中國粉體網(wǎng)訊 前不久，我國載人航天工程第一個空間核心艙-天和核心艙發(fā)射成功，“天和上九天”，離不開眾多新材料的支撐。其中，被用于天和太陽能帆板的就是碳化硅增強鋁基復(fù)合材料，關(guān)于這種新材料你了解多少呢？
碳化硅增強鋁基復(fù)合材料（SiC/Al），結(jié)合了鋁合金基體的比強度高、塑性加工性好、密度低等特性，和SiC顆粒硬度高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點，是綜合性能優(yōu)良的金屬基復(fù)合材料。因其具有輕量化和高性能的特點，在航空航天，汽車等多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。
制備方法
SiC/Al基復(fù)合材料的制備方法比較多，有鑄造法、粉末冶金、浸滲法、原位合成法、半固態(tài)攪熔復(fù)合法等。常見的方法有原位生成法、粉末冶金法、機械攪拌法、擠壓鑄造法、噴射沉積法、浸滲法等，下面主要對這六種方法進行介紹。
1 原位生成法
原位生成法由Koczak 等人于 1989 年首次提出，其原理為按照材料預(yù)先設(shè)計的需求選取合適的反應(yīng)劑，然后在特定的環(huán)境下將溫度升到能使原料內(nèi)特定元素發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的溫度，在這樣的條件下材料內(nèi)部能夠反應(yīng)生成一種或幾種均勻分布在基體內(nèi)部的且熱力學(xué)穩(wěn)定的增強體材料，以達到強化的效果。原位內(nèi)生法的優(yōu)點在于原位生成的增強體顆粒在基體內(nèi)分布均勻，二者之間的界面干凈無污染、工藝簡單等，故而該方法具備廣闊的應(yīng)用前景，經(jīng)近幾十年的發(fā)展，已細化完善出了許多不同的制備工藝，比如：自蔓延高溫合成法、彌散放熱法、熔鹽輔助法和直接反應(yīng)法等。但是該方法也有一定的缺點，對于制備復(fù)合材料的原材料有一定要求，需要滿足一些反應(yīng)條件同時反應(yīng)的副產(chǎn)物的生成難以控制，另外還存在界面問題等。
2 粉末冶金法
粉末冶金工藝是最常采用的且最早用于制備納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的工藝之一。其制備過程是：先將陶瓷顆粒增強體與鋁合金基體粉末在球磨罐中均勻混合，混合過程既可以干混也可以在液體環(huán)境下進行�；旌虾蟮姆垠w經(jīng)過冷壓成坯、真空排氣、熱壓燒結(jié)及后續(xù)處理(如擠壓、軋制、熱處理等)制得所需的復(fù)合材料。其過程示意圖見圖1。
圖1 傳統(tǒng)的粉末冶金工藝流程示意圖
粉末冶金工藝制備過程一般在真空或保護氣氛防護下進行且燒結(jié)溫度低于鋁合金的熔點，從而大大的降低了發(fā)生界面反應(yīng)的可能性。粉末冶金法制備鋁基復(fù)合材料可以大范圍調(diào)控陶瓷顆粒的尺寸和含量，而且可以保證納米顆粒增強體在基體中較均勻的分布，減少團聚與偏析的出現(xiàn)，從而使復(fù)合材料得到增強。該方法的缺點則在于材料容易出現(xiàn)氣孔，致密度不高。因此，必須通過擠壓、軋制或熱處理等工藝進行二次處理以改善其致密度及機械性能。此外，粉末冶金制備工藝比較繁瑣，通常需要密封、真空或者保護氣氛的工作條件，而且燒結(jié)溫度選擇不當(dāng)會導(dǎo)致偏析。
3 機械攪拌法
機械攪拌法是在攪拌的過程中將增強體顆粒加入到基體金屬液中，利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌裝置使增強體均勻混合入基體金屬液之中，然后澆入模具中得到想要的鑄件。其生產(chǎn)設(shè)備見圖2所示。機械攪拌法操作過程較為簡單，成本低廉，不到其他加工工藝的一半，是可以廣泛應(yīng)用的方法，目前工業(yè)上制備復(fù)合材料大多數(shù)都是采用該方法。
