铝基复合材料由于具有低密度、高比强度、高比模量以及良好的耐磨损性能等优异的综合性能而被誉为21世纪最具有竞争力的绿色工程材料之一,特别是原位反应合成技术(in-situ reactive synthesis )制备的原位铝基复合材料,由于增强颗粒是从基体中形核长大的,具有热稳定性好、颗粒细小、分布均匀、与基体结合良好等优点,弥补了外加增强颗粒尺寸大、界面结合性差等一系列缺点,因此日益受到国内外研究的重视,在航空航天、国防及先进制造业等高新技术领域展现出广阔应用前景.

国外已出现工业化生产的铝基复合材料,并成功应用于 F-16战斗机腹鳍、波音777和空客 A380等大型客机的发动机风扇导流叶片,压气机静子的叶片,高速列车的制动盘,轻型高效节能汽车发动机缸体、缸盖、轮毂以及高性能计算机热控元件的芯片等.

我国开展铝基复合材料的研究工作开始于20世纪80年代初,目前,在基础理论方面取得了不少成果,但在实际应用方面还处于试验阶段.未来10~30年是我国大飞机、高铁以及轻型节能汽车等制造业的高速发展时期,对高性能、低成本原位铝基复合材料的需求十分迫切和巨大.

原位铝基复合材料的体系设计与模拟计算

高性能原位铝基复合材料的体系设计与模拟计算,涉及颗粒的种类、形状、尺寸、含量和在基体中的分布以及颗粒/基体界面结构特征等.由于原位铝基复合材料是通过适当的反应剂(气相、液相或粉末态固相),在适当的温度下,借助于基体铝合金和它们之间的化学反应而制备的,因此,反应体系是决定原位复合材料性能、制备难易程度及成本的重要因素.其选取准则包括以下几方面:

① 生成增强体的性能; ② 增强体的形态控制难易程度; ③ 增强体与基体的界面情况; ④ 反应的剧烈程度及起始反应温度; ⑤ 反应物来源及价格等.原位反应合成所产生的增强相主要为氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和金属间化合物,常见的几种为 Al_２O_３、 MgO、AlN、TiC、ZrC、TiB_２、ZrB_２、Al_３Ti、Al_３Zr 等.铝基原位合成反应主要分为直接合成反应、氧化物还原反应、无机盐反应及催化反应四类,目前原位铝基复合材料的合成体系主要有 Al-Ti-B 、Al-Ti-C 、Al-Ti-B-O 、Al-Zr-B 、Al-Zr-O 、Al-Zr-B-O 等.

由于原位铝基复合材料中增强体的空间配置模式、增强体/基体界面结构涉及多组元、多尺度,十分复杂,目前还没有建立原位铝基复合材料的设计理论与模拟计算方法.已有研究表明:增强体的种类、尺寸、含量和分布是原位铝基复合材料设计的关键因素,减小增强体尺寸或增加其含量均有利于提高复合材料的屈服强度,其机理可用Ashby 的应变梯度理论进行解释.

随着铝基复合材料的应用向重要承载结构推广,延伸率与断裂韧性成为研究工作的重点.复合材料在受载过程中,在界面附近产生应力集中导致颗粒开裂,之后裂纹向基体中扩展并相互连接,成为制约复合材料塑韧性提高的关键因素. Song 等利用 Weibull 分布与 Eshelby 模型,建立了颗粒尺寸和含量与延伸率及断裂韧性模型,可较好地描述颗粒与性能的关系.

原位铝基复合材料的制备与成型加工技术

近二十年来,国内外关于原位铝基复合材料已有大量的研究报道,原位合成制备技术发展迅速,总结概括起来主要有放热弥散法(XD^TM法)、气液反应合成法(VLS 法)、自蔓延高温合成法(SHS 法)、混合盐反应法( LSM 法)、机械合金化合成法( MA )和熔体直接反应法( DMR 法)等.

