铝基复合材料
内容摘要
本次原位铝基纳米复合材料课程设计主要包括四个任务，即原位铝基纳米复合材料在国内外的应用和研究现状，原位铝基纳米复合材料的制备技术，原位铝基纳米复合材料的性能（其中包括力学性能，磨损性能，热学性能，和蠕变性能）以及原位铝基纳米复合材料制备及应用中存在的关键技术问题。
目录
一.原位铝基纳米复合材料的国内外应用及研究现状 (3)
1.1 原位铝基复合材料的定义 (3)
1.2 原位铝基纳米复合材料在国内外的应用 (3)
1.3 原位铝基纳米复合材料的研究现状 (4)
二.原位铝基纳米复合材料制备技术 (5)
2.1气-液反应制备工艺 (5)
2-2 固-液反应制备工艺 (7)
2-3固-固反应制备工艺 (7)
三. 原位铝基纳米复合材料的性能 (8)
3.1 力学性能 (8)
3.2 磨损性能 (9)
3.3 热学性能 (12)
3.4 蠕变性能 (16)
四.原位铝基复合材料制备及应用中存在的关键技术问题 (17)
参考文献 (17)
一.原位铝基纳米复合材料的国内外应用及研究现状
1.1 原位铝基复合材料的定义
复合材料(composite materials)是由两种或两种以上的材料通过先进的材料制备技术组合而成的性能优异的新材料。一般来说，复合材料由基体和增强材料组成。它既能保留原组成材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能。[1]
金属基复合材料(MMCs)是以金属或合金为基体，以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或陶瓷颗粒组合为增强相的非均质混合物。在金属基复合材料中，铝基复合材料具有更高的比强度、比模量和低的热膨胀系数，尤其是弥散增强的铝基复合材料，不仅具有各向同性特征，而且具有可加工和价值低廉的优点。在金属基复合材料制备过程中，往往会遇到增强材料与金属基体之间的相容性问题。如果增强体能从金属基体中直接原位生成，则相容性问题可以得到很好的解决。因为原位生成的增强体与金属基体界面结合良好，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强体之间的润湿和界面反应等问题。[2]
原位铝基复合材料,是利用混合体中组分之间的化学反应,生成一种或多种高硬度和高熔点增强相,均匀分布于铝合金基体上,达到强化基体的作用。由于增强相是反应合成的,内生于基体之中,因而具有许多外加强化相强化铝基复合材料所不具有的独特优点[3]：
1) 增强体在铝基体上原位形核、长大,具有强界面结合、良好的相容性。
2) 通过选择反应物来控制增强相种类、大小和数量,并可以通过工艺来控制其大小和分布,不易出现增强相的团聚或偏析。
3) 省去了增强物的预处理,简化了工艺流程,成本也相对降低。
4) 增强相颗粒细小,往往处于微米级或微米以下,能保证铝基复合材料不但有良好的韧性和高温性能,而且有很高的强度和弹性模量。
5) 能与铸造工艺结合,直接制造出形状复杂、尺寸变化大的近终形产品。
1.2 原位铝基纳米复合材料在国内外的应用
在航空航天方面，A356和A357／SiC颗粒增强铝基原位复合材料可制造飞机液压管，直升飞机支架和阀体。2099铝合金+25％SiC材料可以制造火箭发动机零件。美国DWA特种复合材料公司用f(SiCp)25％增强6061铝合金基复合材料代替7075铝合金生产宇航结构导槽、角材，其密度下降了17％，用A357合金+f(SiC)20％可以制造坦克火力控制镜的基片和导弹机翼。在汽车制造方面，几乎所有的欧美汽车制造厂，在研究采用金属基复合材料制造制动盘、制动鼓。国内已将铝基复合材料应用于刹车轮，使其重量减少了30％～60％，
且导热性大大改善。颗粒增强铝基原位复合材料还可用于制造自行车、医疗器具、运动器械等其他高性能要求的零部件。尤其现在研究较多的碳化硅颗粒增强铝基复合材料性能优异，用作功能材料，可望在机械、冶金、建材、电力等工业部门得到更广泛的应用。[4]
1.3 原位铝基纳米复合材料的研究现状
铝基复合材料的研究开始于上世纪50年代。近20年来，从理论上、技术上都取得了较大成就。第一代铝基复合材料用于受力不大的简单零件，如方向舵，减轻重量约20%；第二代铝基复合材料用于机翼、垂直安定面等受力较大的零件，可减轻重量约30%；第三代铝基复合材料用于机身，可减轻重量约50%。现今铝基复合材料已广泛用于航空航天、汽车和休闲物品。
铝基纳米复合材料的密度一般在2.8g/cm3左右，基本上与一般铝合金相当，比钢低2/3，同等几何尺寸的零件，其重量仅为钢制品的1/3左右；颗粒增强的铝基纳米复合材料，其强度在400-700MPa，与一般结构钢相当；颗粒增强的铝基纳米复合材料弹性模量E约为80-140GPa，其比刚度（E/P）比一般铝合金高约60%，是钢铁材料的1.5-2倍。
近年来，国内外科研工作者对CNTs／A1基复合材料的制备工艺、性能、组织结构等多方面内容进行了广泛而深入的研究，在CNTs对铝基体力学性能、耐磨性、电学性能、热稳定性等方面影响进行了探讨，极大推进了CNTs／A1基复合材料的研究和应用进程。例如，成会明等[5]通过在室温下冷压成型后再真空热压处理的工艺制备了CNTs／A1基复合材料，当热压温度为380℃时，复合材料硬度可达2．21GPa，是纯铝金属的15倍左右，比相同条件下热挤压的铝块硬度高36．4％。An等[6]采用热压法制备的CNTs／Al复合材料显示出良好的减磨抗磨效果。Kuzumaki等[7]用粉末冶金法经热压一热挤压工艺制备的CNTs／Al复合材料经873K退火50h和100h后，抗拉强度和延伸率分别保持在80MPa和25％左右不变，表现出良好的热稳定性；而相同处理条件下纯铝的抗拉强度由85MPa降至47MPa，延伸率从40％提高到80％。Xu等[8]
用热挤压法制备的CNTs／Al复合线材显示出优越的低温导电性能。Zhou等[9]采用无压渗透法制备的20％CNTs／A1基复合材料布氏硬度为170并显示出良好的耐磨性。George等[10]通过粉末冶金法制备的MWNTs／A1复合材料达到了抗拉强度150MPa、屈服强度99MPa、杨氏模量85．85GPa的性能，SWNTs／K2ZrF6／A1达到了抗拉强度181MPa、屈服强度98．7MPa、杨氏模量93．7GPa。
目前铝基复合材料的增强相主要是颗粒、晶须（短纤维）及连续纤维。表1-1[11]列出了铝基复合材料的常用增强相及碳纳米管的性能指标。
由表1-1可知，碳纳米管与其他增强相相比有很多优越的性能，如：其密度较低，满足复合材料轻量化要求；其抗拉强度与弹性模量很高，对于提高复合材料的力学性能有一定帮助。此外，碳纳米管还具有十分优越的性能，为制备高性能的铝基复合材料提供了新的方向。二.原位铝基纳米复合材料制备技术
原位反应生成铝基复合材料发展至今，已逐渐形成几种不同的制备方法和工艺。根据参与合成增强体的两个反应组分的状态，可将现有的制备工艺方法分为气-液，固-液和固-固反应三类。
2.1气-液反应制备工艺
（1）VLS法
VLS法是由Koczak和Kuma等人在1989年发明并申请美国专利的。该法的基本原理是：在高温下，用气体分解得到某种元素，此种元素能与合金液中的某种元素起反应生
