颗粒增强铝基复合材料的研究

[摘 要] 金属基复合材料（MMCs）是新材料重点研究的领域，由于颗粒增强铝基复合材料作为先进的材料，具有优异的性能。同时原材料资源丰富，相对成本较低，在各经济领域有着广泛的应用前景，所以颗粒铝基复合材料（PRA）在金属基复合材料中占有重要地位。

本文介绍了颗粒增强铝基复合材料的组分包括了基体和增强体并说明了基体的作用以及增强体的主要类型；并阐述了颗粒增强铝基复合材料的性能及影响性能的因素和改善方法。此外还着重介绍了颗粒增强铝基复合材料的制备工艺。最后，主要说明了颗粒增强铝基复合材料的研究现状及其发展。

[关键词] 铝基复合材料；基体；增强体；性能

[Abstract]Metal matrix composites (MMCs) is the key research areas of new materials, because the particles reinforced aluminum composite material as the advanced material with excellent performance. At the same time rich raw material resources, relatively low cost, in the economic area has wide application, so particles aluminum matrix composites (PRA) in metal matrix composites occupies an important position.

This paper introduces the particles reinforced aluminum matrix composites including the components of the matrix and enhance body and explained that the role of the matrix, and increase the main body type; And explains the particles reinforced aluminum composite material properties and the influence of the factors and improve performance method. In addition, it also mainly introduces particles reinforced aluminum composite materials manufacturing process. Finally, the main show of particles reinforced aluminum matrix composites, research status and development.

[Key words] Aluminum composite material；Matrix；Enhance body； performance

目 录

一、颗粒增强铝基复合材料的组分 ......................................

（一）基体 ......................................................

（二）增强体 ....................................................

二、颗粒增强铝基复合材料的性能 ......................................

（一）颗粒增强铝基复合材料的性能 ................................

（二）影响材料性能的因素及改善方法 ..............................

1.增强颗粒与基体间的润湿性 ..................................

2.界面反应与界面结合状态 ....................................

三、颗粒增强铝基复合材料的制备工艺 ..................................

（一）液态法 .....................................................

1.无压浸渗法 ................................................

2.搅拌铸造法 ................................................

（二）固态法 .....................................................

1.粉末冶金 ..................................................

2.高能-高速工艺 .............................................

（三）两相法 .....................................................

1.半固态复合铸造工艺 ........................................

1.喷射共沉积技术 ............................................

（四）原位反应合成技术 ...........................................

1.自蔓延高温合成法（SHS） ...................................

2.放热弥散法（XDTM） .........................................

四、颗粒增强铝基复合材料的研究现状、发展趋势及应用 .................

1.颗粒增强铝基复合材料的研究现状 ............................

2.颗粒增强铝基复合材料的发展趋势 ............................

3.颗粒增强铝基复合材料的应用 ................................

五、结束语 ..........................................................

金属基复合材料（MMCs）是多功能复合材料的一种，它是以金属和合金为基体，以金属或非金属线、纤维、晶须或陶瓷颗粒状组合为增强相的非均质混合物。其特点是具有连续的金属基体，因此具有高比强度、高比模量、很好的耐磨性、腐蚀性以及高温等优良性能。在各个领域都有着广泛的应用前景。因而备受科学工作学者普遍关注。

近年来在金属基复合材料领域，铝基复合材料（包括纤维增强和颗粒增强）的发展尤为迅速。这不仅仅是由于它具有高比强度、高比模量、热膨胀系数低以及良好的抗磨耐磨性能等优良性能，而且因为在世界范围内有丰富的铝资源，并且可用常规设备和工艺加工成型和处理，所以铝基复合材料比其他的金属基复合材料更为经济，易于推广和应用。因此，铝基复合材料在国内外受到普遍重视。

铝基复合材料的研究主要集中在两个方面：一是采用连续纤维增强的复合材料；二是采用补连续颗粒增强的复合材料。本文主要是从第二个方面进行阐述及其研究。

颗粒铝基复合材料（PRA）是以铝及铝合金为基体，与颗粒增强体人工合成的复合材料，是具有发展潜力的金属基复合材料之一，其中以碳化硅、氧化铝颗粒增强铝基复合材料的发展最为迅猛，已广泛应用于航空航天、汽车制造、电子电气等领域，能代替铝合金、钛合金、钢等材料的制造高性能轻型构件，并可提高材料性能、使用寿命和仪器精度。

