。 結(jié) 論 隨著當(dāng)今社會(huì)科技的飛速發(fā)展，人類對(duì)于材料的需求越來(lái)越多，同時(shí)對(duì)于材料的性能以及要求也越來(lái)越嚴(yán)格與苛刻。 Choi等 [12]也曾利用 Al粉、 Ti粉和 C纖維的 SHS反應(yīng)制備了原位 TiC短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 27 合材料。 SHS技術(shù)的特點(diǎn)是在無(wú)需外加熱源的情況下，利用高放熱化學(xué)反應(yīng)的熱量使其在引發(fā)后自身延續(xù)合成材料，節(jié)能、粉末純度高、粒徑細(xì)小、活性高以及易于燒結(jié)并能獲得高性能的材料。原位反應(yīng)合成技術(shù)包括幾種方法，下面將簡(jiǎn)單的介紹 自蔓延高溫合成法（ SHS）和放熱彌散法（ XDTM）兩種方法。界面潔凈、無(wú)污染，結(jié)合強(qiáng)度高。原位反應(yīng)合成鋁基復(fù)合材料不受增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)限制，增強(qiáng)體的設(shè)計(jì)自由度大。 原位反應(yīng)和成法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其基本原理是：在 一定的條件下，通過(guò)元素之間或者元素與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強(qiáng)相，從而達(dá)到強(qiáng)化金屬基體的目的，此工藝由于增強(qiáng)體是從金屬基體中原位形核。英國(guó)Loughbough技術(shù)大學(xué)在研究石墨增強(qiáng)鋁合金用于上產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和軸承的可能性時(shí)就采用了這種工藝方法。本節(jié)會(huì)只要介紹噴射共沉積工藝。 （ 4）高能高速成形方法對(duì)制造復(fù)合材料具有獨(dú)特的優(yōu)越性，例如，在制造鋼 鈦復(fù)合金屬板中，采用爆炸成形瞬間即可完成。所以得到的零件精度高，表面質(zhì)量好。這些特殊的成形工藝不僅賦予了成形后的材料特殊的性能，而且與常規(guī)成形方法相比還有以下特點(diǎn)： （ 1）高能高速成形幾乎不需模具和工裝以及沖壓設(shè)備，僅用凹模就可以實(shí)現(xiàn)成形。其制備復(fù)合材料的原理是在短時(shí)間內(nèi)供給高能量、高速的的金屬和增強(qiáng)顆粒的混合物，使其固結(jié)而形成復(fù)合材料。高能高速成形的歷史可追溯到 100多年前，但由于成本太高及當(dāng)時(shí)工業(yè)發(fā)展的局限，該工藝在當(dāng)時(shí)并未得到應(yīng)用。該工藝成功的解決了顆粒分布均勻性和界面結(jié)合問(wèn)題，可制備高性能、高質(zhì)量的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。在粉末冶金法的開發(fā)的機(jī)械合金化法實(shí)質(zhì)也是一種粉末冶金的工藝，只是它在條件控制、工藝等方面比粉末冶金法要求更高。因此，粉末冶金法不利于大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。另外，制得的的復(fù)合材料坯件一般還需要二次成型。使用粉末冶金法制得的產(chǎn)品具有界面反應(yīng)少，增強(qiáng)相的含量可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且增強(qiáng)相分布均勻，性能穩(wěn)定可進(jìn)行傳統(tǒng)的機(jī)械加工，綜合強(qiáng)度水平比用熔融金屬工藝生產(chǎn)的同種材料的高，伸長(zhǎng)率也較高，材料微觀組織結(jié)構(gòu)有所改善。 （ 1） .粉末冶金法：粉末冶金是制備高熔點(diǎn)難成型金屬材料的傳統(tǒng)工藝，同時(shí)它也是最早開發(fā)用于制備顆粒金屬基 復(fù)合材料的工藝。 、高速高能工藝都屬于固態(tài)法，固態(tài)法中的粉末冶金制備工藝是最早應(yīng)用于復(fù)合材料的開發(fā)的。因而，制備過(guò)程中，還應(yīng)該注意尋找顆粒與基體最佳界面結(jié)合狀態(tài)，以使兩者發(fā)揮最佳的相容性。因次，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)念w粒、基體組合、控制反應(yīng)溫度、調(diào)整改善顆粒表面的潤(rùn)濕性，把界面反應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。但過(guò)度的界面反 應(yīng)使得界面脆弱，嚴(yán)重降低了擦了的性能。 總體而言，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能包括高比強(qiáng)度、比強(qiáng)度、彈性模量、耐磨性、線性膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好、高溫性能穩(wěn)定、疲勞性和斷韌性好、不老化以及氣密性還、二次加工性能較好 流動(dòng)性 影響曲線如圖 310所示 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 24 圖 310 復(fù)合材料的流動(dòng)性影響曲線 制備溫度下，顆粒與鋁液之間常常發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的產(chǎn)物對(duì)界面性能有很大的影響。