金屬基復合材料范文

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【關鍵詞】金屬基復合材料 性能 關鍵技術(shù)

一、背景

20世紀60年代，美國航天飛機主艙體的主龍骨的支柱就采用了硼纖維增強鋁基復合材料；20世紀80年代初期，逐漸強化對碳纖維增強鋁基復合材料制備工藝技術(shù)研究力度，如壓鑄、半固態(tài)復合鑄造以及噴射沉積和原位金屬直接氧化法、反應生成法。80年中期開始加強對金屬基復合材料界面穩(wěn)定性研究。

二、金屬基復合材料特征性能內(nèi)容

高強度、高模量、低密度的增強纖維的加入，使MMC的比強度和比模量成倍地提高；良好的高溫穩(wěn)定性和熱沖擊性。金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，加上增強材料主要為無機物，在高溫下具有很高的強度和模量，因此MMC比基體金屬具有更高的高溫性能；熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好；良好的導熱性；不吸潮、不老化、氣密性好。

三、MMC的制備工藝和制備方法研究

金屬基復合材料的制備工藝研究主要包含以下幾個方面：金屬基體和增強物的結(jié)合方式和結(jié)合性；增強物在金屬基體中的混合分布情況；降低成本，復合材料硬度、穩(wěn)定性的提升；避免連續(xù)性纖維在制作中的出現(xiàn)傷損狀況。

目前制備方法有固態(tài)法，液態(tài)法，噴涂噴射沉積，原位復合等。

（一）固態(tài)法。固態(tài)法指在制備過程中把纖維、顆粒等與金屬基體按照原始設計要求，通過低溫、高壓條件將二者復合粘結(jié)，最終形成金屬基復合材料。該制備方法整個工藝保持在低溫環(huán)境下、且金屬材料和纖維、顆粒等增強物狀態(tài)呈現(xiàn)為固態(tài)、界面反應不嚴重。固態(tài)法制備工藝包含以下兩個方面：

1.擴散結(jié)合。擴散結(jié)合是指金屬材料在一定溫度和壓強下，把新鮮清潔表面的金屬和增強材料，通過表面原子的互相擴散而連接在一起的固態(tài)化焊接技術(shù)。如圖

2.粉末冶金。粉末冶金（Powder Metallurgy）適應范圍廣，對于長纖維、短纖維、顆粒性金屬基增強材料的制備都適合，粉末冶金制作工藝是將金屬材料和增強物（顆粒、纖維等）按照一定要求混合，并經(jīng)過壓制、燒結(jié)及后期一系列處理工藝制成金屬基復合材料。在制備過程中，為提升該方法產(chǎn)品的壓制性和燒制收縮率，可根據(jù)實際需要加入液相燒結(jié)組元，通過這種工藝制備的金屬基復合材料可有效增強其室、常溫條件下材料的硬度、耐磨度的部分。[1]粉末冶金法工藝過程如下圖

（二）液態(tài)法。液態(tài)法包含壓鑄、半固態(tài)的符合鑄造、攪拌法和無壓滲透法等，根據(jù)其內(nèi)容劃分又稱之為“熔鑄法”。這些方法的共同持點是金屬基體在制備復合材料時均處于液態(tài)。這種方法優(yōu)點顯著，成本低、基礎設施要求不高，且只需要一次性即可完成，它的這些優(yōu)勢決定其可批量大規(guī)模進行生產(chǎn)。其中日本松下潤二 采用離心鑄造法制造出AlSi 基石墨增強復合材料[2]。

（三）噴涂與噴射沉積。噴涂沉積主要應用于纖維增強金屬基復合材料的預制層的制備，亦可以作為獲取層狀復合材料坯料的方法。該工藝主要用作顆粒型金屬復合材料的制作，其最大的優(yōu)勢在于對增強材料、金屬潤濕要求不高，接觸時間較短且界面反應量少。

（四）原位復合。解決了增強材料與金屬基體之間的相容性問題、即增強材料與金屬基體的潤濕性要求。解決了高溫下的界面反應等。例如：

四、技術(shù)關鍵以及難點

主要是加工溫度高，性能波動，成本高以及制造工藝中的金屬基復合材料中的金屬與增強物的相容性。

五、應用前景

金屬基復合材料獨特優(yōu)勢，決定其必然在將來得到廣泛利用，并得到規(guī)模生產(chǎn)，且伴隨著科技發(fā)展，其成本亦會變得越來越低。當前就工藝技術(shù)而言，鑄造法和原位復合法得到廣泛應用，前者工藝流程簡易、且成本廉價，而后者具備優(yōu)良工藝特征，具備極強發(fā)展前景。若將來可綜合二者，金屬基復合材料將會取得更為顯著的成果。