成硬质相颗粒，从而制备金属基复合材料。该工艺的具体过程为：先在真空条件下熔炼A1．Ti合金，接着向真空室内充入纯净的氩气(传输介质)，当升高到适当的处理温度后，将纯净的含碳或含氮气体吹入A1．Ti熔体中，由吹入气体分解的碳或氮与合金熔体中的钛反应生成TiC或TiN的增强相[12]。由此可见；VLS法一般包括如下两个过程：
a．气体的分解：
CH4(g)一C(s)+2H2(g)
2NH3(g)-N2(g)+3H2(g)
b．气体与合金的化学反应及增强颗粒的形成：
C(s)+A1．Ti(1)一Al(1)+TiC(s)
N 2(g)+Al-Ti(1)-Al(1)+TiN(s)+AlN(s)
其过程参数包括反应温度、合金元素种类、反应气体成分及浓度等，为了保证上述两过程的顺利进行，一般要求合金熔体温度较高以及气．液两相接触面积尽可能大，并应采取适当措施抑制TiAl3和A14C3等有害化合物的产生[13]。
（2）合金熔体直接氧化法(DIMox。M、．DIMOX(Direct Melt Oxidation)法是由美国的Lanxide公司开发的一种制备金属一陶瓷复合材料新的合成路线。在该方法中，增强相靠熔体的直接氧化而来，即将金属液(如Al，Ti和zr等)在高温下直接暴露于空气中，使其表面氧化生成一层氧化膜，氧化层由于温度梯度而产生裂纹，里层的金属液通过氧化层的微型小缝向上毛细扩散，与氧继续反应，随氧化层厚度增加，金属液的毛细扩散阻力增大，到某一时刻扩散停止，氧化反应也就结束，生成的氧化物即为增强相或为基体[14]。为了保证金属氧化反应的不断进行，Newkirk等人认为，在铝中加入一定量的Mg，
Si等合金元素，可破坏表层A1
20
3
膜的连续性，以保持铝液与已形成的A1
2
3
之间的显微
通道畅通，并可降低液态铝合金的表面能，从而增强生成的A1
20
3
与铝液的相容性，这样
使得氧化反应能不断地进行下去。目前，有关DIMOx法的研究包括A1
20
3
形成的反应动力
学和材料显微组织结构分析等。该法的主要优点是能够形成比较复杂、致密度高的复合材料，其性能可以设计，以满足各种应用对性能的要求[15]。
（3）反应自发浸渗法(spontaneous Infiltration Technique)反应自发浸渗又称无压浸渗(Pressureless Infiltration)，也是由Lanxide公司在1989年提出的专利技术。该工艺是合金熔体在向多孔固体预制体浸渗的同时，金属熔体与预制体反应生成尺寸细小、热稳定性高的陶瓷增强相的工艺。其实质是将基体合金和含增强体组分的原料一起放入可控气氛加热炉中，加热到基体合金液相线以上温度，合金熔体自发浸渗到颗粒层
或预制块中，通过化学反应形成所需要的增强体[16]。在此工艺中，同时存在两个反应过程：一是液态金属在环境气氛的作用下向陶瓷预制件中的渗透；二是液态金属与周围气体反应生成新的增强粒子。Taheri_Nassaj等用TiN、TiCo．3No．7、TiCo．5No．5，TiCo．7No．3与B粉作原料，成功地制备出Al／TiB2复合材料。
（4）反应喷射沉积法(RAD)
该工艺是在DlMOXTM法和喷射沉积工艺的基础上发展起来的。它是利用一个特殊的液体喷射分散装置，在氧化性气氛中，将铝液分散成大量细小的液滴，使其表面氧化生成A1203膜。这些带有A1203膜的液滴在沉积过程中，相互碰撞使表层A1203膜破碎分散，同时内部Al液迅速冷却凝固，从而形成具有弥散分布A1203粒子增强的铝基复合材料129J。该方法主要用于耐磨、耐热复合涂层的制备
2-2 固-液反应制备工艺
固一液反应法是目前研究较广的一种复合工艺。一般是将反应物粉末与金属熔体混合，使加入粉术与金属熔体成分反应或自行分解，生成难熔的高硬度质点，均匀分散在基体中，形成复合材料。该复合工艺的特点是成本较低，反应材料种类较多，复合后的材料组织细密。固一液反应法根据反应原理可分为：
（1）直接反应法[17]
将固态碳粉或硼粉直接加入到高温合金熔体中，使C或B同合金熔体中个别组元反应，从而在基体中形成碳化物或硼化物的增强粒子。
（2）还原反应法[18]
该法利用了化学的还原反应原理，即将不稳定的化合物加入到合金熔体中，使合金熔体中的组元与加入的化合物发生热还原反应，生成所需要的更加稳定的陶瓷或金属间化合物增强相。
（3）反应挤压铸造法[19]
该法的基本原理是将基体金属液挤压渗透到由反应物制成的预制体中，通过其与基体金属或其中的某一组元反应生成新的增强相，从而达到强化基体的目的。Fukunaga等首先将反应压铸法用于自生A1203粒子增强金属间化合物基复合材料的制备。
2-3固-固反应制备工艺
固相间原子扩散来完成，通常温度较低，增强相的长大倾向较小，有利于获得超细增强相，但是该工艺效率较低。属于此方法的复合工艺有自蔓延高温合成法(SHS)、XDTM法、接触反应法、混合盐反应法和机械合金化(MA)法等。
（1）自蔓延高温合成法(SHS)
SHS法是指生成热足够高的材料通过起燃后燃烧波的自蔓延使反应物转变成产物的方法。该法是由前苏联的Merzhanov等人于1967年提出的，这种方法的主要优点是反应合成所需要的能量由自身产生(节能)，产品纯度高(高温下低沸点杂质挥发掉)，以及反应速度快、产量高等，因此具有非常大的吸引力。目前主要用于反应合成陶瓷、金属间化合物及金属间化合物基复合材料。
（2）XDTM法
XDTM法(Exothermical Dispersion Technique)也叫放热弥散法，该方法是在SHS法的基础上改进而来的，1983年由美国的Martin Marietta实验室首先提出的。其基本原理是将预期构成增强材料的两种组分的粉末与金属基体粉末混合均匀并压实除气后，将压坯快速加热到金属基体熔点以上的温度，使它们之间发生反应，生成粒径小于1nm、均匀分布的弥散颗粒，反应放出的热量可以使反应继续下去。
这样，在金属基体熔体的介质中，两固态反应元素相互扩散、接触并不断反应析出稳定的增强相，然后再将熔体进行铸造，挤压成形。
（3）触反应法
接触反应法(MCR)是在综合了SHS法和XDTM法优点的基础上，发展起来的又一制造原位MMCs的方法。该方法的基本原理是将反应元素粉末按一定比例混匀，并制成预制块，然后用钟罩等工具将预制块压入一定温度的金属液中，在金属液的高温作用下，预制块中的元素发生化学反应，生成所需的增强相，搅拌后浇注成形。
（4）混合盐反应法
该法是英国London Scandinarian Metallurgical公司的专利技术。它是将含有Ti和B的盐类(如KBF4和K2TiF6)混合后，加入到高温的金属熔体中，在高温作用下，所加盐中的Ti和B就会被金属还原出来而在金属熔体中反应形成TiB2增强粒子，扒去不必要的副产品，浇注冷却后即获得了原位TiB2增强的金属基复合材料。
（5）机械合金化(MA)
机械合金化(MechanicalAIloying)是一种固态粉末处理工艺，采用该方法可用来制备陶瓷粒子增强金属基复合材料。这种方法是在1970年由Benjamin首先提出的。其基本原理是将所需粉末置于高能球磨机中球磨，球磨过程中粉末反复受到强烈塑性变形、冷焊和破碎，并形成尺寸较为平均的颗粒，然后将此粉末真空脱气，热压或冷处理固结成形。[20]
三. 原位铝基纳米复合材料的性能
3.1 力学性能