一、颗粒增强铝基复合材料的组分

复合材料的原材料包括基体材料和增强材料，所以颗粒增强铝基复合材料的组分为基体和增强体两部分。

（一）基体

基体基本上按原材料的类别区分，即高聚物（树脂）基、金属基、陶瓷基、玻璃与玻璃陶瓷基、碳基（包括石墨基）和水泥基等。基体是颗粒增强铝基复合材料的主要承载组分，对材料的性能具体决定性影响。所以一般选择使用高强度的铝合金为基体。

基体是为复合材料中起到粘接增强体成为整体并转递载荷到增强体的主要组分之

一。基体的作用是：固结增强体、传递和承受载荷、赋予复合材料以特定的形状。基体是颗粒增强铝基复合材料的主要承载组分，对材料的性能具体决定性影响。

基体材料成分的正确选择，对能否充分组合和发挥基体金属和增强物的性能特点，获得预期的优异综合性能满足使用要求十分重要。所以在选择基体金属时应考虑一下几方面：

（1）根据金属基复合材料的使用要求

金属基复合材料构件的使用要求是选择金属基体材料的重要依据。

（2）根据金属基复合材料组成特点

选用不同类型的增强材料对基体材料的选择有较大影响。

（3）基体金属与增强物的相容性

合金元素与增强物的反应程度不同，反应后生成的反应产物也不同，需要选用基体合金成分时充分考虑，尽可能选择既有利于金属与增强物侵润复合，又有利于形成合适

稳定的界面合金元素。

（二）增强体

增强体为复合材料中承受载荷的组分按几何形状来分，增强体有零维的颗粒状、一维的纤维状、二维的片状和三维的立体结构。如图1所示，即为增强体在显微镜下形状。

图1-增强体

按属性来分则有无机增强体和有机增强体，其中有合成的也有天然的。主要的增强体是纤维状的，如无机的玻璃纤维、碳纤维，还有少量碳化硅等陶瓷纤维，有机的则有芳酰胺纤维(芳纶)。二维的布和毡也是常用的增强体，其中玻璃、碳以及芳纶都有。正在发展三维异形织物，适合于各种复合材料型材和整体件的需要。天然的植物纤维和矿物纤维、片材和颗粒也用来作增强体，但仅适合于低性能的复合材料。而高性能的增强体虽然产量不大，但其性能已经很高，例如图2所示，碳纤维的密度只有1.7g/cm3左右，但其拉伸强度为3～5GPa、拉伸模量为200～700GPa，芳纶密度为1.4g／cm3，拉伸模量为120～150GPa。

图2

根据软硬程度，颗粒增强体可分为两种。一种是硬质的陶瓷颗粒，加入到铝合金基体中可显著提高材料的硬度、耐磨度、抗变形能力和热膨胀性能。另一种是软质颗粒，如石墨。大部分软质颗粒是优良的润滑体，软质颗粒增强铝基复合材料具有良好的耐磨性和减振性能[1]。

颗粒增强体通过两种机制产生增韧效果：

（1）当材料受到破坏力时，裂纹尖端处的颗粒发生显著变化，如晶型转变、体积变

化、微裂纹的产生和扩展等。它们消耗能量，提高了材料的韧性。

（2）材料中的第二相颗粒使裂纹的扩展路径发生改变，如裂纹偏转、弯曲、分叉、桥接和钉扎等，从而产生增韧效果。

（三）、颗粒增强铝基复合材料的增强机理

颗粒增强铝基复合材料是以纯铝或铝合金为基体，复合添加一定的颗粒增强相而成的。颗粒增强铝基复合材料的强化机理沿用的是弥散强化型合金的理论，并且从位错运动的角度分析[2]。在外加剪切应力σ的作用条件下，当基体金属中的位错所受到的力达到临界应力而发生运动，即基体金属发生塑形变形。如果位错运动受到增强颗粒的阻碍，就会产生位错塞积，从而使增强颗粒受到一个较大的应力。塞积位错越多，该应力就越大。根据研究结果表明[2]，颗粒的直径、间距以及体积分数之间必须满足下列关系式，否则颗粒将不存在任何强化作用。

DP= (2dP/3VP)1/2(1-VP) （1） 式中：DP为颗粒之间的间距；dP为颗粒的直径；VP为颗粒的体积分数。

二、颗粒增强铝基复合材料的性能

（一）颗粒增强铝基复合材料的性能

颗粒增强铝基复合材料的性能主要取决于铝合金的种类，增强体的特性、含量、分布，以及界面状态等。因此，基体和增强体的选择对颗粒增强铝基复合材料的性能起到决定性因素。

为了使得到的颗粒增强铝基复合材料的具有较高的比模量和比强度，通常会在基体中加入高强度、高模量的陶瓷颗粒。由于颗粒增强铝基复合材料中铝或铝合金的含量较高，体积分数一般在80%-90%[3]，因此，颗粒增强铝基复合材具有良好的导热性。