其中,熔体直接反应法因具有工艺简单、成本低、周期短、易于工业化生产等优点,而被认为是最有希望实现工业化应用的新技术.但是,目前这种新技术还很不完善,主要表现在以下方面:

①反应体系少,大多集中在 Al-Ti-X( Al-Ti-O 、 Al-Ti-B 、 Al-Ti-C )系; ②起始反应温度高,常常高于900℃ ,甚至超过1000℃ ,恶化铝液; ③颗粒的形成与生长机制涉及甚少,主要集中在颗粒的相鉴别及形貌观察上; ④颗粒与基体界面结构的研究还不全面,大多文献集中在界面形貌观察上,而对颗粒与基体是否存在一定的位向关系、界面原子的模拟排列与匹配计算及界面区附近位错的定量分析等问题研究甚少; ⑤超塑性及高温蠕变性能的研究还很少,多数集中在室温拉伸性能的研究上; ⑥耐磨性的研究还鲜见报道.

在高性能原位铝基纳米复合材料制备方面仍存在尚未突破的国际性难题: ①生成的颗粒形态和大小不易控制,亚微米级尚能达到,纳米级难以达到; ②生成的纳米颗粒体积分数大于3％ 时,纳米颗粒易团聚; ③ 反应时间较长,反应不彻底,中间相多.因此,原位反应制备技术尚需进一步完善和创新.

针对传统反应合成技术制备原位铝基复合材料存在的问题及上述国际性难题,作者所在课题组寻求新思路,从基于交变电磁场、高能超声场及声磁耦合场调控和促进原位合成反应出发,深入探讨磁场或超声场作用与原位增强体的形成和生长规律、原位铝基复合材料的微观组织和性能的关系;同时,建立相关模型和动力学方程,具有重要的理论意义和工程应用价值.

此外,原位铝基复合材料的成型与加工也是决定其应用的关键技术之一.原位铝基复合材料由高硬度的增强体分布于软基体铝上而构成,其塑性成型加工性差,形状复杂的构件难以成型加工,这在很大程度上限制了它的应用.

为解决这一问题,用近终形成型方法来生产原位铝基复合材料构件,不但可节省原材料,还可大幅度降低成本.近终形成型方法的关键是超塑性变形,但传统超塑性成型时应变速率太低(10^-5 ~10^－3s^－1 ),不利于批量生产,发展应变速率大于10^－2s^－1的高应变速率超塑(HSRS )成型可大幅度地提高生产效率.因此,高应变速率( ＞10^－2s^－1 )超塑性成型是近年来解决铝基复合材料因塑性差而难以成型加工及克服传统超塑性成型中因应变速率低( ＜10^－3s^－1 )而生产率低这一缺点的最佳捷径,并成为原位铝基复合材料和先进制造交叉的高科技前沿领域中的研究热点.

原位铝基复合材料的凝固过程由于增强体的存在而使基体铝的凝固过程变得更加复杂,现有的金属凝固理论显然并不适用:增强体的产生,其凝固过程中的温度场和浓度场、晶体生长的热力学和动力学过程都会发生变化;流体的流动行为、溶质的再分配规律以及凝固体的组织形态也有相应的变化.对于内生颗粒增强铝基复合材料,其凝固过程中颗粒与基体铝固/液界面之间的相互作用一直是研究者们关注的焦点.

H.Nakae和 S.Wu 在考虑颗粒与凝固界面接触时固相的实际生长形态的基础上,结合固相/液相/颗粒间的润湿性,提出了界面能模型. Uhlmann 等通过理论分析得出固/液界面推进速度存在一个临界值v _c . Han 和 Hunt 定义了颗粒在复合材料凝固过程的分配系数 k ,其模型较好地解决了颗粒在常规凝固过程中的再分配问题.