利用原位反应合成技术制备金属基复合材料，在等同条件下。其力学性能一般高于外加增强相制备的复合材料。这是因为增强相是在基体内反应生成．具有尺寸小、与基体合金界面结合良好、界面洁净无污染、高的耐磨性和抗高温蠕变性等性能。原位反应合成的铝基复合材料，具有细晶粒组织结构，生成的增强相细小，可达到lμm粒度以下，且增强体与基体之间界面结合良好，具有优良的力学性能。
表3-1 为郑梦等人[21]在高能超声场下Al-(Na2B4O7+K2ZrF6)体系原位合成复合材料测试的力学性能。可看出，施加高能超声后，复合材料的抗拉强度ζb及伸长率δ都得到了很大的提高，分别达到了116MPa 和28.31%，较未施加高能超声作用的复合材料分别提高了52.63%和24.38%。
表3-2所示为近几年国内外应用原位法制备的铝基复合材料的部分实例，可看出原位颗粒增强铝基复合材料在强度大幅度提高的同时，仍保持一定的塑性，其综合力学性能良好；与传统方法制备的铝基复合材料相比，其性能更加优越，因此原位法被认为是最有前途实现产业化的工艺技术之一。
3.2 磨损性能
基体材料、增强相、基体与增强相的相容性是影响颗粒增强铝基复合材料性能的重要因素。在选择基体材料时我们首先要把硬度、强度、韧性等参数考虑在其中。常见的增强颗粒有：碳化物、氧化物、氮化物和其他增强物质等等。其中最为常用的为B4C、SiC、A1203等。许多研究者想通过添加两种或两种以上颗粒来对材料进行混杂增强，取得的效果都很不错。而影响增强效果的因素包括增强颗粒的弹性模量、抗拉强度、硬度、密度、熔点、热膨胀系
数、热稳定性、尺寸形状等。最后，增强颗粒和基体之间的相容性以及彼此的热膨胀系数是否匹配等是影响增强颗粒和基体结合是否紧密的重要参数而这些因素都能影响复合材料的摩擦磨损性能。
摩擦系数是反映材料磨损性能好坏的一个重要指标[22]。材料的性质和状态决定摩擦系数的高低，即使相同的材料，如果是在不同的条件下，它们的摩擦系数都不会相同。影响摩擦系数的因素有许多：1)材料的物理、化学性质与及材料的种类；2)材料表面粗糙度，包括增强颗粒的大小、分布与及和基体的界面结合情况；3)外界的影响因素有温度和外加载荷，它们二者一般是通过改变材料表面的状态来影响摩擦系数。
判定材料磨损性能好坏的主要标准就是磨损率，其中研究人员的主观观察数据也会对其产生一定的影响。在于摩擦条件下，磨损率指的是单位体积试样磨损量。磨损率的影响因素有很多，材料自身因素和外界因素对试样的磨损率都有一定的影响。在一定条件和范围内，不管是那种增强颗粒，材料的磨损率随着载荷的增加而增大[23]。多数学者一致认为，温度是影响摩擦磨损的重要因素。在实际应用中，汽车发动机活塞和缸套、刹车碟片等零件的正常工作温度都很高，而高温下材料的摩擦磨损性能与常温下有很大差异[24]。
通过“点-面滑动干摩擦”方式进行摩擦学试验。图3-1是不同温度下制备复合材料的摩擦性能，其中μ表示摩擦系数，ω表示磨损量。结果表明，800℃时制备的复合材料摩擦系数和磨损量较825℃制备的复合材料的大。材料点摩擦的摩擦系数与材料的硬度有关，随着硬度的增加，材料在正向载荷的作用下，变形量变小，所以摩擦阻力较小，摩擦系数较小；材料的磨损量则和材料的硬度和显微组织结构有关，一般情况下，硬度高的材料较耐磨，材料的显微组织中缺陷少，耐磨性也会提高。
图3-1
图3-2是采用不同增强体的复合材料的摩擦性能，结果显示，SiC颗粒增强复合材料的摩擦系数大于CuO增强的复合材料，但是耐磨性却优于CuO增强的复合材料，主要是由于二者的性质差异造成的。
图3-2
图3-3是不同颗粒含量的复合材料的摩擦性能，结果表明，随着颗粒含量的增加，复合材料的摩擦系数降低，磨损量降低，耐磨性增加。
图3-3
3.3 热学性能
加工图(Processing Map)能够反映在各种变形温度和应变速率下，材料高温变形时内部微观组织的变化，并且可对材料的可加工性进行评估[25]。加工图是由基于动态材料模型建立的能量耗散率图和失稳图叠加而成，它通过微观组织演变描述材料对变形工艺参数的动态响应。应变速率敏感指数、能量耗散率和非稳定参数可由材料热模拟压缩实验获得的应力．应变数据计算得到。在一定的温度和应变下，热加工工件所受的应力ζ应与应变速率ξ存在如下动态关系：
m
ζ=kξ
式中，K表示应变速率为1时的流变应力；m是应变速率敏感因子，可表达为：
m=δ(1nζ)／δ(inζ)
功率耗散图(见图7)代表材料显微组织改变时
功率的耗散，其变化率可用反映材料功率耗散特征的无量纲参数(Efficiency ofPower Dissipation)来表示，其定义式如下：
η=2m/(m+1)
失稳图(见图8)是根据不可拟热力学极值原理，用无量纲参数表示大塑性流变时的连续失稳判据
将功率耗散图与失稳图重叠就可获得加工图(见图9)。应用热加工图来分析合金的加工性能不仅可以优化加工工艺而且可以避免流变不稳定区域。
图9是TiB2／7055AI原位合成铝基复合材料的加工图。图中灰色区为功率耗散峰区，红色区为流变失稳区[26]。由图9可以看出，图中失稳区较多，说明该TiB2／7055AI铝基复合材
料热加工性较差。
功率耗散图由功率耗散系数的等值线组成，代表材料中由显微组织耗散引起的熵增量相对变化速率。功率耗散图由于实际代表热加工变形过程中的显微组织变化率。因此又被称作“显微组织轨迹”。加工图中局部区域存在功率耗散效率最大值，它代表特殊的显微组织机制或流变失稳机制。功率耗散图中高功率耗散区对应于动态再结晶区，具有最佳加工性能区，然而由于楔形裂纹破坏机制通常也对应着高功率耗散系数，因此分析加工图需要用显微组织进一步来验证。研究表明，随着变形温度升高，材料的相界和晶界更加容易发生滑移，界面处可能发生严重的应力集中，从而引起界面开裂。如果应变速率较快，基体变形速率比界面滑移速率更快时，滑移影响可以忽略，界面不会发生开裂。如果应变速率很慢，界面滑移产生的应力集中有足够的时间来通过扩散等途径释放，也不会引起开裂。因此在中等变速率时界面开裂最可能发生。
图10是不同峰区所对应的微观组织[27]。由图10可以看出，峰区内的微观组织具有以下特点，峰区l 中增强颗粒分布均匀，颗粒有相互挤压变形倾向(图10a)。峰区2可以观察到界面有开裂现象(图10b)，由于该峰区接近失稳区，在这些区域，界面开裂区域具有较高的能量耗散因子，功率耗散效率急剧减小，这可能是变形应力集中造成的，从而出现加工失稳，加工中应尽量避免这些区域。峰区3可以看到颗粒形貌有圆角化倾向，颗粒相互挤压破碎倾向较大(图10c)。
制定加工制度应优先选择动态再结晶区，因为动态再结晶区内功率耗散效率较高，加工性能好，并且组织易于控制。发生动态再结晶的峰区1对应的应变速率为10～3．16 S -1，与轧
制、挤压和锤锻的应变速率相对应，可以在这个区域内选择挤压、轧制的热变形参数。峰区2由于靠近失稳区，易发生失稳，热加工中不宜选用。峰区3应变速率较低，该区域也具有较好的热加工性。
3.4 蠕变性能
采用幂律蠕变方程[28]
可计算出复合材料的显态蠕变应力指数和蠕变激活能.式中ε,为稳态蠕变速率,A为材料常数,ζ为外加应力,n为显态蠕变应力指数,Qa为显态蠕变激活能(kJ/mol),R为气体常数,T 为绝对温度(K).由表1可见,两种原位复合材料的显态应力指数n和显态蠕变激活能Qa都远大于纯Al的数据(n=3—5,Q=142 kJ/mol),且随着温度的增加复合材料的蠕变应力指数亦增加.类似的结果在SiC晶须[29].