增强体的选择与加入，决定了材料的弹性模量和强度，但也往往的降低了延伸率，表1为14.2%颗粒增强的铝基复合材料在热处理下的温室力学性能与铝合金的比较。通过对比可以发现，14.2%SiC颗粒增强ZL101基复合材料的屈服强度以及弹性模量都要远比ZL101要高了很多。增强体通过五种强化机制对颗粒增强铝基复合材料的性能产生了影响，即固溶强化、位错强化、细晶强化、亚结构强化和应变硬化作用[4]。强化机制对材料性能的影响程度应根据材料的种类和不同的变形阶段来确定，因此很难进行精密和准确的分析。

表1

颗粒增强铝基复合材料的强度是协同效应的结果。协同效应反映了组分材料的原位特性，即各组分单独存在时的性能不能表征组成复合材料后的性能。目前协同效应的力学模型和基本规律尚未充分建立，对其进行理论分析的难度很大。强度问题的复杂性来源于组分的各向异性、不规则分布和不同的破坏模式，包括增强体的种类、含量和均匀分布程度，基体合金的种类和热处理状态，界面结合的性质和强弱，裂纹生长的干预等。增强体偏聚团是裂纹源，在材料受载时将加快裂纹的扩展。制备技术的不同 将导致微观结构的差异，如亚晶粒和位错密度的大小等也会影响材料的强度。同时，颗粒增强铝基复合材料的强度和破坏方式具有一定程度的随机性。

颗粒增强铝基复合材料的最大缺点在于延伸率低，造成其延伸率低的主要原因是由于复合材料的断裂方式与基体不同。材料受载时，粗大的颗粒可能成为裂纹源。对于弱强度结合的界面，容易发生界面脱离，导致裂纹产生。脆性金属间化合物也会导致材料的延伸率下降[5]。

总体而言，颗粒增强铝基复合材料的性能包括高比强度、比强度、弹性模量、耐磨性、线性膨胀系数小、尺寸稳定性好、高温性能稳定、疲劳性和断韧性好、不老化以及气密性还、二次加工性能较好等。

（二）影响材料性能的因素和改善方法

1、增强颗粒与基体间的润湿性

润湿性是由于液体与固体两相之间的粘附力大于液体内聚力而导致的两相之间的紧密接触。润湿性能将会直接影响复合材料的力学性能。润湿性有多种衡量方法，但常用的是以液/气界面与液/固界面间夹角的大小来衡量，成为接触角或润湿角，该角由Young方程确定：

σsg=σsl+σlgCOSθ （2） 式中：σsg为固/气界面能；σsl为固/液界面能；σlg为液/气界面能。当θ＜90°时，固相和液相润湿，当θ≥90°时，固液界面补润湿。

对于多数陶瓷颗粒来说，其与铝液的润湿性能较差，使颗粒加入和分散比较困难。而且，当颗粒表面吸附气体，水液等污染物，或颗粒表面与铝液存在氧化物薄膜时都会阻止铝液与颗粒的真正接触，使两者润湿困难。因此，我认为改善润湿性可采取的主要措施有以下几点:

(1)在增强颗粒表面涂覆一层润湿性良好的金属（如Cu、Ni等），减小接触角θ。

(2)向基体中加入活性元素（如Li、P等），降低颗粒表面张力。

(3)对某些颗粒进行预氧化处理或者预热处理，利用生成物来改变润湿性。

(4)制备过程中采用机械搅拌等方式，促使颗粒分布均匀。

2、界面反应和界面结合状态

界面是基体与增强体之间化学成分有显著变化、物理和化学性质明显不同、构成彼

此结合并能起载荷传递作用的微小区域。在复合材料的制备过程中，组分相互接触，某些元素相互扩散、溶解和化学反 应而生成界面。界面是基体相和增强体相的连接部分，是应力和其它信息传递的纽带，因此，界面是重 要的微结构，其结构和性能直接影响复合材料的性能。

对于颗粒增强铝基复合材料，界面的主要作用是吸收能量、阻碍裂纹的扩展、中断材料破坏和缓解 应力集中等。对界面的研究一直是重点研究课题。界面现象十分复杂，尽管已做了大量的工作，但难度很大。目前尚未建立精确的分析理论来研究界面对力学性能的影响，其首要问题是界面结合强度的计算和检测方法没有确立，只能停留在定性认识的水平上。因此，对界面的认识程度还不能准确地控制界面的结构。

