纳米碳/铝复合材料强韧化研究现状及展望

以碳纳米管、石墨烯为代表的超高性能纳米碳,具有优越的力、热、电等综合性能,是复合材料的理想增强体,以纳米碳为强化相少量加入到铝中,有望开发出高强、高模、低热膨胀的复合材料,并使复合材料保持轻质、易加工等特性,在航空、航天、国防等领域具有重大的应用前景,因而以纳米碳/铝为代表的新一代铝基复合材料备受关注。然而,碳纳米管等纳米碳易团聚,与铝等大多数金属并不浸润,且容易分布在晶界上诱导显著的晶粒细化,使得复合材料的强韧性等关键性能指标提升困难,或者使强度提高的同时使塑韧性下降显著,限制了其工程应用潜力。综述近年来国内外研究者在纳米碳/铝复合材料强韧化方面的策略和方法,包括纳米碳分散、界面和构型调控等,以期推动新一代轻质高强纳米碳/铝复合材料的发展,支撑国家未来重大工程应用。

热处理对激光粉末床熔融AlSi10Mg合金热物理性能的影响

采用激光粉末床熔融(laser powder bed fusion,LPBF)法成功制备AlSi10Mg合金样品,研究130℃/4 h时效处理、236℃/10 h退火处理和540℃/1 h固溶处理三种热处理工艺对AlSi10Mg合金样品的微观组织的影响,以及热处理后AlSi10Mg合金在室温~400℃的温度范围内热膨胀系数和热导率演变规律。结果表明:时效处理后铝基体中析出球状的Si颗粒,仍然保留完整的网状共晶硅组织;退火后,网状共晶硅完全消失,球化Si颗粒均匀分布在基体中;固溶处理后出现大的块状Si颗粒,尺寸在1~3μm;经过热处理之后AlSi10Mg合金的热物理性能均优于打印态。退火处理后的合金样品在室温到400℃的热膨胀系数为1.64×10^(−5)~2.1×10^(−5)℃^(−1),平均热导率为179.6 W·m^(−1)·K^(−1),性能优于时效处理和固溶处理。

颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形有限元模拟

目的建立可靠的模拟方法,以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料(PRAMC)粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异,解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题,满足批量应用的需求。方法以45%(体积分数)SiCp/6092Al复合材料为研究对象,构建了能预测粉末热等静压成形过程的有限元模型。使用Gurson-Tvergard-Needleman(GTN)模型作为粉末本构模型,建立了粉末尺度的代表性体积单元(RVE)对GTN模型进行修正。结果通过对比GTN模型计算结果与实验结果,发现修正后的GTN模型能更准确地预测模型的最终变形尺寸,与修正前相比,相对误差降低了1.6%~2.9%。使用修正后的GTN模型对杯形回转体零件的热等静压成形过程进行预测,最终形状的计算结果与实验结果的相对误差仅为0.2%~3.1%,致密度分布的相对误差在0.5%以内。在探究包套厚度对热等静压过程的影响时发现,随着包套厚度的增大,热等静压过程中的屏蔽作用增强,内部粉体致密度下降。结论为PRAMC热等静压近终形制备的形状和致密度控制问题提供了有限元预测工具,辅助优化了热等静压工艺和包套设计,降低了颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形过程开发的试错成本。

双模CNT/Al复合材料变形过程的代表性体积单元模拟

目的研究双模CNT/Al复合材料在塑性加工过程中的微观结构演变行为。方法通过ABAQUS/Python二次开发,对双模CNT/Al复合材料代表性体积单元(RVE)进行参数化建模,并基于显式动力学求解器和欧拉-拉格朗日耦合技术,对双模CNT/Al复合材料RVE模型的单向压缩过程和挤压过程进行数值模拟分析。结果单向压缩模拟结果显示,结构心部异质区两侧的等效塑性应变较大,结构边缘基体区域的等效塑性应变相对较小;最大等效应力位于结构边角处的基体区域,而结构心部异质区的等效应力则相对较小。通过对异质区材料和形态的影响规律进行分析发现,当异质区为粗晶材料时,其变形后的形态更趋于扁平,而当异质区为细晶材料时,其变形后的形态更接近椭圆。通过挤压过程的模拟,实现了对变形过程中双模组织结构变化的分析,模拟结果显示,材料表面与模具贴合良好,异质区随变形的进行被不断拉长,部分异质区由于拉伸程度过大,甚至出现了分离的情况。结论提出的模拟方法为双模CNT/Al复合材料的挤压变形工艺设计和变形后组织结构预测提供了有效手段。