样品A,B在623和673 K的显态应力指数基本相同,其蠕变抗力在623 K基本相当;而在673 K,样品A稍大于样品B,这表明样品B中含有的条状Al3Ti并未影响复合材料蠕变速率的应力依赖性,对复合材料的蠕变抗力亦未产生很大影响.这与复合材料的室温拉伸性能和动态压缩性能是完全不同的.考虑到复合材料的蠕变是基体的蠕变,上述现象是不难理解的.在复合材料基体的蠕变过程中,主要是细小的原位陶瓷粒子阻碍位错的运动,粗大的Al3Ti 对位错的运动并没有太大的作用.文献已经报道,样品A,B中原位陶瓷粒子的尺寸基本相同,而样品B中由于形成Al3Ti,原位粒子的含量稍低于样品A.所以,样品A,B表现出大致相同的蠕变应力指数应由两种复合材料中原位粒子尺寸相似、含量相近来解释;而样品B稍低的蠕变抗力主要归因于该复合材料中降低的原位粒子含量.对于复合材料所表现出的高的蠕变应
力指数和蠕变激活能,一般采用有效应力来解释,即外加应力必须克服一个门槛应方能使复
合材料产生蠕变.则蠕变方程式(1)可以改写为
四.原位铝基复合材料制备及应用中存在的关键技术问题CNTs优异的物理和力学性能已使其成为金属基复合材料的理想增强相，但距该新型复合材料的实际应用仍有较大差距，例如，复合材料力学性能提高的幅度与理论计算值相比仍有较大差距，原位合成CNTs/Al复合材料的强化机理不够清楚，理论还不完善，CNTs/Al复合材料块体的制备工艺还需进一步改进和创新[30]，等等主要体现在[31]：
1)如何实现CNTs原位增强铝基复合材料的低成本、规模化生产；
2)如何解决较高增强相含量时CNTs团聚的问题；
3)结合具体应用领域或产品，有针对性的对CNTs原位增强铝基复合材料性能进行改进；
4)采用量子力学理论或分子动力学方法进一步分析CNTs．AI异质界面结构差异的原因、揭示界面反应机理；
5)就CNTs／AI基复合材料中Ni催化剂对复合材料组织、性能的影响进行探讨。
6)探讨原位合成CNTs/Al材料的其他性能如电学性能、热物理性能、介电性能、磨擦磨损性能等方面，并阐明内在机理。
7）蠕变理论模型存在自身的缺陷,不能精确描述MMC的应力应变场,对于纤维呈随机分布的MMC,简直不可能描述其蠕变损伤的演化过程。尽管通过蠕变试验可以比较真实地揭示MMC的一些蠕变规律,但是蠕变试验过程长,成本相对高,在长时间的试验过程中可能会有一些不可估计的因素影响试验结果,而且不能动态地说明那些因素是如何影响MMC蠕变过程的。近年来随着计算机的发展,促进了有限元技术的应用。有限元模拟较理论模型准确,更容易得到整个蠕变过程中的应力应变场的变化,同时又能模拟MMC在真实试验条件下所发生
的蠕变形为,具有试验方法和理论解析无与伦比的优势,因此也是现行研究MMC时采用较多
的一种方法。
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铝基复合材料及应用
3铝基复合材料及应用 Aluminum matrix composites and applications 在材料体系设计、制备技术、界面研究、改性处理、性能表征、塑性变形和应用研究等方面开展了系统的研究工作，攻克了高致密制备技术、复合材料稳定性设计、稳定化处理技术、超声波辅助钎焊技术和材料稳定性评价方法等关键技术。研制出的系列颗粒、晶须和纤维增强铝基复合材料，已经应用于卫星、飞机、载人航天等领域。2008年获得国家技术发明二等奖。 The fabrication technology,interface structure,surface modification,property characterization,and plastic deformation have been investigated.A series of key technological problems have been broken through,such as high-density composite fabrication,design of dimensional stability,stabilizing treatment,ultrasonic assisted brazing and evaluation of materials stability.The composites have been successfully applied for industries. SiCp/Al 复合材料样件 SiCp/Al composites samples SiCw/Al 复合材料卫星天线展开机构丝杠 Satellite antenna screw rods of SiCw/Al composite SiC p /Al 相机框架焊接件Brazed camera carriages of SiCp/Al composite
金属基复合材料的种类与性能
金属基复合材料的种类与性能 摘要：金属基复合材料科学是一门相对较新的材料科学，仅有40余年的发展历史。金属基复合材料的发展与现代科学技术和高技术产业的发展密切相关，特备是航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展对材料提出了日益增高的性能要求，除了要求材料具有一些特殊的性能外，还要具有优良的综合性能，有力地促进了先进复合材料的迅速发展。单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料均难以满足这些迅速增长的性能要求。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。 关键词：金属；金属基复合材料；种类；性能特征；用途 1. 金属基复合材料的分类 1.1按增强体类型分 1.1.1颗粒增强复合材料 颗粒增强复合材料是指弥散的增强相以颗粒的形式存在，其颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1μm。 1.1.2层状复合材料 这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基材料中含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。片曾的间距是微观的，所以在正常比例下，材料按其结构组元看，可以认为是各向异性的和均匀的。 层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。因为增强物薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。 由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。 1.1.3纤维增强复合材料 金属基复合材料中的一维增强体根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须。长纤维又叫连续纤维，它对金属基体的增强方式可以以单项纤维、二维织物和三维织物存在，前者增强的复合材料表现出明显的各向异性特征，第二种材料在织物平面方向的力学性能与垂直该平面的方向不同，而后者的性能基本是个向同性的。连续纤维增强金属基复合材料是指以高性能的纤维为增强体，金属或他们的合金为基体制成的复合材料。纤维是承受载荷的，纤维的加入不但大大改变了材料的力学性能，而且也提高了耐温性能。 短纤维和晶须是比较随机均匀地分散在金属基体中，因而其性能在宏观上是各向同性的；在特殊条件下，短纤维也可以定向排列，如对材料进行二次加工（挤压）就可达到。 当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。 1.2按基体类型分 主要有铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。目前以铝基、镁基、钛基、镍基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。在这里主要介绍这几种材料 1.2.1铝基复合材料 这是在金属基复合材料中应用最广的一种。由于铝合金基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利条件。再制造铝基复合材料时通常并不是使用纯铝而是铝合金。这主要是由于铝合金具有更好的综合性能。
铝合金的钎焊工艺
（ 二 〇 一 三 年 十 二 月 本科科研训练论文 题 目：铝合金的钎焊工艺 学生姓名：/// 学 院：材料科学与工程 系 别：材料成型及 控制工程 专 业：材料成型及控制工程 班 级：材///班 指导教师：///
内蒙古工业大学本科科研训练论文 摘要 焊接是制造业的重要组成部分，应用广泛，发展迅速，在制造行业占有重要的地位。我国是世界产钢、用钢大国，也是焊接大国。随着高新技术和新工艺的不断出现，机械制造、安装、维修业也逐步向精细方向发展，对焊接技术的要求也越来越高。近几年来，焊接的使用量迅速增加；焊接机械化自动化技术改造加快；焊接自动化率快速提高。钎焊是用比母材熔点低的金属材料作为钎料，用液态钎料润湿母材和填充工件接口间隙并使其与母材相互扩散的焊接过程，这篇论文对钎焊焊接前的准备和焊接方法的做了设计，介绍了焊接所需的钎料和钎剂，给出了钎接接头形式以及接头的质量检测方法，在钎焊操作中应该注意的安全问题。 关键词:焊料，焊剂，钎焊接头，钎焊装置，钎焊气体