制备温度下，颗粒与铝液之间常常发生化学反应，生成的产物对界面性能有很大的影响。一方面，适度的界面反应能增强润湿性，提高界面的结合度，。但过度的界面反应使得界面脆弱，严重降低了擦了的性能。而且生成的产物经常为材料的开裂源。因次，应选取适当的颗粒、基体组合、控制反应温度、调整改善颗粒表面的润湿性，把界面反应控制在适当的范围内。根据复合材料强度的混合定律，高强度、高模量的颗粒加入基体中，其强度性能得到改善，前提条件是组成复合材料的两相必须有牢固的界面结合强度。因而，制备过程中，还应该注意寻找颗粒与基体最佳界面结合状态，以使两者发挥最佳的相容性。

三、颗粒增强铝基复合材料的制备工艺

经过多年的研究和发展，制备颗粒增强铝基复合材料的工艺有很多，大致可分为液态法、固态法、两相法和原位复合合成技术。

（一）液态法

液态法主要包括无压浸渗法、挤压铸造法、真空压力浸渗法、搅拌铸造法等。采用液态法制造金属基复合材料时，制造温度高，容易发生严重的界面反应，对界面控制是制备复合材料的关键，也是限制复合材料应用的关键因素。下面就主要介绍液态法比较有代表性的两种制备工艺：无压浸渗法和搅拌铸造法。

1、无压浸渗法

Lanxide技术是由美国Lanxide公司于1986年开发出来的。该工艺中，基体合金放在可控制气氛的加热炉中加热到基体合金液相线也上的速度，在不加压力的情况下合金熔体自发渗透到颗粒层或预制块中，最终形成颗粒增强铝基复合材料。

美国Lanxide公司Aghgjanian等人指出，要使用自发渗透得以进行，需要具备两个必要条件，一是铝合金中含有一定的Mg元素；二是气氛为N₂环境。通过适当控制过程，如合金成分、温度、保温时间等，可以取得良好额润湿。是自发渗透得以进行。根据该工艺的特点，称其为无压浸渗法。

受到无压浸渗的启发，国内学者开展了在空气气氛环境下制备Al2O3和SiC颗粒增强铝基复合材料的研究，发现在颗粒增强物体中添加某种助渗剂或者在铝合金熔体中添加某种起到助渗作用的物质，通过Al向Al2O3或者SiC颗粒预制件中的浸渗试验，可

实现在空气中Al2O3/Al的无压浸渗制备。丁培通等人[6]采用这种方法通过向Al2O3颗粒和铝粉中添加SiO2颗粒，在不需要特殊气体保护条件下，利用其在高温下与铝熔体进行反应成功制得了性能优良的Al2O3/Al复合材料。

综上可知，浸渗法的的特点是制备工艺简单便捷，具有可操作性。而且显而易见的可知影响该工艺的主要因素为浸渗温度、颗粒大小和环境气体种类等。无压浸渗工艺的本质是实现自润湿作用。

2、搅拌铸造法

搅拌铸造是指将增强陶瓷颗粒加入高速搅拌的完全或者部分溶化的基体金属熔体中，然后浇注成复合材料的一种工艺。该工艺及设备要求最为简单，但是在制备过程中难以解决陶瓷颗粒的浸润问题。搅拌过程中陶瓷颗粒易聚集成团，而且重力的一个影响使颗粒下沉而造成分布不均，金属基体中易出现第二相偏析。此外，还普遍存在界面反应，加之高速机械搅拌时陶瓷颗粒的破碎，以及不可避免混入气体和夹杂物，使制得的复合材料性能不是十分理想。同时，颗粒的加入量也受到了一定限制，粒度不宜过小，一般大于10μm[7]。这些均对制取性能更为优异的材料产生不利的影响。

目前，搅拌铸造法所采用的有液态机械搅拌法和半固态机械搅拌法。前者是通过搅拌器的旋转运动使增强材料均匀分布在液体中，然后浇注成型。这种方法所用设备简单，操作方便，但增强颗粒不易与基体材料混合均匀，并且材料的吸气较严重，使所得的材料会存在一些瑕疵。后者是利用合金在固液温度区间经搅拌后得到的流变性质，将增强颗粒搅入半固态溶液中，依靠半固态金属的粘性阻止增强颗粒因密度差而浮沉来制备复合材料，这种方法能获得增强颗粒均匀分布的复合材料，但是，它只适应于有固液相温度区间的基体合金材料。近年来，国内外也对搅拌技术和颗粒的加入技术进行了许多研究。Dural公司的Skibo等人在80年代后期对搅拌铸造工艺作了重大改进[8]，使所制得的颗粒增强铝基复合复合材料质量和性能有明显的提高。