基于代表性体积单元的双模铝基复合材料性能拟实研究

目的研究双模铝基复合材料连续区(Continuous Region,CR)和非连续区(Discontinuous Region,DR)力学性能对材料整体力学性能的影响规律,以深入了解双模铝基复合材料的强韧化机理。方法基于Abaqus模拟软件,以双模CNT/Al为研究对象,建立了构型尺度的代表性体积单元(RVE)模型,采用GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型来描述双模CNT/Al中CR和DR的变形力学行为,通过定义力学性能参数来简化描述CR和DR复杂的力学性能。针对双模CNT/Al的CR和DR,分别设定力学性能参数HC和HD,并进行一系列的拉伸载荷模拟,研究HC和HD对双模复合材料整体力学性能的影响规律。通过与真实双模CNT/Al的力学性能进行对比,得到双模CNT/Al中CR和DR力学性能与均匀材料力学性能的差异,最后对双模CNT/Al在变形过程中的应力分布情况和断裂后的形貌进行分析。结果当HC小于4时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而下降;当HC大于5时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而增大;双模CNT/Al的屈服强度随着HD和HC的增大而增大,延伸率随着HD和HC的增大而降低。当HD或HC一定时,在HC=HD时,模型材料的延伸率最大。典型双模CNT/Al由“粗晶铝合金+CNT/超细晶Al复合材料”构成,与均匀结构的粗晶铝合金相比,其构型中粗晶铝合金的强度显著提升、塑韧性显著下降;与均匀结构的CNT/超细晶Al相比,其构型中的CNT/超细晶Al复合材料的强度小幅降低、塑韧性小幅提升。当HD大于HC时,裂纹优先在DR产生;当HD小于HC时,裂纹优先在CR区产生;当HD和HC接近时,裂纹产生的区域更加分散。结论建立了一种双模铝基复合材料的有限元模型,从数值上说明了双模CNT/Al复合材料微区与均匀材料的力学性能存在显著差异,为双模铝基复合材料的设计提供了参考。

无压烧结温度对15%SiC/2009Al复合材料微观组织与力学性能的影响

针对传统粉末冶金工艺制备成本高、制备效率低等问题,采用冷等静压结合无压烧结及热挤压工艺制备15%(体积分数,下同)SiC/2009Al复合材料。研究不同烧结温度(600,620,640℃)对15%SiC/2009Al复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明:在600℃下烧结,SiC与基体间的结合差,微观下可观察到较多的大尺寸孔隙,材料的致密度低,力学性能差;在640℃高温下烧结,坯锭产生大量液相,并溢出到坯锭表面,造成心部合金元素下降,此外,640℃会引发强烈的界面反应,生成较多大尺寸脆性相,成为材料断裂过程中的裂纹源,导致材料性能下降;620℃为最佳烧结温度,产生较多的液相能填充坯锭中的部分孔隙,进而提高材料致密度以及界面结合强度,复合材料的强度和塑性均取得最佳值,抗拉强度与屈服强度分别达到505,345 MPa,伸长率达到7.2%。

淬火冷却方式及宏观取向对Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能的影响

以7050铝合金为研究对象,研究热处理状态(空冷时效与水冷时效)和宏观取向(与轧制方向成0°,45°,90°)耦合作用对合金力学性能的影响。结果表明:水冷时效态的样品中析出相细小均匀弥散,晶界无析出带较窄。在空冷时效态下,过饱和的溶质不仅会以半共格的Al3Zr为核心形成粗大析出相,还会沿位错大量析出。此外,与水冷时效态相比,空冷时效态晶界相尺寸大幅增加,晶界无析出带显著宽化,不同宏观取向样品的强度和伸长率都明显下降。宏观取向对两种状态样品强度的差值影响较小,但对伸长率的差值影响较大。当拉伸方向与轧制方向成45°方向时,空冷诱导的伸长率下降幅度最小;当拉伸方向与轧制方向成90°时,下降幅度最大。