Abstract Welding is an important part of the manufacturing industry, widely used, rapid development in the manufacturing industry occupies an important position. China is the world steel production, steel big country, but also the welding power. With the emergence of high-tech and new technology, machinery manufacturing, installation and maintenance industry is also gradually to the fine direction of welding technology requirements are also increasing. In recent years, the rapid increase in the amount of welding; welding mechanization and automation to accelerate technological innovation; welding automation rate rapidly increased. Brazing with a lower melting point than the base metal material is used as brazing filler metal, wetted with a liquid base material and the solder filling the gap and the interface to the work piece during welding and the base material inter diffusion, the paper prior to brazing welding preparation and welding methods to do the design, introduces the required solder and soldering flux, solder joints is given in the form of joint detection methods and the quality of the brazing operation should p ay attention to security issues. Key words: Solder, Flux, Solder joints, Soldering equipment, Soldering gas
颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其存在的问题20091311
颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其存在的问题 冶金0901班 张莹 20091311
近年来，随着不断追求轻量化、高性能化、长寿命、高效能的发展目标带动牵引了轻质高强多功能颗粒增强铝基复合材料的持续发展。提出的低密度、高比强度、高比模量、低膨胀、高导热、高可靠等优异以及良好的抗磨耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀等综合性能要求，传统轻质材料已很难全面满足要求，如铝合金模量低、线胀系数较大; 钛合金密度较大、热导率极低; 纤维增强树脂基复合材料在空间环境下使用易老化等，颗粒增强铝基复合材料经过30 多年的发展，已在国外航空航天领域得到了规模应用，这充分验证了与铝合金、钛合金、纤维树脂基复合材料等传统材料相比具有的显著性能优势，奠定了颗粒增强铝基复合材料在材料体系中的地位和竞争态势。而且更重要的是，在世界范围内有丰富的铝资源，加之易于进行工艺加工成型和处理，因而制各和生产铝基复合材料比其他金属基复合材料更为经济，易于推广，可广泛应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育运动等领域，因此，这种材料在国内外受到普遍重视。 颗粒增强铝基复合材料已成为当下世界金属基复合材料研究领域中的一个最为重要的热点，各国已经相继进入了颗粒增强铝基复台材料的应用开发阶段，在美国和欧洲发达国家，该类复台材料的工业应用已开始，并且被列为二十一世纪新材料应用开发的重要方向并日益向工业规模化生产和应用的方向发展。本文旨在探讨颗粒增强铝基复合材料的制备方法及在亟待解决的各方面的问题，推进其应用发展的进程。 主要制备方法介绍： 增强体颗粒的分布均匀性和界面结合状况是影响复合材料性能的重要因素。因此，如何使增强体颗粒均匀分布于铝基体井与铝基体形成良好的界面结台是颗粒增强铝基复台材料制备过程中必须解决的两个最关键问题。以下是制备颗粒增强铝基复合材料的一些方法： 1、原位法 原位法的原理是通过元素间或元素与化合物之间反应制备陶瓷增强金属基复合材料，是近年来迅速发展的一种新的复合工艺方法，目前已成功地在铝基中实现了硼化物、碳化物、氮化物等的原位反应。由于这些增强相引入的特殊性，不仅它的尺寸非常细小，而且与基体具有良好的界面相容性，使得这种复合材料较传统外加增强相复合材料具有更高的强度和模量，以及良好的高温性能和抗疲劳、耐磨损性能。 原位自生铝基复合材料的制备方法较多，下面进行简略介绍。 （1）自蔓延高温合成法：该技术是利用热脉冲使放热反应起始于反应剂粉末压坯的一端，其生成热使邻近的粉末温度骤然升高．发生化学反应并以燃烧波的形式蔓延通过整个反应物，当燃烧波推行前移时反应物转变成产物。该技术的特点是在无需外加热源的情况下，利用高放热化学反应放出的热量使其在引发后自身延续合成材料，节能，粉末纯度高，粒径细小，活性高，易于烧结并能获得高性能的材料。 （2）原位热压放热反应合成法：该技术是在原位热压技术的基础上发展起来的一种新下艺。在制备过程中将反应物的物料混合或与某种基体原料混合后通过热压工艺制备，组成物相在热压过程中原位生成。该技术的突出优点是利用燃烧合成过程的放热反应，在产物处于反应高温时，施加一定的压力。使材料的致密与反应合成同时完成。获得了事半功倍的效果。 （3）放热弥散技术：这种方法法是美国一个实验室在自蔓延法的基础上改进而来的。
铝基复合材料
目录 一、引言 (1) 二、铝基复合材料的基本成分 (1) 三、铝基复合材料的性能 (1) 3.1 低密度 (1) 3.2 良好的尺寸稳定性 (1) 3.3强度、模量与塑性 (2) 3.4耐磨性 (2) 3.5疲劳与断裂韧性 (2) 3.6热性能 (2) 四、铝基复合材料的应用 (3) 4.1 在汽车领域的应用 (3) 4.2 在航空航天领域的应用 (3) 4.3 在电子和光学仪器中的应用 (3) 4.4 在体育用品上的应用 (4) 五、铝基复合材料的制造工艺 (4) 5.1 粉末冶金法 (4) 5.2 高能-高速固结工艺 (4) 5.3 压力浸渗工艺 (5) 5.4 反应自生成法 (5) 5.5 液态金属搅拌铸造法 (5) 5.6 半固态搅拌复合铸造 (5) 六、铝基复合材料的研究的热点及发展趋势 (6) 6.1铝基复合材料的研究的热点 (6) 6.1.1纳米相增强铝基复合材料 (6) 6.1.2碳管纳米增强铝基复合材料 (6) 6.2铝基复合材料的发展趋势 (7)
铝基复合材料的综述 摘要：本文较为详细的介绍了铝基复合材料的性能、应用及其制造工艺，并指出了铝基复合材料的发展趋势。 关键词: 铝基复合材料; 性能; 应用; 工艺；发展趋势 一、引言 复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成。复合材料可分为三类：聚合物基复合材料（PMCs）、金属基复合材料（MMCs）、陶瓷基复合材料（CMCs）。金属基复合材料基体主要是铝、镍、镁、钛等。铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。此外,铝基复合材料比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。同其他复合材料一样,它能组合特定的力学和物理性能,以满足产品的需要[1]。因此,铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。按照增强体的不同,铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高,尺寸稳定性好等一系列优异性能,但价格昂贵,目前主要用于航天领域,作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件;此外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、电子封装器件等。 二、铝基复合材料的基本成分 铝及其合金都适于作金属基复合材料的基体，铝基复合材料的增强物可以是连续的纤维，也可以是短纤维，也可以是从球形到不规则形状的颗粒。目前铝极复合材料增强颗粒材料有SiC、AL2O3、BN等，金属间化合物如Ni-Al，Fe-Al和Ti-Al也被用工作增强颗粒。 三、铝基复合材料的性能 铝基复合材料的性能取决于基体合金和增强物的特性、含量、分布等。与基体合金相比,铝基复合材料具有许多优良的性能。 3.1 低密度 2,铝基复合材料的密度一般在8.2左右,基本上与一般铝合金相当,比钢低3同等几何尺寸的零件,其重量仅为钢制的1左右。 3.2 良好的尺寸稳定性 许多增强物都具有很小的热膨胀系数,加入相当含量的增强物可降低材料膨胀系数,从而得到热膨胀系数小、尺寸稳定性好的铝基复合材料。