圖2 機械攪拌法示意圖
綜合國內(nèi)外對攪拌鑄造的研究發(fā)現(xiàn)，攪拌鑄造法可以以攪拌時的熔體溫度為依據(jù)，將其分為液態(tài)攪拌和液半固態(tài)攪拌兩種方法。液態(tài)攪拌法主要是使攪拌溫度保持在液相線以上，一邊攪拌一邊加入增強體顆粒，攪拌之后可以直接進行澆鑄。半固態(tài)攪拌是指將攪拌溫度調(diào)制固液相線之間，使熔體之中有一定的固相體積分?jǐn)?shù)。這樣在攪拌的時候熔體中會有更大的剪切力容易使增強體顆粒分布均勻。
這兩種方法各有優(yōu)缺點，液態(tài)法簡單，但是卷氣很嚴(yán)重，顆粒分散的不夠均勻。但是半固態(tài)攪拌鑄造法目前仍存在一些問題，如在攪拌過程中陶瓷顆粒容易產(chǎn)生偏聚、界面處易發(fā)生反應(yīng)等。其次，在空氣環(huán)境下進行攪拌時，攪拌的過程中尤其是高速攪拌時很容易吸入氣體，使得最后澆鑄出的復(fù)合材料產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)有害的氣孔缺陷。再次，顆粒增強相添加的體積分?jǐn)?shù)有一定限制是利用攪拌鑄造法制備金屬基復(fù)合材料的另一個問題。
4 擠壓鑄造法
這種方法首先是要按照零件的形狀將增強體材料制備成預(yù)制塊，然后放入鑄型。在重力下澆注液態(tài)金屬或合金，隨后對金屬液施加壓力，使基體熔液滲入到預(yù)制塊中形成錠。其制備示意圖見圖3所示。
圖3 擠壓鑄造示意圖
擠壓鑄造后得到的材料均勻性非常良好，材料內(nèi)部沒有明顯的缺陷。這是因為碳化硅顆粒與鋁合金基體的結(jié)合界面非常好，結(jié)合的十分緊密，使得二者之間的界面能夠起到傳遞載荷的作用，實現(xiàn)抑制鋁基體的膨脹的情況。擠壓鑄造法還有諸多優(yōu)點：制備出的產(chǎn)品尺寸準(zhǔn)確穩(wěn)定，省去了后期二次加工的麻煩；金屬液浸滲的時間很短，因此能夠獲得很快的冷卻速度，這樣可以大大減少不良界面反應(yīng)的發(fā)生；加入增強相的量可以自由的調(diào)節(jié)其范圍。但是該方法工藝復(fù)雜，不利于用來成型形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，而且如果使用浸滲的壓力比較大，可能會對產(chǎn)品形狀和模具的完好性產(chǎn)生很大的影響。
5 噴射沉積法
噴射沉積法是一種新型的加工工藝，主要是將熔化的基體金屬液在高速流動的惰性氣體中霧化向外噴出，同時將增強體顆粒添加到霧化噴出的金屬液體中，使兩者在沉降的過程中混合，最后共同在經(jīng)過預(yù)處理的基體上沉積制得想要的復(fù)合材料。制備過程見圖4所示。
圖4 噴射成形制備復(fù)合材料示意圖
這種方法的優(yōu)點是可以隨意調(diào)節(jié)增強體相的體積分?jǐn)?shù)，而且增強體材料的粒度大小在制備時也不受限制。得益于增強體顆粒與基體熔液之間接觸的時間很短暫，因此二者之間反應(yīng)時間非常有限，這樣可以明顯的改善二者之間的界面的結(jié)合狀態(tài)。因此霧化沉積技術(shù)可以使得基體保持快速凝固的特點，得到的晶粒十分細小。
6 浸滲法
浸滲法通常有兩種主要形式，包括無壓浸滲和壓力浸滲。無壓浸滲相對簡單，就是將基體Al合金在可控氣氛爐中加熱，使其超過液相線溫度；然后在不加壓力的條件下，使合金溶液自行浸滲到SiC預(yù)制體中去的制備方法。壓力浸滲的區(qū)別就是加上壓力條件，其方法接近于擠壓滲透鑄造。
浸滲法是一種成本較低且工藝簡單的制備技術(shù)。因而常用于高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al基復(fù)合材料的制備，制得的材料SiC顆分布相對均勻。成熟的無壓浸滲法制備的SiC/Al復(fù)合材料材料甚至已經(jīng)能夠應(yīng)用于電子封裝。但這種方法對預(yù)制體引入的高孔隙率難以控制。