參考文獻：

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家電外觀用金屬復合材料可被分為兩大類，即PCM 和VCM，二者的主要差別在于，VCM是覆膜板，即在基板上貼覆PET-PVC 高分子薄膜的鋼板；PCM 則是采用在基板上預涂高分子涂料的加工工藝的鋼板。PCM 主要應用于家電側(cè)板的生產(chǎn)，VCM 主要用于家電面板的生產(chǎn)。PCM、VCM 外觀靚麗時尚，迎合了時下家電外觀設計多樣化的趨勢，近年來在家電制造業(yè)的應用越來越廣泛，相關生產(chǎn)企業(yè)摩拳擦掌，準備開創(chuàng)一片新天地。

抓住機會，贏得市場

與傳統(tǒng)噴涂工藝相比，金屬復合材料更環(huán)保。據(jù)了解，傳統(tǒng)噴涂工藝的流程為熱水洗- 脫脂- 水洗-表面調(diào)整- 磷化處理- 去離子水洗- 烘干- 靜電噴粉- 固化- 冷卻- 下線。在這個過程中，磷化處理環(huán)節(jié)形成的含磷污水和噴粉過程中粉末的揮發(fā)會破壞環(huán)境。因此，近年來，國家對新建家電生產(chǎn)線的環(huán)保審批要求更嚴，大部分整機廠新增產(chǎn)能都不再采用傳統(tǒng)噴涂工藝，作為家電外觀部件，VCM、PCM 有機會得到更多應用。

“VCM、PCM 在家電應用領域?qū)⒏焖俚匕l(fā)展。”某整機廠采購部門負責人在接受《電器》記者采訪時分析說，“隨著能源、治污、人力等成本的上升，噴涂工藝效率低、能耗高和治污成本高的缺點逐漸暴露出來，對于整機廠來說，直接選購金屬復合材料性價比更高。家電外殼制造正在逐步從家電整機廠商的業(yè)務范圍中分離出來，成為一個新興行業(yè)。”根據(jù)企業(yè)測算，金屬表面使用預涂裝工藝的處理速度是噴涂線的10 倍以上，節(jié)約能源1/6 ～ 1/5，對家電廠商而言可降低整體生產(chǎn)成本5% ～ 10%。

家電外觀用金屬復合材料迎來了真正的發(fā)展機遇，面對不斷增長的市場需求，金屬復合材料生產(chǎn)企業(yè)紛紛加大投入，積極開拓市場。2015 年3 月19 日，江蘇立霸實業(yè)股份有限公司股票在上海證券交易所上市。相關負責人透露：“通過股票上市融資，立霸將順應市場需求，進一步拓展旗下家電外觀用金屬復合材料業(yè)務，謀求更大發(fā)展。” 立霸上市公告顯示，2014 年，立霸實現(xiàn)營業(yè)收入7.37 億元，較2013 年增長了9.77%。2015 年第一季度，立霸經(jīng)營業(yè)績與2014 年同期相比有所上升，預計營業(yè)收入為1.75 億～ 1.96 億元。

“2015 年，公司實現(xiàn)30% 左右的增長完全不成問題。”珠海拾比佰彩圖板股份有限公司設計中心吳爭先告訴《電器》記者。據(jù)介紹，拾比佰80% ～ 90% 的產(chǎn)品用來配套家電制造。其中，50% 的產(chǎn)品用于配套冰箱。2015 年，冰箱整機制造增長速度放緩，對拾比佰產(chǎn)品的采購量有所下降。然而由于拾比佰旗下產(chǎn)品品類豐富，已經(jīng)形成了幾十個系列，輻射眾多家電品類，新領域、新業(yè)務的增長消除了冰箱應用領域需求不旺給拾比佰造成的負面影響。“最近空氣凈化器市場表現(xiàn)不錯，產(chǎn)銷量都在快速增長，拾比佰已經(jīng)有完備的凈化器外殼表面處理方案，可以為整機制造提供一整套服務。”

淀川盛馀看好在中國家電市場上的發(fā)展前景，由日本淀川制鋼所與臺灣盛馀股份有限公司共同出資在安徽合肥設立了淀川盛馀（合肥）高科技鋼板有限公司。合肥淀川盛馀總經(jīng)理二田哲說：“合肥是中國著名的家電產(chǎn)區(qū)，淀川盛馀自2013 年扎根此地，銷量就一直保持平穩(wěn)增長。隨著中國家電產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，淀川盛馀在家電領域的業(yè)務不斷推進，未來還會有大發(fā)展。”