铝合金真空钎焊用低温铝基钎料的研究
铝合金真空钎焊用低温铝基钎料的研究 北京华航无线电测量技术研究所于文花 肖爱群 北京航空航天大学庄鸿寿 摘要为了避免在铝合金焊接中产生晶粒长大、溶蚀等缺陷，提高铝合金的钎焊质量，本文在Al－Si共晶钎料的基础上加入合金元素Cu和其它微量元素，研制新的低熔点钎料，最后确定新钎料为Al19Cu9Si。该钎料的熔点为543℃，比BAl86.5SiMg钎料的熔点降低了40℃，试验结果表明新钎料具有良好的润湿性、流动性，接头的剪切强度、抗腐蚀性能均满足铝合金钎焊要求。 关键词真空钎焊 铝合金 铝基钎料 1 引言 铝合金由于具有密度小、比强度高等优点，在航空、航天工业中已获得愈来愈广泛的应用。例如很多传统的铜合金波导、高频器件已被铝合金所取代，利用钎焊方法制造复杂的铝结构是最理想的方法。共晶铝硅钎料因具有良好的润湿性、流动性、钎焊接头的抗腐蚀性和可加工性，是铝合金钎焊中应用最广的一种铝钎料[1]。但它也具有严重缺点：熔点较高（液相线温度为577℃），钎焊温度均在600℃以上，所以钎焊温度非常接近于合金的固相线温度，易使母材发生晶粒长大、溶蚀等现象。目前，美国、日本、欧洲等研究机构对铝合金用低温铝基钎料进行了大量的研究。日本的茅本隆司、恩泽忠男[2]等人研究发现锗、铟、镱和铜均可作为铝硅钎料的添加剂，降低钎料的熔点，但锗、铟、镱的加入会使钎料脆性和耐腐蚀性均遭到恶化，且价格昂贵，难以应用于实际生产；铜元素的加入量多时也会使钎料变脆及钎焊时出现对母材的溶蚀，很难得到性能优良的钎焊接头。为此，所研制的新钎料既要具有较低的熔点，又要保持良好的机械性能。 本文通过分析既能降低铝熔点又能与铝形成共晶合金的元素特性，选择合适的能降低铝熔点的元素，对成分进行优化试验，同时考虑钎料的流动性和组织特性，在钎料中加入适量提高钎料流动性和细化组织的微量元素，经过试验确定铜、铋及微量元素为添加剂，配制新钎料，对新钎料进行熔点、润湿性、流动性、金相组织以及接头剪切强度、环境试验。 2 钎料的配制 为了降低钎料的熔点，必须寻找能降低铝熔点的元素，能与铝形成共晶的合金见表1。 表1 共晶元素及共晶温度 合金元素 Al-11.5Si Al-72Ag Al-32.7Cu Al-51.6Ge Al-94Zn 共晶温度/℃577 567 548 420 381 由表1可知Al-72Ag的共晶温度567℃，与铝硅共晶温度差不多，并且这种合金很脆，抗腐蚀性也不高，不宜作钎料；Al-32.7Cu，熔点548℃，此合金因含铜量高，脆性大；Al-Ge、Al-Zn共晶温度仅400℃左右，对降低钎料的温度作用极佳，但Ge是贵重元素，价高并且极脆，而Zn极易挥发，不易用于真空钎焊[3]。 分析能与铝形成共晶的合金特点，二元合金的熔点不能满足要求，必须加入第三种元素。在Al-Si-Ag 三元合金中有一共晶成分，其熔点为563℃，它与Al-Ag共晶熔点相差不大，无实用价值。 在三元合金中，只有Al-Si-Cu合金最有希望， 收稿日期：2005-09-26
铝基复合材料综述
铝基复合材料综述 XXXXXXXXXXX 摘要铝基复合材料凭借密度小、耐磨、热性能好等优点在航天航空等领域占有优势地位。文中综述了铝基复合材料的种类、铝基复合材料性能、各种铝基复合材料的制备和应用以及发展前景。 关键词铝基复合材料种类性能制备应用 Abstract Al-based alloys have advantages in the field of the aerospace by the advantages of small density , anti-function ,good thermal performance and so on. This article discussed the kinds ,performance ,approach , use and development prospect of Al-based alloys. Key words Al-based alloys kind performance approach use
1.引言 自20世纪80年代金属基复合材料大规模研究与开发以来，铝基复合材料在航空，航天，电子，汽车以及先进武器系统等领域得到迅速发展。铝基复合材料的制备工艺设计高温、增强材料的表面处理、复合成型等复杂工艺，而复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于其制造技术。因此，研究和开发心的制造技术，在提高铝基复合材料性能的同时降低成本，使其得到更广泛的应用，是铝基复合材料能否得到长远发展的关键所在。铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。此外,铝基复合材料比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。同其他复合材料一样,它能组合特定的力学和物理性能,以满足产品的需要。因此,铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。2.铝基复合材料分类 按照增强体的不同,铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高,尺寸稳定性好等一系列优异性能,但价格昂贵,目前主要用于航天领域,作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件;此外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、电子封装器件等。 3.铝基复合材料的基本成分 铝及其合金都适于作金属基复合材料的基体，铝基复合材料的增强物可以是连续的纤维，也可以是短纤维，也可以是从球形到不规则形状的颗粒。目前铝基复合材料增强颗粒材料有SiC、AL2O3、BN等，金属间化合物如Ni-Al，Fe-Al和Ti-Al也被用工作增强颗粒。 4.铝基复合材料特点 在众多金属基复合材料中，铝基复合材料发展最快且成为当前该类材料发展和研究的主流，这是因为铝基复合材料具有密度低、基体合金选择范围广、热处理性好、制备工艺灵活等许多优点。另外，铝和铝合金与许多增强相都有良好的接触性能，如连续状硼、AL2O3\ 、
铝及铝合金的钎焊
铝及铝合金的钎焊 08材控 邢钧魁 20080607131 摘 要 本文主要论述了铝及铝合金的分类、性能，以及铝及铝合金钎焊的研究现状、钎焊过程中有可能出现的问题以及在具体实施钎焊时钎剂、钎料的选择与搭配，还介绍了施焊前如何对表面进行清理、准备以及焊后的清理与处理工作、注意事项等。 关键词 钎焊 铝合金 钎剂 钎料 1 铝及铝合金 1.1铝及铝合金钎焊的研究现状 铝合金具有密度小、强度高和耐腐蚀等优点，因而广泛应用于汽车、高速铁路车辆、航空航天和军事工业。由于它特有的物理、化学性能，其焊接过程中会遇到一系列困难，如氧化、焊缝热裂纹和气孔等。对于铝合金的焊接，传统的方法主要以熔化焊接为主，设备复杂，且对焊工的技术要求也比较严格。铝钎焊作为铝合金连接的重要方法，具有钎焊件变形小。尺寸精度高等优点，近年来在我国得到广泛的应用。铝及铝合金的钎焊技术近年来研究较多。随着新材料、新方法的不断出现，铝及铝合金的钎焊工艺也得到了快速的发展，其钎焊方法、钎料及钎剂都有很大的进步。 1.2 铝及铝合金的分类及性能 铝及铝合金可以分为工业纯铝、变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金是指经不同的压力加工方法制成的板、带、管、型、条等半成品材料；铸造铝合金以合金铸锭供应。变形铝合金又分为不能热处理强化的铝合金和能热处理强化的铝合金。 铝是一种轻金属，密度小，仅为3/7.2cm g ，约为铜或钢的3/1；具有优良的导电性、导热性，良好的耐蚀性以及优良的塑性和加工性能等。铝合金仍保持纯铝的密度小和耐蚀性好的特点，且力学性能比纯铝高得多。经热处理后铝合金的力学性能要求可以和钢铁材料相媲美。 1.3 铝及铝合金钎焊的问题 铝及铝合金的钎焊与其他合金相比比较难，是由于其表面有一层极为致密的氧化膜，这一层氧化膜的性能非常稳定，能够充分抵抗大气的腐蚀，又能在旧摸上随时生成新膜。铝及铝合金在焊接的时候需要破坏这一层膜，否则熔化的钎料不能与母材润湿；焊后又需要维持保护膜的完整，否则接头将产生严重的腐蚀。 铝能极缓慢地溶于中等浓度的硝酸，但在浓硝酸中是稳定的，硝酸的浓度越高越稳定。运输发烟硝酸的槽罐是用纯铝做的。铝的抗碱能力较弱，易溶于NaOH 、KOH 。 无缝药芯焊丝是铝铜钎焊连接的最新技术成果，是铝铜钎焊用料的升级换代产品。其主要成分由锌铝铜和无腐蚀性氟铝铯盐组成，其钎焊工艺性、接头机械性能和接头导电性均优于锌镉、锌锡铜钎料。 2 铝及铝合金的钎焊方法 铝及铝合金的钎焊可以采用火焰钎焊、盐浴钎焊和炉中钎焊等方法[1]。 火焰钎焊，其设备简单，燃气来源广，灵活性大，应用很广。主要用于钎焊小型焊件和单件生产。有多种火焰可以使用。有报道，我国与其他国家合作生产了一种介于液化气与氧乙炔之间的夏普气。这种气体火焰柔和，其强度介于液化
铝基复合材料
内容摘要 本次原位铝基纳米复合材料课程设计主要包括四个任务，即原位铝基纳米复合材料在国内外的应用和研究现状，原位铝基纳米复合材料的制备技术，原位铝基纳米复合材料的性能（其中包括力学性能，磨损性能，热学性能，和蠕变性能）以及原位铝基纳米复合材料制备及应用中存在的关键技术问题。