搅拌铸造法由于成本低，操作简单而广泛被广大学者所关注。近年来，在航空航天、汽车工业以及体育器械等方面已经有大量的实例，如传动轴承，压缩活塞等。

（二）固态法

粉末冶金、高速-高能工艺都属于固态法，固态法中的粉末冶金制备工艺是最早应用于复合材料的开发的。下面就注重介绍固态法中的这两种具有代表性的制备工艺。

1、粉末冶金法

粉末冶金是制备高熔点难成型金属材料的传统工艺，同时它也是最早开发用于制备颗粒金属基复合材料的工艺。其工艺过程是将固体增强颗粒和铝基粉末用机械手段均匀混合，经过筛分、混合、冷压固结以及除气处理，然后加热到固液相区进行真空热压制成复合材料锭，然后在经过挤压、轧制、铸造等加工制成所需要的型材和零件。使用粉末冶金法制得的产品具有界面反应少，增强相的含量可以根据需要进行调节，并且增强相分布均匀，性能稳定可进行传统的机械加工，综合强度水平比用熔融金属工艺生产的同种材料的高，伸长率也较高，材料微观组织结构有所改善。但该方法工艺复杂，成本

较高，金属粉末与陶瓷颗粒混合时会因颗粒分布不均匀，除气不完全导致材料内部出现气孔，温度选择不当易造成汗析。另外，制得的的复合材料坯件一般还需要二次成型。这种设备不适用于生产较大型件，所以对铝基复合材料的工业规模生产有所限制。因此，粉末冶金法不利于大规模的推广和应用。美国的ARCO公司、英国的BP公司[9]用粉末冶金法在SiC颗粒增强铝基复合材料方面取得了显著的成果。

在粉末冶金法的开发的机械合金化法实质也是一种粉末冶金的工艺，只是它在条件控制、工艺等方面比粉末冶金法要求更高。桑吉梅等人[10]用机械合金化法成功的制备了B4C/Al复合材料，其屈服强度和抗拉强度比常规粉末冶金法制备的B4C/Al复合材料分别提高了69%和70%。该工艺成功的解决了颗粒分布均匀性和界面结合问题，可制备高性能、高质量的颗粒增强铝基复合材料。

2、高能-高速工艺

高能高速成形是一种在极短时间内释放高能量而使金属变形的成形方法。高能高速成形的历史可追溯到100多年前，但由于成本太高及当时工业发展的局限，该工艺在当时并未得到应用。随着高新技术的发展及某些重要零部件的特殊需求，近些年来，高能高速成形得以飞速发展。其制备复合材料的原理是在短时间内供给高能量、高速的的金属和增强颗粒的混合物，使其固结而形成复合材料。高能高速成形主要包括：利用高压气体使活塞高速运动来产生动能的高速成形，利用火药爆炸产生化学能的爆炸成形，利用电能的电液成形，以及利用磁场力的电磁成形。这些特殊的成形工艺不仅赋予了成形后的材料特殊的性能，而且与常规成形方法相比还有以下特点：

（1）高能高速成形几乎不需模具和工装以及冲压设备，仅用凹模就可以实现成形。

（2）高能高速成形时，零件以极高的速度贴模，这不仅有利于提高零件的贴模性，而且可以有效地减小零件弹复现象。所以得到的零件精度高，表面质量好。

（3）因为是在瞬间成形，所以材料的塑性变形能力提高，对于塑性差的用普通方法难以成形的材料，采用高能高速成形仍可得到理想的成形产品。

（4）高能高速成形方法对制造复合材料具有独特的优越性，例如，在制造钢-钛复合金属板中，采用爆炸成形瞬间即可完成。

（三）、两相法

两相法主要包括半固态复合铸造工艺和喷射共沉积工艺。本节会只要介绍喷射共沉积工艺。

1、半固态复合铸造工艺

半固态复合铸造工艺也称流变铸造。该工艺是美国麻省理工学院MC flemings等人提出的，1974年美国首次发表了半固体复合铸造法的研究，其实质是液态搅拌法的一种变化和改良，是指将金属液温度控制在液相线和固相线之间进行搅拌，这时熔体含有一定组分的固相粒子，增强物的加入，即使润湿效果不好，由于固相粒子的阻挡和搅拌，增强物颗粒也不会结聚或偏聚，仍然能得到较好的分散。英国Lough-bough技术大学在研究石墨增强铝合金用于上产汽车发动机和轴承的可能性时就采用了这种工艺方法。此