應(yīng)用前景
SiCp/Al基復(fù)合材料作為一種性能優(yōu)質(zhì)的新型結(jié)構(gòu)材料，經(jīng)過國內(nèi)外多年的研制開發(fā)，逐漸在航空航天等高精尖領(lǐng)域得到了規(guī)�；膽�(yīng)用。在航空領(lǐng)域，目前，各國就飛機上各種常用構(gòu)件展開廣泛研究，如蒙皮、型材等。在航天領(lǐng)域，哈勃望遠鏡天線上的展開機構(gòu)中的支撐桿也采用了顆粒增強鋁基復(fù)合材料。在衛(wèi)星上，作為結(jié)構(gòu)材料，有效載荷鏡坯、支撐桿等關(guān)鍵部位也使用了顆粒增強鋁基復(fù)合材料，其中部分結(jié)構(gòu)件還兼具了功能材料的作用。
直升機用SiCp/Al基復(fù)合材料
（圖片來源：北京有色金屬研究總院）
SiCp/Al基復(fù)合材料作為一種輕質(zhì)高強的多功能復(fù)合材料，繼Al合金和Ti合金之后，發(fā)展成為新一代的結(jié)構(gòu)材料，也因此成為當(dāng)今金屬基復(fù)合材料發(fā)展與研究的主流。但問題依然存在，比如生產(chǎn)成本過高，大規(guī)�；a(chǎn)困難，產(chǎn)品生產(chǎn)的穩(wěn)定性不易實現(xiàn)等。因而對于SiC/Al基復(fù)合材料產(chǎn)品研發(fā)制備依然還有很長的路要走。中國粉體網(wǎng)將在鄭州舉辦“2021第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。屆時，來自北京航空航天大學(xué)寧波創(chuàng)新研究院的材料研究員王文博將帶來題為《SiC顆粒增強的鋁基復(fù)合材料》的報告。該報告將對SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料及其在軌道列車、乘車等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用進行詳細介紹。（鑒于當(dāng)前防控需要，原定于2021年8月13-14日在鄭州喆鵬酒店舉辦的“第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”將延期舉辦，計劃參會的單位可以聯(lián)系會務(wù)組，具體舉辦日期主辦方確定后將第一時間通知您！）
專家介紹
王文博，工學(xué)博士，現(xiàn)任北京航空航天大學(xué)寧波創(chuàng)新研究院材料研究員，在學(xué)術(shù)界擁有超過十年的材料研究經(jīng)歷并展現(xiàn)出了卓越的領(lǐng)導(dǎo)，交流和分析能力。專業(yè)領(lǐng)域涵蓋金屬、陶瓷、先進材料制造與機械性能測試、高性能合金設(shè)計與制備、分子動力學(xué)和 Monte Carlo 模擬。研究興趣主要包括研發(fā)新型納米合金，金屬納米結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能，新型材料燒結(jié)和表征技術(shù)，無損檢測。同時在科學(xué)論文撰寫，會議演講和實驗室建設(shè)方面具有豐富的經(jīng)驗。
參考來源：
【1】武慶杰.SiC/Al基復(fù)合材料界面的顯微結(jié)構(gòu)及第一性原理研究.2019年5月.
【2】李通，王全兆，等.碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的超聲檢測.熱加工工藝.2020.
【3】王志剛.SiCp/Al基復(fù)合材料制備工藝及性能研究.2018年6月.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)請告知刪除！