目录 一.原位铝基纳米复合材料的国内外应用及研究现状 (3) 1.1 原位铝基复合材料的定义 (3) 1.2 原位铝基纳米复合材料在国内外的应用 (3) 1.3 原位铝基纳米复合材料的研究现状 (4) 二.原位铝基纳米复合材料制备技术 (5) 2.1气-液反应制备工艺 (5) 2-2 固-液反应制备工艺 (7) 2-3固-固反应制备工艺 (7) 三. 原位铝基纳米复合材料的性能 (8) 3.1 力学性能 (8) 3.2 磨损性能 (10) 3.3 热学性能 (12) 3.4 蠕变性能 (16) 四.原位铝基复合材料制备及应用中存在的关键技术问题 (17) 参考文献 (17)
一.原位铝基纳米复合材料的国内外应用及研究现状 1.1 原位铝基复合材料的定义 复合材料(composite materials)是由两种或两种以上的材料通过先进的材料制备技术组合而成的性能优异的新材料。一般来说，复合材料由基体和增强材料组成。它既能保留原组成材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能。[1] 金属基复合材料(MMCs)是以金属或合金为基体，以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或陶瓷颗粒组合为增强相的非均质混合物。在金属基复合材料中，铝基复合材料具有更高的比强度、比模量和低的热膨胀系数，尤其是弥散增强的铝基复合材料，不仅具有各向同性特征，而且具有可加工和价值低廉的优点。在金属基复合材料制备过程中，往往会遇到增强材料与金属基体之间的相容性问题。如果增强体能从金属基体中直接原位生成，则相容性问题可以得到很好的解决。因为原位生成的增强体与金属基体界面结合良好，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强体之间的润湿和界面反应等问题。[2] 原位铝基复合材料,是利用混合体中组分之间的化学反应,生成一种或多种高硬度和高熔点增强相,均匀分布于铝合金基体上,达到强化基体的作用。由于增强相是反应合成的,内生于基体之中,因而具有许多外加强化相强化铝基复合材料所不具有的独特优点[3]： 1) 增强体在铝基体上原位形核、长大,具有强界面结合、良好的相容性。 2) 通过选择反应物来控制增强相种类、大小和数量,并可以通过工艺来控制其大小和分布,不易出现增强相的团聚或偏析。 3) 省去了增强物的预处理,简化了工艺流程,成本也相对降低。 4) 增强相颗粒细小,往往处于微米级或微米以下,能保证铝基复合材料不但有良好的韧性和高温性能,而且有很高的强度和弹性模量。 5) 能与铸造工艺结合,直接制造出形状复杂、尺寸变化大的近终形产品。 1.2 原位铝基纳米复合材料在国内外的应用 在航空航天方面，A356和A357／SiC颗粒增强铝基原位复合材料可制造飞机液压管，直升飞机支架和阀体。2099铝合金+25％SiC材料可以制造火箭发动机零件。美国DWA特种复合材料公司用f(SiCp)25％增强6061铝合金基复合材料代替7075铝合金生产宇航结构导槽、角材，其密度下降了17％，用A357合金+f(SiC)20％可以制造坦克火力控制镜的基片和导弹机翼。在汽车制造方面，几乎所有的欧美汽车制造厂，在研究采用金属基复合材料制造制动盘、制动鼓。国内已将铝基复合材料应用于刹车轮，使其重量减少了30％～60％，
铝基复合材料简述
铝基复合材料 1. 铝基复合材料的基本性能 1.1 强度，模量与塑性 铝基复合材料比强度和比刚度高．高温性能好。更耐疲劳和更耐磨，阻尼性 能好，热膨胀系数低。同其他复合材料一样，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要。因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。 增强体的加入在提高铝基复合材料强度和模量的同时。降低了塑性。 另外增强相的加入又赋予材料一些特殊性能，这样不同金属与合金基体及不 同增强体的优化组合。就使金属基复合材料具有各种特殊性能和优异的综合性能。 尤其是弥散增强的铝基复合材料，不仅具有各向同性特征，而且具有可加工 和价格低廉的优点，更加引起人们的注意。 1.2 耐磨性 高的耐磨性是铝基复合材料(SiC、A1203)增强的特点之一 颗粒体积分数对复合材料摩擦系数的影响显著，而颗粒尺寸对复合材料摩擦系数影响不大。 与基体合金相比，铝基复合材料表现出良好的抗磨损性能，并随着加入颗粒 尺寸的减小和数量的增多而变强。在滑动磨损实验中，颗粒及纤维增强的铝基复合材料的耐磨性有两个数量级的提高，但随着磨粒尺寸的增大，载荷中冲击成分的提高使其耐磨性迅速下降。材料的耐磨性的好坏取决于强化机制、增强相之间的相互制约及与基体在变形过程中的协调作用。当然，也与增强相类型及基体合金的性能有关。 增强相的聚结显著降低材料的耐磨性。 1.3 疲劳与断裂韧性 铝基复合材料的疲劳强度和疲劳寿命一般比基体金属高，这与刚度及强度的提高有关，而断裂韧性却下降。影响铝基复合材料疲劳性能和断裂的主要因素有：增强物与基体的界面结合状态、基体与增强物本身的特性和增强物在基体中的分布等。界面结合状态良好，可以有效地传递载荷，并阻止裂纹扩展，提高材料的断裂韧性。 目前对复合材料疲劳断裂过程的研究分为疲劳裂纹的萌生和扩展两个方面。现有的研究工作在实验的基础上得出疲劳裂纹萌生于SiC 附近。SiC与铝合金界
铝合金钎焊
铝及铝合金的钎焊可以采用火焰钎焊、炉中钎焊和盐浴钎焊等方法。 火焰钎焊，其设备简单，燃气来源广，灵活性大，应用很广。主要用于钎焊小型焊件和单件生产。有多种火焰可以使用。有报道，我国与其他国家合作生产了一种介于液化气与氧乙炔之间的夏普气。这种气体火焰柔和，其强度介于液化气与氧乙炔的强度之间，是一种比较好的铝钎焊加热热源[sup][5][/sup]。但与其它连接方法相比，铝及铝合金火焰钎焊加热温度难以掌握，而且对操作者的经验要求较高。 盐浴钎焊具有加热快而均匀、焊件不易变形、去膜充分的优点，因而焊件质量好、生产效率高。特别适合于大批量生产，尤其适用于密集结构钎缝的焊接。铝的盐浴钎焊一般使用膏状、箔状钎料或钎料包覆层，钎料包覆层是Al-Si共晶成分或Ai-Si亚共晶成分。目前钎焊生产大多使用钎料包覆层，既能提高生产效率又能较好的保证钎焊质量。其不足之处：首先．由于加热工件和去氧化膜都靠熔盐进行，对于结构复杂的工件，进盐和出盐都比较困难，这样就给结构设计和工艺带来限制，使其复杂化，而且不容易保证焊接质量。其次，由于特定的使用环境和使用寿命要求，有些产品对耐蚀性要求比较高，而盐浴钎焊后工件内残留大量的钎剂，这样就需要很长的清洗时间。另外，盐浴钎焊设备投资大，工艺复杂，生产周期长。空气炉中钎焊，其设备投资小，钎焊工艺简单，操作方便。但是这种方法加热慢，在空气中加热时工件表面容易氧化，尤其在温度高时更为显著，不利于钎剂的去膜，而且在加热过程中，钎剂会因空气中的水分而失效。针对这种情况，现在发展了干燥空气炉中钎焊。 真空钎焊和保护气氛炉中钎焊由于其各自独特而优良的工艺，在铝和铝合金的钎焊中应用比较多，而且发展也比较快，下面重点介绍。 [B]1．1 真空钎焊[/B] 铝比较活泼，容易在表面形成一层致密的氧化膜。钎焊时，单纯依靠真空条件难以去除氧化物，必须同时借助于某些金属活化剂，如Mg、Bi等。一般认为活化剂的去膜机理：一方面，活化剂与真空中残留的O[sub]2[/sub]和H[sub]2[/sub]O反应，消除了它们对铝钎焊时的有害作用；另一方面，Mg蒸气渗入膜下表材层与扩散的Si一起形成低熔点的Al-Si-Mg合金，钎焊时，该合金熔化从而破坏了氧化膜与母材的结合，使熔化的钎料得以润湿母材，在膜下母材上铺展，并将表面膜浮起而去除。 铝合金真空钎焊时，应根据生产率、成本、焊件尺寸以及结构选择真空炉。 在钎焊前需要仔细的清洗焊件。可以用酸或碱洗去表面的氧化物。如果表面有油污，可以用酒精擦拭。对钎料的处理，一般先用砂纸打磨以去除表面氧化膜，再用酒精擦掉油污。对于较大的工件，在焊接前进行预热，以保证焊件温度在达到钎焊温度以前各部分均匀受热。由于铝合金的真空钎焊主要依靠Mg活化剂去膜，对于结构复杂的焊件，为了保证母材受到Mg蒸气的充分作用，国内有一些单位采用局部屏蔽的补充工艺措施，取得了比较好的效果。其中通用的方法是将工件放入不锈钢罩内，在其中放人Mg屑，然后置于真空钎焊炉中进行钎焊，这样可以大大提高钎焊质量。 真空钎焊当中最重要也是最难控制的工艺参数是真空度，要得到高质量的接头，很大程度上取决于真空度的大小。根据一些工作人员多年的经验，如果钎焊设备较长时间没有使用过，应该让真空炉运行数小时后再使用。使用时，尤其是批量生产时，两次使用的时间间隔应尽量缩短，这样真空炉的真空度容易较快地达到要求。 真空钎焊是一种优良的钎焊方法，但也存在着设备复杂、昂贵，真空系统的维修技术难度大等缺点。我国铝合金真空钎焊的发展已初具水平，今后发展的难点和关键主要放在研制熔点较低且具有较高的力学性能和抗腐蚀性能的低熔点钎料方面。 [B]1．2 保护气氛中钎焊[/B]
铝基复合材料的应用领域及发展前景