热沉用高导热碳/金属复合材料研究进展

碳/金属复合材料是极具发展潜力的高导热热沉材料,更高性能的突破并发展近终成型是适应未来高技术领域中大功率散热需求的必由之路。本文分别从碳/金属复合材料的传热理论计算、影响热导性能的关键因素及近终成型技术的发展现状进行了综述,指出未来碳/金属复合材料高导热发展一方面需要从界面导热理论计算上取得突破,对关键参量进行理论筛选和优化;另一方面,需要综合考虑界面、增强体尺寸、含量、分布,对多个参量进行集成调控,甚至进行构型化设计,实现更高热导率的突破;最后,还要发展近终成型的制备技术,从而摆脱现有金刚石/金属为代表的碳/金属复合材料加工难度极大、成本高昂的应用困境。

片状粉末法制备碳纳米管/铝复合材料的组织特征及性能调控

本文利用片状粉末法中片状铝粉末大比表面积优势,结合粉末冶金法成功制备了碳纳米管/铝复合材料,实现了碳纳米管的低结构损伤和在铝基体中的良好分散。但片状铝粉表面自发生成的氧化铝薄膜阻碍了碳纳米管与铝的直接结合。由于粉末冶金低的制备温度,这种碳纳米管-氧化物-铝之间难以形成强的化学键合,复合材料在拉伸后直接在混合界面上破坏,导致复合材料相比基体合金强度不增反降。通过增加片状粉末厚度进而减小其表面的氧化物以及结合添加镁元素的方法,大幅增加界面结合强度,复合材料的屈服强度和抗拉强度相比基体出现高效提升。

TiB_(2)纳米涂层改性碳纤维增强Mg基复合材料的微观结构及力学性能

采用新颖的溶胶-凝胶与碳热还原相结合的方法,对M55J连续碳纤维(Cf)表面进行TiB_(2)纳米涂层改性。首先,制备了掺杂五硼酸铵(NH_(4)B_(5)_(O8)的)TiO_(2)溶胶(0.2 mol/L)(Ti与B的物质的量比为1∶2),然后将其均匀涂覆到C_(f)表面。XPS分析表明,经1350℃烧结120 min后,C_(f)表面涂层发生原位反应并生成了TiB_(2)。采用压力浸渗法分别制备了体积分数为40%和50%的Cf增强镁基(C_(f)/Mg)复合材料,其抗弯强度分别达到720 MPa和870 MPa。然而,对比实验表明Mg基体不能浸渗到无涂层的C_(f)预制体中。HRTEM分析表明,厚度为20~30 nm的界面层由TiB_(2)和少量的TiC、TiO_(2)纳米颗粒组成。C_(f)表面的TiB_(2)纳米涂层可以改善C_(f)与Mg基体之间的润湿性,提高C_(f)/Mg复合材料的力学性能。

SiC_p尺寸对铝基复合材料拉伸性能和断裂机制的影响

对粉末冶金法制备的不同尺寸SiCp增强铝基复合材料的拉伸性能进行了研究.结果表明,小尺寸SiCp（<7μm）复合材料断裂以界面处基体撕裂为主,强度较高.大尺寸 SiCp增强复合材料断裂以 SiCp解理为主,强度较低,但塑性比小尺寸颗粒增强复合材料要高.体积分数为17％,尺寸为7μm颗粒复合材料拉伸性能最好.

面向未来应用的金属基复合材料

规模化应用促使金属基复合材料研发向更高强度、良好塑韧性和工艺性的方向迈进。围绕该目标,近年来的研究重点主要以多尺度强化、纳米碳材料增强以及非均质构型设计等为特点。介绍了金属基复合材料相关的研究进展,指出超细晶、超细颗粒协同强化可以获得高强度与良好塑韧性,进一步通过双尺度增强相强化可以兼顾模量等综合性能;纳米碳材料综合性能极高,对金属的强化具有高效与多样化特性;非均质构型在充分发挥纳米碳和陶瓷相的增强作用、挖掘复合材料性能极限方面体现了极高的可行性。同时也指出了这些研究面临的挑战,以及未来开展构型仿真、纳米碳-金属界面模拟研究以及发展必须的宏量制备技术的必要性。可以预见,金属基复合材料的研发已经进入新阶段,并已成为高性能材料发展的一个重要方向。

高性能铝基复合材料的设计与加工技术

从铝基复合材料微观结构特征与性能关系角度,回顾了承载结构用典型铝基复合材料在体系设计、制备与成型加工研究方面的成果与进展,同时简要介绍了近期铝基复合材料为实现性能突破所开展的研究探索,最后根据铝基复合材料的发展历程与现有研究的特点对铝基复合材料今后的研究应用进行了展望。