工艺法是制造颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料最常用的方法，也是成本最低的一种方法。

2、喷射共沉积工艺

喷射沉积工艺是一种快速凝固技术，它由英国Singer首创并于1970年正式公布，并由OspreyMetals公司投入生产应用。这一工艺早期应用于一些金属半成品的生产和制备，后来加利福尼亚大学Lavernia E J等人开始利用这一技术采用VCM制备了颗粒尺寸为1.2μm和2.0μm的SiC/5182Al-Mg复合材料，图4为其制备复合材料的基本原理示意图。其具体工艺过程为：将铝合金在坩锅中熔化，加压流经雾化器后被高速气体分散成极其细小的微滴，微滴高速冷却后沉积到基板上，便可得到理想的快凝材料；若同时通过一个或几个喷嘴射入增强粒子并使之与雾化滴一起沉积到基板上，这样便制得了复合材料。该技术的优点是基体组织属于快凝范畴，陶瓷颗粒与金属熔滴接触的时间极短，界面化学反应能有效控制，控制工艺气氛可以最大的减少氧化，适合所有的基体/陶瓷体系[11]。 喷射沉积工艺是一种崭新的金属基复合材料制备工艺。它综合了粉末冶金和快速凝固技术，其冷却速度可达到103～

106K/s，因而在很大程度上避免了增强颗粒与基体的界面反应和铸造过程中普遍勋在的宏观偏析，使材料具有细小的等轴晶组织和优良的综合性能。另外，喷射沉积工艺大大简化了粉末冶金工艺，因此能有效的缩短生产周期、降低成本，有利于实行工业化生产。

图3-喷射共沉积基本原理图

图中各个数字的代表含义：1.热电偶；2.拔塞；3.金属熔体；4.感应线圈；5.坩锅；

6.喷嘴；7.雾化器；8.雾化液滴；9.颗粒喷吹管；10.MMC沉积体；11.水冷沉积基底；

12.旋转和移动装置；13.雾化室

（四）原位反应合成技术

原位反应和成法是近年来发展起来的一种新型的制备颗粒增强铝基复合材料的方法，其基本原理是：在一定的条件下，通过元素之间或者元素与化合物之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目的，此工艺由于增强体是从金属基体中原位形核。长大的力学稳定相，因此增强体表面无污染，界面结合强度高，避免了基体相容性不良的问题。原位反应合成铝基复合材料不受增强体的体积分数限制，增强体的设计自由度大。得到的增强体体尺寸细小，并呈弥散分布状态。界面洁净、无污染，结合强度高。因此材料具有优良的力学性能、耐磨性能和高温稳定性。原位反应合成技术包括几种方法，下面将简单的介绍自蔓延高温合成法（SHS）和放热弥散法（XDTM）两种方法。

1、自蔓延高温合成法（SHS）

自蔓延高温合成法（SHS）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，其生成热使临近的粉末温度骤然升高，发生化学反应并以燃烧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。

SHS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、活性高以及易于烧结并能获得高性能的材料。SHS技术在制备金属间化合物方面得到了广泛的应用，并且在金属基复合材料制备方面也得到了开发应用。Choi等[12]也曾利用Al粉、Ti粉和C纤维的SHS反应制备了原位TiC短纤维增强铝基复合材料。近年来，我国也报道过以SHS法合成的Al2O3/TiAl复合材料的研究成果。

2、放热弥散法（XDTM）

XDTM法是由美国Martin Marietta实验室在自蔓延高温合成法的基础上改进而来的，其基本原理是利用两组分间的放热反应得到第三种组分，制得含有很高增强体体积分数的（20%-75vol%）的中间合金，然后进行挤压、轧制制得复合材料，或者与主要合金混合重熔使之得到所需含量的颗粒增强体的金属基复合材料。Kou Shengzhong等[13]用该方法制备了Al2O3-TiCP/Al复合材料，并且对其分析了球墨时间对反应体系的影响。ZhangErlin等采用XDTM反应法合成了Ti-6Al/TiC复合材料，经研究发现生成的TiC颗粒呈光滑的球形，且尺寸小于1μm。

下面举例说明利用原位反应合成TiB2的反应机制：原位反应和成TiB2过程中，半生呈针状或条片状的反应化合物Al3Ti，割裂基体，成为材料的裂纹源，严重影响材料的塑形和疲劳性。李德成等人，利用热力学计算得出，由于中间反应相Al3Ti、AlB2在温度800-1200K时的稳定性远低于TiB2，且温度越高，其热稳定性越差。