铝基复合材料的应用领域及发展前景 铝基复合材料的简单介绍 铝在制作复合材料上有许多特点，如质量轻、密度小、可塑性好，铝基的符合技术容以掌握，易于加工等。此外，铝基复合材料比强度和比刚度高，高温性能好，耐疲劳和耐磨，以及工程可靠性。同其他复合材料一样，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要。因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的，最重要的材料之一。 复合材料的制造包括将复合材料的组分组装并压合成始于复合材料零件的形状。常用的工艺有两种，第一种是纤维与基体组装压合和零件成型同时进行；第二种是先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制成最终形态的零件。前一种工艺类似于铸件，后一件则类似于先铸锭然后再锻成零件的形状。 制造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材料组分的组装压合和零件层压。大多数硼-铝复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。前述的两种工艺具有十分相似的制造工艺，这就是把树脂粘合或者是等离子喷涂条带预制品再经过热压扩散结合。 1.挥发性粘合剂工艺 这种工艺是一种直接的方法，几乎不需要什么重要设备或专门技术。制造预制品的材料包括成卷的硼纤维、铝合金箔、气化后不残留的易挥发树脂以及树脂的溶剂。铝箔的厚度应结合适当的纤维间距来选择，通常为50～75μm。 所用的纤维排列方法有两种，单丝滚筒缠绕和从纤维盘的线架用多丝排列成连续条带。前一种工艺因为简单而较常使用。利用滚筒缠绕可能做成幅片，其尺寸等于滚筒的宽度和围长。由于简单的螺杆机构便能保证纤维盘的移动与滚筒转动相配合，故能使间距非常精确和满足张力控制。 铝基复合材料的性能 铝基复合材料的性能取决于基体合金和增强物的特性、含量、分布等。与集体和金相比，铝基复合材料具有许多优良的性能。 低密度 良好的尺寸稳定性 强度、模量与塑性 耐磨性 疲劳与断裂韧性 在硼-铝的压合中有下述一些重要的限制： （1）纤维损伤问题限制了时间-温度参数。 （2）为保证铝的结合和消除孔隙度，时间-温度-压力参数必须高于门限值，因为这是一个受蠕变和扩散限制的过程。 （3）高压力会增加纤维的断裂。 （4）为防止硼氧化要求仔细控制气氛。
铝合金的钎焊实用工艺
（ 本科科研训练论文 学校代码： 10128 学 号： 201020//// 题 目：铝合金的钎焊工艺 学生姓名：/// 学 院：材料科学与工程 系 别：材料成型及控制工程 专 业：材料成型及控制工程 班 级：材///班 指导教师：///
二〇一三年十二月
摘要 焊接是制造业的重要组成部分，应用广泛，发展迅速，在制造行业占有重要的地位。我国是世界产钢、用钢大国，也是焊接大国。随着高新技术和新工艺的不断出现，机械制造、安装、维修业也逐步向精细方向发展，对焊接技术的要求也越来越高。近几年来，焊接的使用量迅速增加；焊接机械化自动化技术改造加快；焊接自动化率快速提高。钎焊是用比母材熔点低的金属材料作为钎料，用液态钎料润湿母材和填充工件接口间隙并使其与母材相互扩散的焊接过程，这篇论文对钎焊焊接前的准备和焊接方法的做了设计，介绍了焊接所需的钎料和钎剂，给出了钎接接头形式以及接头的质量检测方法，在钎焊操作中应该注意的安全问题。 关键词:焊料，焊剂，钎焊接头，钎焊装置，钎焊气体
Abstract Welding is an important part of the manufacturing industry, widely used, rapid development in the manufacturing industry occupies an important position. China is the world steel production, steel big country, but also the welding power. With the emergence of high-tech and new technology, machinery manufacturing, installation and maintenance industry is also gradually to the fine direction of welding technology requirements are also increasing. In recent years, the rapid increase in the amount of welding; welding mechanization and automation to accelerate technological innovation; welding automation rate rapidly increased. Brazing with a lower melting point than the base metal material is used as brazing filler metal, wetted with a liquid base material and the solder filling the gap and the interface to the work piece during welding and the base material inter diffusion, the paper prior to brazing welding preparation and welding methods to do the design, introduces the required solder and soldering flux, solder joints is given in the form of joint detection methods and the quality of the brazing operation should pay attention to security issues. Key words: Solder, Flux, Solder joints, Soldering equipment, Soldering gas
铝合金的应用领域及发展方向
铝合金的主要应用领域及其发展方向 一，铝合金简介 以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。 二，铝合金的分类 铝合金按照其性质和应用的不同可划分为普通铝合金，超高强度铝合金，耐热铝合金，铝基复合材料。其应用的领域各有侧重，涵盖了铝合金的所有应用领域。 三，铝合金的应用 1，典型用途 1050 食品、化学和酿造工业用挤压盘管，各种软管，烟花粉 1060 要求抗蚀性与成形性均高的场合，但对强度要求不高，化工设备是其典型用途 1100 用于加工需要有良好的成形性和高的抗蚀性但不要求有高强度的零件部件，例如化工产品、食品工业装置与贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具 1145 包装及绝热铝箔，热交换器 1199 电解电容器箔，光学反光沉积膜 1350 电线、导电绞线、汇流排、变压器带材 2011 螺钉及要求有良好切削性能的机械加工产品 2014 应用于要求高强度与硬度（包括高温）的场合。飞机重型、锻件、厚板和挤压材料，车轮与结构元件，多级火箭第一级燃料槽与航天器零件，卡车构架与悬挂系统零件 2017 是第一个获得工业应用的2XXX系合金，目前的应用范围较窄，主要为铆钉、通用机械零件、结构与运输工具结构件，螺旋桨与配件 2024 飞机结构、铆钉、导弹构件、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他种种结构件 2036 汽车车身钣金件 2048 航空航天器结构件与兵器结构零件 2124 航空航天器结构件 2218 飞机发动机和柴油发动机活塞，飞机发动机汽缸头，喷气发动机叶轮和压缩机环 2219 航天火箭焊接氧化剂槽，超音速飞机蒙皮与结构零件，工作温度为-270~300℃。焊接性好，断裂韧性高，T8状态有很高的抗应力腐蚀开裂能力2319 焊拉2219合金的焊条和填充焊料 2618 模锻件与自由锻件。活塞和航空发动机零件
铝基复合材料的发展现状与研究
铝基复合材料的发展现状与研究 摘要：随着现代生产技术的发展，对材料的性能要求越来越高，目前，铝基复合材料由于其优良的性能已经成为现时研究的热点。阐述了铝基复合材料的基本性能及应用情况，总结了近几年关于铝基复合材料的主要研究成果与发展趋势。 关键词：铝基复合材料,材料性能,研究成果,趋势 Development and progress of aluminium matrix composites Tang nong-j Abstract:With the development of modern manufacturing technology, The material performance requirements more and more high,The development of aluminum matrix composite materials was reviewed with their properties. Espectively in accordance with the classes to which they belong. The fundamental property and application field of aluminum matrix composite were briefly introduced. The main research achievements and development were summarized in recent years. Meanwhile, the outlook of its development was put forward. Key words:aluminium matrix composites,material properties,research findings,trend