原位铝基复合材料界面、微结构与性能调控

由于界面结构和性能对原位铝基复合材料的应力与应变分布、导热、导电及热膨胀性、载荷传递、断裂都起决定性作用,故用现代分析方法深入研究界面微结构及性能、界面演化规律对复合材料各种性能的影响、界面结构和性能优化与控制途径以及界面结构的稳定性成为研究的重要方向.

利用高分辨率电子显微( HRTEM 与 HRSEM )分析可得到界面的直观图像,再与成分分析( EDS 与 nanoＧProb )的信息配合,可很好地研究界面的原子结构、化学键合、缺陷结构,分析界面几何结构与界面能量的关系;阐明界面的原子结构、物理化学特性与材料性能之间的关系等,并为复合材料的研究、改善材料性能及延长材料的使用寿命提供理论依据.

原位铝基复合材料在模拟环境下服役行为与损伤失效机制

原位铝基复合材料在航空航天、国防等高技术领域的服役环境大都比较特殊,直接在服役条件下进行材料实验,不仅无法获得演变过程的信息和控制因素,而且风险大、试验费用高且难以实现.开展原位铝基复合材料在模拟服役环境下服役行为与服役寿命研究,将成为其工程化应用的重要基础.

当前,由于原位铝基复合材料是新兴高性能金属基复合材料,国际上尚未见该材料在模拟服役环境下服役行为与服役寿命的研究报道,但可借鉴航空材料模拟服役环境下的可靠性强化试验进行研究.

在服役过程中,材料的损伤失效是重要的研究内容.对于原位颗粒增强铝基复合材料,一个关键性的问题就是如何确定原位颗粒的尺寸大小以及体积分数,以使增强后的复合材料达到最佳的材料特性.因为一方面原位颗粒极大地提高了材料的杨氏模量、屈服强度等参数;另一方面,原位颗粒充当了材料中空洞成核的中心,在材料变形过程中极大地加速了材料的损伤演化,从而又降低了材料的延展性和断裂韧度.因此许多研究者非常重视复合材料损伤理论的研究,以改善材料的延展性和断裂韧性.

但是到目前为止,损伤演化定量描述的模型尚不能令人满意,主要问题是以应力为基础或以应变为基础的模型不能较好地评价细观损伤演化,也没有建立细观损伤与颗粒断裂之间的定量关系,对微孔形成的细观损伤机理与宏观损伤判据研究相互脱节.因此,把断裂理论建立于细观损伤演化的动力学基础上,是研究者关注的热点课题.在研究损伤演化时,有必要将细观尺度下的损伤萌生与宏观尺度下的材料性能的降低结合起来考虑,将细观损伤过程与宏观损伤特性结合起来,建立一个合理、可靠而又实用的本构模型对于原位颗粒增强铝基复合材料的发展和应用意义重大。

本文摘编自赵玉涛著《原位合成铝基复合材料》（责 编：胡 凯 李涪汁 孙 静）第1章，内容有删减。

原位合成铝基复合材料

赵玉涛  著

北京：科学出版社  2016.08

ISBN  978-7-03-049545-4

近年来，随着能源环境问题日益凸显和轻量化设计制造的需求日益迫切，航空航天、轨道交通、节能汽车等高技术领域对原位铝基复合材料的需求潜力巨大，且对其综合性能的要求也越来越高。《原位合成铝基复合材料》较系统、详细地介绍了原位铝基复合材料的体系设计、材料开发、制备技术、凝固组织、塑变加工及性能。全书共九章，主要内容包括：原位反应体系的设计与开发、电磁法合成原位铝基复合材料、高能超声法合成原位铝基复合材料、声磁耦合法合成原位铝基复合材料、原位铝基复合材料的凝固组织及界面结构、塑变加工对原位铝基复合材料组织的影响、原位铝基复合材料的力学性能、原位铝基复合材料的磨损性能。内容丰富、新颖，具有系统性和前瞻性，反映了作者团队二十余年来在原位铝基复合材料领域的科研成果。

（本期编辑：安 静）

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