原位反应中熔体的内的化学反应为：

3K2TiF6+6KBF4+10Al→2TiB2+6AlF3+12KF+TiAl3+AlB2+6F2

TiAl3+AlB2→TiB2+4Al

当Ti、B比例适当时，最终生成单一的TiB2强化相。朱和国等人报道了利用XDTM

法制备复合材料时，Al-TiO2-B体系在温度1073K的反应机制。他们认为体系首先有Al+TiO2→Al2O3+[Ti]，[Ti]+Al→Al3Ti反应，然后B向Al3Ti扩散，发生Al3Ti+B→TiB2+Al。随B/TiO2摩尔比增大，Al3Ti减少，当B/TiO2=2时，最终产物为TiB2和Al2O3。Tjong SC分析采用原位反应热压法时，Al-TiO2-B2O3的体系反应过程，指出在3TiO2+4Al→2Al203+3Ti、B2O3+2Al→Al2O3+2B后，可能发生Ti+2B→TiB2，Ti+3Al→Al3Ti反应，由于生成TiB2的Ti和B来源于TiO2、B2O3粉，TiB2分子难于扩散聚集，易获得细小颗粒，且通过调节B2O3量可以控制Al3Ti的生成。LeeK L考察了在1040K铝熔体中直接加入Ti、B、C的反应，未加入C时，Ti与B分别直接与Al反应，产物为TiB2和Al3Ti；加入C后，存在Al3Ti+C→TiC+3Al ，阻止了体系中Al3Ti的形成，最终生成相是TiB2和TiC。 当然，原位反应合成技术并不是十全十美的，作为新型的颗粒增强铝基复合材料的制备工艺，它还存在一下几点问题：

（1）强化相的种类有限，限制了材料的研发种类。

（2）对制备过程中材料微观组织的形成规律有待深入认识。

（3）在目前的制备水平下，增强体均匀化分布程度难以提高，反应过程也无法精确控制。

（4）对界面的研究还不够深入，如增强体的尺寸和体积分数、第二强化相、第三组元的加入对界面的影响等。

（5）在反应生成增强体的同时，往往产生其它物质，使材料的性能恶化

用

（一）颗粒增强铝基复合材料的研究现状

从20世纪60年代出现MMC到目前为止，研究最多的是铝基复合材料，尤其是颗粒增强铝基复合材料，该材料的开发和研究是近三十年来世界各发达国家广泛开展研究的一个材料领域。美国Duranlcan在加拿大已建成年产11340t的SiC/Al复合材料型材、棒材、铸锭以及复合材料零件的专业工厂，其生产的SiC/Al复合材料铸锭单个重达596㎏[14]。到目前为止，该公司生产的复合材料已经广泛应用于航空航天、电子工业、先进武器系统、光学精密仪器以及汽车工业和体育用品领域，并取得巨大经济效益。以上只是介绍了20世纪90年代国外集中报道的复合材料的典型实例。目前国外正在结合航空航天轻量化的发展要求，进行铝基复合材料在航天领域新的应用研究。

我国研制铝基复合材料的性能达到了国际先进水平，而且应用研究正在和国外应用研究接轨，并努力将材料推向实际应用。结合铝基复合材料应用要求，我国还发展了复合材料的导热性、热膨胀性、磨擦磨损特性、疲劳特性、尺寸稳定性等应用基础研究。在铝基复合材料的复合和成型技术研究方面，已经基本掌握了精密铸造、挤压成形、超塑成形、搅拌铸造、真空压力浸渍等技术，并达到了国际先进水平。

四、颗粒增强铝基复合材料的研究现状、发展趋势和应

在铸造法制备颗粒增强铝基复合材料的研究发面，我国已经解决了复合材料的铸造成形中的一些问题，如偏析，界面结合等问题。北行航空材料研究院经过将近10年的研究，在铸造颗粒增强铝基复合材料的制备、精密铸造工艺和应用发面取得了很大的进展，复合材料零件在卫星上获得正式应用[15]。

在粉末冶金方面，通过不断的改革、创新与钻研，我国研制的材料已经达到了国际同类材料的研究水平。另外“十五”期间，国内在高强高韧铝基复合材料制备技术方面取得了重大突破，解决了复合材料塑韧性差的问题[16]。

（二）颗粒增强铝基复合材料的发展趋势

颗粒增强铝基复合材料一直处于快速发展中，其发展趋势如下：

（1）优化设计方法和研发新型材料

优化设计方法和研发新型材料是颗粒增强铝基复合材料的重要发展趋势。设计自由度大是颗粒增强铝基复合材料的最大优势，优化设计方法可以最大限度地开发材料的性能，或根据应用情况进行性能的优化配置，并降低成本。目前，新型颗粒增强铝基复合材料的主要研发种类：原位自生赴俄材料、超细颗粒增强复合材料和梯度复合材料等。