山東冀偉金屬板材科技有限公司是長江以北唯一具備一定規(guī)模的家電外觀用金屬復合材料的生產(chǎn)企業(yè)，目前主要從事VCM 的生產(chǎn)和銷售。據(jù)銷售副總經(jīng)理韓志剛透露，應對市場需求，2015 年冀偉或?qū)⑼顿Y建設新的生產(chǎn)線，進一步擴大金屬復合材料生產(chǎn)規(guī)模。

比拼技術(shù)，各展所長

從制造工藝角度來看，VCM 以熱鍍鋅板或冷軋鋼板為基材，在進行脫脂、水洗、鈍化等基材預處理后，通過覆膜等工藝程序在其表面壓制各種功能性薄膜，最后剪切成相應尺寸的成品。PCM 以熱鍍鋅板或冷軋鋼板為基材，在進行脫脂、水洗、鈍化等基材預處理后，通過輥涂等工藝程序在其表面涂覆高分子涂料，最后剪切成相應尺寸的成品。為了滿足整機廠提出的各種要求，家電外觀用金屬復合材料生產(chǎn)企業(yè)在原材料、工藝流程選擇等方面努力尋求技術(shù)突破。

據(jù)介紹，立霸的核心技術(shù)主要體現(xiàn)在復合膜材料的生產(chǎn)和PCM、VCM 系列產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的制造工藝方面。相關負責人表示：“近年來，立霸通過引進、定制國內(nèi)外專業(yè)設備，經(jīng)過數(shù)年的實驗，在精密涂布工藝技術(shù)方面取得突破，制造出在附著力（如鍍鋁層與PET 薄膜的附著力、面膜與底膜的附著力等）、耐溫性、彎曲性等各方面指標達到較高水平的功能性復合膜，提升VCM 成品的性能。”此外，在PCM 板的生產(chǎn)過程中，立霸的涂布環(huán)節(jié)采用輥涂工藝，獨特的三輥逆涂技術(shù)通過調(diào)整三輥之間的間隙和速比，最終將涂料逆向涂布在基材表面，形成均勻細膩的外觀表面，確保有機涂層表面的顏色和性能具有極高的一致性。PCM 的表面是平滑的，為了體現(xiàn)立體的視覺效果，立霸采用特殊的表層涂料和專門的涂布工藝、涂層固化工藝，制造出表面具有明顯凹凸感的家電用PCM 系列產(chǎn)品，頗具新意。

冀偉開發(fā)出ACM，是在PET 基礎上增加了金屬膜，能使家電外觀呈現(xiàn)較強的立體感，并能營造出更豐富的紋理和圖案，目前主要配套高端小家電的外殼制造。

《電器》記者從業(yè)內(nèi)專家處了解到，目前，家電用金屬復合材料的技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在功能性、基板質(zhì)量、有機涂料和復合膜等方面。第一，各種功能型的金屬復合材料將更好地滿足家電制造的個性化要求，例如，高吸熱、深沖型、抗菌功能型等金屬復合材料都已經(jīng)成功應用于家電制造。第二，在基板選擇方面，整機廠也在調(diào)整，目前，采用熱鍍鋁鋅板鋼卷作為基板的比例在提高，一些高端家電為了使外觀達到獨特的視覺效果，甚至選擇不銹鋼作為基板。第三，為了適應資源節(jié)約、產(chǎn)品輕量化的發(fā)展趨勢，家電外觀復合材料的基板開始“瘦身”，整機廠要求金屬復合材料在滿足所需性能的同時盡量纖薄。第四，復合膜與有機涂料的研究開發(fā)也十分關鍵，在環(huán)保性、功能性和外觀設計等方面取得進展，一些企業(yè)已開發(fā)出具備耐污染、吸熱等功能的涂料。

加強品質(zhì)管控，提升產(chǎn)品性能

關乎家電整機的“面子”問題，PCM、VCM 主要用于制造各類家電的外觀件，對于表面質(zhì)量、成型能力及耐腐蝕、耐洗滌、耐高溫等性能指標都有特殊要求，因此作為關鍵原材料的鋼材基板、復合膜等的品質(zhì)和性能直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率。對此，立霸有關負責人表示，經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐和客戶售后反饋，立霸的鋼板、復合膜等關鍵原材料均選用國內(nèi)外知名企業(yè)提供的產(chǎn)品，穩(wěn)定的質(zhì)量直接保證了立霸產(chǎn)品的成品率。與此同時，長期合作也使立霸與主要客戶建立了更加穩(wěn)定的合作關系，既保證原材料供應的及時性和穩(wěn)定性，也適度降低了采購成本。