對(duì)于弱強(qiáng)度結(jié)合的界面，容易發(fā)生界面脫離，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的最大缺點(diǎn)在于延伸率低，造成其延伸率低的主要原因是由于復(fù)合材料的斷裂方式與基體不同。制備技術(shù)的不同將導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的差異，如亞晶粒和位錯(cuò)密度的大小 等也會(huì)影響材料的強(qiáng)度。強(qiáng)度問(wèn)題的復(fù)雜性來(lái)源于組分的各向異性、不規(guī)則分布和不同的破壞模式，包括增強(qiáng)體的種類、含量和均勻分布程度，基體合金的種類和熱處理狀態(tài)，界面結(jié)合的性質(zhì)和強(qiáng)弱，裂紋生長(zhǎng)的干預(yù)等。協(xié)同效應(yīng)反映了組分材料的原位特性，即各組分單獨(dú)存在時(shí)的性能不能表征組成復(fù)合材料后的性能。強(qiáng)化機(jī)制對(duì)材料性能的影響程度應(yīng)根據(jù)材料的種類和不同的變形階段來(lái)確定，因此很難進(jìn) 行精密和準(zhǔn)確的分析。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)， %SiC顆粒增強(qiáng) ZL101基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度以及彈性模量都要遠(yuǎn)比 ZL101要高了很多。由于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中鋁或鋁合金的含量較高，體積分?jǐn)?shù)一般在 80%90%[3]，因此，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材具有良好的導(dǎo)熱性。因此，基體和增強(qiáng)體的選擇對(duì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能起到?jīng)Q定性因素。根據(jù)研究結(jié)果表明 [2]，顆粒的直徑、間距以及體積分?jǐn)?shù)之間必須滿足下列關(guān)系式，否則顆粒將不存在任何強(qiáng)化作用。如果位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到增強(qiáng)顆粒的阻礙，就會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，從而使增強(qiáng)顆粒受到一個(gè)較大的應(yīng)力。 (i) 780℃ 。 (g) 760℃ 。 (e) 740℃ 。 (c) 720℃ 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 21 圖 36 不同澆注溫度對(duì)復(fù)合材料流動(dòng)性影響 (a) (c) (d) (b) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 22 (a) 700℃ 。DP=(2dP/3VP)1/2(1VP) （ 1）式中： DP為顆粒之間的間距； dP為顆粒的直徑； VP為顆粒的體積分?jǐn)?shù)。塞積位錯(cuò)越多，該應(yīng)力就越大。在外加剪切應(yīng)力 σ的作用條件下，當(dāng)基體金屬中的位錯(cuò)所受到的力達(dá)到臨界應(yīng)力而發(fā)生運(yùn)動(dòng)，即基體金屬發(fā)生塑形變形。 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)的機(jī)理 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是以純鋁或鋁合金為基體，復(fù)合添加一定的顆粒增強(qiáng)相而成的。它們消耗能量，提高了材料的韌性。大部分軟質(zhì)顆粒是優(yōu)良的潤(rùn)滑體，軟質(zhì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有良好的耐磨性和減振性能 [1]。一種是硬質(zhì)的陶瓷顆粒，加入到鋁合金基體中可顯著提高材料的硬度、耐磨度、抗變形能力和熱膨脹性能。 (a) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (b) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 20 (g) 770℃ 。 (e) 740℃ 。 (c) 720℃ 。 (j) 700℃ 圖 34 溫度下的增強(qiáng)基體鋁基顆粒的金相組織 (c) (d) (e) (f) (i) (g) (h) (j) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 19 (a) 700℃ 。 (h) 770℃ 。 (f) 750℃ 。 (d) 730℃ 。 (b) 710℃ 。圖 34 為不同 溫度下 的 增強(qiáng)基體鋁基顆粒的金相組織 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 17 圖 33 復(fù)合材料流動(dòng)性測(cè)試結(jié)果如圖 從圖 33 可以看出，隨著 溫度的升高， 鋁基材料的增強(qiáng)基體顯著提高，當(dāng) 溫度從 700℃提高到 720℃ 時(shí)， 試樣的長(zhǎng)度由 316mm增加到 601mm ， 流動(dòng)性大大提高，當(dāng)溫度從 730℃升高到 750℃時(shí)，流動(dòng)性試樣長(zhǎng)度反而縮短，當(dāng)溫度從 750℃升高到 780℃時(shí)，流動(dòng)性試樣長(zhǎng)度又顯著增加。 溫度分別為700℃、 710℃、 720℃、 730℃、 740℃、 750℃、 760℃、 770℃、 780℃ 9個(gè)溫度區(qū)間下，研究對(duì) ZL101復(fù)合材料流動(dòng)性的影響。天然的植物纖維和礦物纖維、片材和顆粒也用來(lái)作增強(qiáng)體，但僅適合于低性能的復(fù)合材料。二維的布和氈也是常用的增強(qiáng)體，其中玻璃、碳以及芳綸都有。 圖 32增強(qiáng)體 按屬性來(lái)分則有無(wú)機(jī)增強(qiáng)體和有機(jī)增強(qiáng)體，其中有合成的也有天然的。 圖 31 AlSi基體 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 16 增強(qiáng)基體 增強(qiáng)體為復(fù)合材料中承受載荷的組分按幾何形狀來(lái)分，增強(qiáng)體有零維的顆粒狀、一維的纖維狀、二維的片狀和三維的立體結(jié)構(gòu)。 （ 2）根據(jù)金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)選用不同類型的增強(qiáng)材料對(duì)基體材料的選擇有較大影響。基體材料成分的正確選擇，對(duì)能否充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強(qiáng)物的性能特點(diǎn)，獲得預(yù) 期的優(yōu)異綜合性能滿足使用要求十分重要?；w的作用是：固結(jié)增強(qiáng)體、傳遞和承受載荷、賦予復(fù)合材料以特定的形狀。所以一般選擇使用高強(qiáng)度的鋁合金為基體。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 15 基體 基體基本上按原材料的類別區(qū)分，即高聚物（樹脂）基、金屬基、陶瓷基、玻璃與玻璃陶瓷基、碳基（包括石墨基）和水泥基等。本實(shí)驗(yàn)采用的維氏硬度計(jì)為 HVS30Z/LCD 型維氏硬度計(jì)。 測(cè)量試樣的維氏硬度 將球磨 1 小時(shí)、 900℃ 燒結(jié)， 分別經(jīng) 200MPa、 300MPa、 200MPa 和 500MPa壓制壓力成型的試樣在維氏硬度計(jì)上測(cè)量其維氏硬度，并記錄數(shù)據(jù)。此過(guò)程采用的實(shí)驗(yàn)儀器為德國(guó) Axio ，該顯微鏡由光學(xué)系統(tǒng)、反射光照明器、聚 焦系統(tǒng)、物鏡轉(zhuǎn)換器、觀察筒和載物臺(tái)等部分組成，蔡司光學(xué)顯微鏡可以在 50X、 100X、 200X、 500X 和 1000X 下觀察金相組織并拍攝圖像，同時(shí)可進(jìn)行金相組織的分析，如：相面積含量測(cè)定、晶粒度的測(cè)定及評(píng)級(jí)、第二相的數(shù)量等。拋光膏的均勻性及用量也應(yīng)特別注意，防止拋光膏嵌在試樣的表面。拋光過(guò)程所用的實(shí)驗(yàn)器材主要有 P1 型金相試樣拋光機(jī)、粗、精拋光布；拋光粉；拋光膏等。所分析試樣既可以研究壓制壓力對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響，也可以分析球磨時(shí)間對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響。至 +154176。 表 24 X 射線衍射試樣燒結(jié)條件控制 球磨時(shí)間 1h 2h 4h 壓制壓力 200MP 300MP 400MP 500MP 將上述燒結(jié)好的試樣進(jìn)行標(biāo)記，試樣圖片及標(biāo)號(hào)說(shuō)明如圖 22 所示。將 200MPa、 300MPa、 400MPa、 500MPa 壓力壓制成型、采用手工混粉和球磨混粉的所有試樣，分別放在經(jīng)預(yù)先升溫至 900℃ 的 管形電阻爐中保溫一個(gè)小時(shí)，然后在空氣中冷卻，此試樣用于做壓制壓力對(duì) Al2O3P/Al 復(fù)合材料燒結(jié)組織的分析，試樣的壓制壓力與混粉方法如表 23 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 13 燒結(jié) 此步驟為制取所需試樣最為重要的環(huán)節(jié)，在燒結(jié)過(guò)程中鋁基體與氧化銅顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一系列的中間相后得到穩(wěn)定相，是