（2）制备工艺的创新和降低成本

除了研发更种新型制备工艺外，将两种或两种以上的制备工艺结合，利用各自的优势，可以制备出性能更高的材料，如高能超声和原位反应复合法。材料在商业领域实现广泛应用的前提是降低成本，复合材料的工艺成本比原材料成本高的多，因此，降低成本的途径是优化传统的制备工艺，或采用成本更低的新制备工艺。

（3）国防工业将引领高性能复合材料的研发

航空、空间技术和先进武器等国防工业是体现国家科技实力的领域，对材料的性能的要求很高。为了研发达到使用要求材料，各国政府对颗粒增强铝基复合材料在国防工业领域的研发投入较高。由于颗粒增强铝基复合材料的种类很多，每一种材料的性能都不同，因此对服役期间的性能稳定性的监测也是一大难点。所以，多数高性能的颗粒增前铝基复合材料的研发周期长，失败风险大。只有政府才有能力投入巨大的成本进行这项艰难的工作。

（三）颗粒增强铝基复合材料的应用 由于颗粒增强氯基复合材料具有良好的综合性能，其比强度高于传统的铝合金，比模量甚至高于钛合金，用作高性能结构材料，可提高结构安全，或优化设计。同时颗粒增强铝基复合材料物理性能优异，在某些特殊环境下可作为功能材料应用。目前，颗粒增前铝基复合材料正向商业化和应用迅速发展，美国、欧洲、日本等投入了大量的财力物力，建立了工业规模生产颗粒增强铝基复合材料的工厂，产品种类和规格达几十种，已经相继在航空航天、军工业、电子工业、汽车、体育器械等领域得到应用。颗粒增强铝基复合材料已经进入了一个腾飞阶段。21世纪的今天，由于我国科技的飞速发展，对于各种材料的性能要求也越来越严格，尤其是航空航天的崛起，是我国对于颗粒增强铝基复合复合材料的要求更是严谨，所以我过在投入了大量的财力和物力之后，所收获的

结果是非常乐观的。例如，北京有色金属研究所采用粉末冶金方法研制的15%volSiCp/2009Al-T4复合材料棒材与美国DWA公司采用相同方法研制的同类材料的旋转弯曲疲劳性能相当。此外，北京有色金属研究院研制的中等体分颗粒增强铝基复合材料也具有较好的塑形和优异的综合性能。还有，我国在无压浸渗制备高体分复合材料应用于封装器件方面、在机械合金化粉末冶金技术制备超细颗粒增强铝基复合材料应用于惯导系统方面也取得了重大突破。北京航空材料研究所已经进行了多年863项目“颗粒增强铝基复合材料精密铸造”的研究，目前已经制得了多种宇航零件样件，其中飞机发动机液压分油盖已经通过使用部门的出不试车实验，卫星遥感器镜体已经通过内部质量鉴定。颗粒增强铝基复合材料的高弹性模量和低热膨胀系数的特性，决定了它在制造光学和电子封装壳体两件上的应用，尤其是高体积比（50-70vol%）颗粒铝基复合材料，具有很低的热膨胀系数和良好的导热性，是理想的电子封装壳体材料。

五、 结束语

随着当今社会科技的飞速发展，人类对于材料的需求越来越多，同时对于材料的性能以及要求也越来越严格与苛刻。目前，颗粒增强铝基复合材料正向商业化生产和应用迅速迈进，制约颗粒增强铝基复合材料发展的关键因素正逐步被消除，如工艺复杂，制备成本等。

颗粒增强铝基复合材料材料作为21世纪的先进材料，具有优异的性能，与此同时原材料资源丰富，相比较而言成本较低，在各个领域有着广泛的应用前景，已经被世界各个国家受到普遍的重视与研究。迄今为止，颗粒增前铝基复合材料已经经过了斤30年的研究与发展，取得的成绩更是不可泯灭的。颗粒增强铝基复合材料的多元化的研究应用与发展，使其人类生活越来越优越，其在航空航天、军工、汽车、电子以及体育器械等方面的应用也得到的了认可和肯定。因此，如今颗粒增前铝基复合材料已经进入了一个腾飞的阶段。

材料是人类社会的物质基础，社会的飞速发展推动了新材料的研发热潮，颗粒增前铝基复合材料的性能与发展前景，势必引领先进材料应用领域的革命。

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