塑性变形对15% SiC_p/2009 Al复合材料的性能改善

采用粉末冶金法制备的 15 %SiCp/2 0 0 9Al复合材料挤压棒材具有良好的塑性与较高的拉伸强度 ,再进行压缩变形后发现 ,复合材料的强度得到较大幅度提高 ,而塑性值基本保持稳定。同时 ,不同锻压温度和变形量对复合材料的性能影响较小。通过金相观察发现 ,复合材料经过锻压后 ,SiC颗粒分布较挤压态更为均匀 。

TiB_w与TiC_p原位增强钛复合材料的高温蠕变特性

分别对增强相体积分数为15％的TiBw/Ti和（TiBw+TiCp）Ti复合材料及相应的基体在798-848 K范围内进行了蠕变行为研究.结果表明,两种复合材料的应力因子分别为 4.6-4.7和4.3-4.5,激活能为294和343kJ/mol,比纯钛的晶格扩散激活能高.两种复合材料的抗蠕变能力均比基体好,而（TiBw+TiCp）/Ti的抗蠕变性能比TiBw/Ti还要好.此外,实验表明在三种材料中都没有门槛应力存在.两种复合材料的蠕变机制均为位错攀移机制.

高能球磨制备15%SiC/2009Al复合材料的微观组织与断裂行为

利用高能球磨法制备了 15 %SiC/ 2 0 0 9Al复合材料。结果表明 ,基体合金内具有明显的位错胞与亚结构 ,平均晶粒尺寸约为 3～ 4μm。对复合材料挤压棒材分别在 2 5 ,15 0 ,2 0 0 ,3 15 ,40 0℃下测试了拉伸力学性能。复合材料在 15 0℃下还能保持较高的拉伸强度。断口形貌表明 ,在低温下孔洞首先在界面附近的基体合金内形成 。

热处理对15%SiC_p/2009Al复合材料力学性能与断裂行为的影响

使用不同固溶温度对粉末冶金工艺制备的15%SiCp/2009Al复合材料进行了处理,经过自然时效后进行了拉伸试验。结果表明:复合材料强度与塑性均随着固溶温度的提高而增加;挤压态的复合材料强度与基体合金基本相同。动态拉伸和断口形貌观察表明:挤压态的复合材料断裂形式为界面和基体中形成孔洞并相互连接导致试样断裂;而热处理后界面附近的基体中形成孔洞以及颗粒开裂并向基体中扩展导致试样断裂。

热处理对SiC_p/Al复合材料强度和塑性的影响

采用粉末冶金法制备了d300 mm的15%SiCp/Al(体积分数)复合材料坯锭,研究了挤压态和T4态复合材料的力学性能和断裂特点,揭示了基体强度和颗粒开裂对复合材料强度与塑性的影响规律。结果表明:复合材料T4态拉伸强度保持在560 MPa的水平下,延伸率仍高达7%以上;与挤压态相比,T4态复合材料拉伸强度和屈服强度分别提高了68.5%和105%,但塑性保持在同一水平。断口观察表明:挤压态复合材料以基体断裂为主,而T4态复合材料除了基体断裂外,还存在SiC颗粒开裂现象;基体强度严重影响复合材料的断裂形式,颗粒开裂有利于提高复合材料的塑性。

颗粒增强铝基复合材料在航空航天领域的应用

详细介绍了制备颗粒增强铝基复合材料较为成熟的4种工艺,分析了各自的优缺点,综述了颗粒增强铝基复合材料在国内外航空航天领域中的一些成功应用,同时对我国发展颗粒增强铝基复合材料提出了一些建议。

高能球磨粉末冶金制备工艺对15%SiC_p/2009Al复合材料性能的影响

采用高能球磨粉末冶金法制备了15%SiCp/2009Al复合材料,研究了球磨转速、球磨时间、加热抽真空工艺、热压成型以及热挤压比对复合材料力学性能的影响。结果表明,球磨转速和时间、热压成型工艺是影响复合材料力学性能的重要因素。较长时间高转速球磨使SiC颗粒均匀分布,高温真空热压改善粉末之间的结合是获得高性能复合材料的关键。转速190r/min、球磨6h制备的复合粉末经高温真空热压、挤压后的复合材料SiC颗粒均匀分布,材料的抗拉强度高达650MPa,延伸率大于5%。