從產(chǎn)品的角度來看，淀川盛馀對旗下產(chǎn)品在制造以及應用環(huán)節(jié)的品質(zhì)管控也非常嚴格，所有產(chǎn)品均經(jīng)過嚴苛測試。通過500 小時的鹽水噴霧試驗，對比試驗結(jié)果，普通55% 鍍鋁鋅鋼板已經(jīng)出現(xiàn)比較嚴重的銹蝕現(xiàn)象，而淀川盛馀55% 鍍鋁鋅鋼板依舊潔凈如新。淀川盛馀無鉻高耐腐蝕鍍鋁鋅彩涂鋼板在日本還通過了5 年暴露試驗，對空調(diào)室外機的保護效果明顯好于采用傳統(tǒng)噴涂工藝的鍍鋅鋼板。

健康環(huán)保，永恒主題

健康環(huán)保是如今家電制造業(yè)的主旋律，立霸推出了貼合家電健康環(huán)保主題的產(chǎn)品。據(jù)介紹，立霸的新型環(huán)保復合膜制造技術(shù)是一種由PET薄膜、印刷層、粘膠層、底膜等依次層狀疊加復合而成的新型材料，主要工序是先在PET薄膜內(nèi)側(cè)通過套印系統(tǒng)印刷不同的顏色和圖案，然后再在印刷層上涂布一層膠粘劑，烘干后與PVC、PP、PET 或PETG 等材質(zhì)的底膜復合在一起制成。

篇3

1市場前景

隨著綠色建筑在世界范圍內(nèi)的興起，建筑保溫材料正朝著精細化的方向發(fā)展．絕熱性能和力學性能優(yōu)異的復合材料連接器是目前保溫墻所用鋼釘?shù)淖顑?yōu)替代產(chǎn)品，并且已經(jīng)得到應用，其發(fā)展前景會越來越被受到重視．

2應用情況調(diào)查

境外應用情況。澳大利亞公司CompositeGlobalSolutions（CGS），在澳大利亞、迪拜、新加坡和香港均有業(yè)務，他們向預制制造商供應綜合絕熱系統(tǒng)來制造預制混凝土夾心板，即整體的建筑絕熱系統(tǒng)．CGS公司的產(chǎn)品在澳大利亞、新西蘭和中東已經(jīng)應用于住宅、倉庫（特別是冷藏庫）、清潔制造設備、大學和其他教育機構(gòu)以及監(jiān)獄設施，使用規(guī)模正在擴大．

在國內(nèi)的應用情況。北京特邁斯建筑科技有限公司（TMS）是在北京市工商局注冊登記的外資企業(yè)，其母公司是澳大利亞注冊公司CompositeGlobalSolutions（CGS），目前此公司主要與萬科進行合作，提供建筑絕熱系統(tǒng)預制件，是目前國內(nèi)唯一有記錄的制造商家．目前國內(nèi)有三個重大的正在建筑或接近尾聲的實驗項目使用這種建筑絕熱工藝，在建的項目有[5]：（1）使用6500平米的建筑絕熱墻板，天津東麗湖閱湖園項目中3座11層建筑，49-51號樓（圖3）．（2）萬科預制研究和發(fā)展研究所在北京豐臺的建筑，使用了500平米的建筑絕熱墻板．（3）北京朝陽區(qū)亮馬橋3號和4號樓，使用2000平米建筑絕熱墻板．建筑絕熱系統(tǒng)的墻板授權(quán)制造商為北京豐臺榆樹莊構(gòu)件廠．

建筑絕熱系統(tǒng)復合材料連接器介紹

復合材料連接器（圖4，圖5）是建筑絕熱系統(tǒng)中的重要結(jié)構(gòu)件，連接器是由纖維合成材料構(gòu)成，而纖維合成材料由連續(xù)玻璃纖維和乙烯基酯聚合體樹脂組成．纖維通過熱固樹脂溶液和溫度控制沖模進行拉伸，加熱樹脂從而引起化學反應將纖維結(jié)合在一起．在另一過程中，在連接器裸棒周圍注模形成聚合體套，從而適應絕熱板上孔的摩擦，并且通過套邊緣保證在濕混凝土中正確的嵌入深度[5-6]．連接器必須在各個方面與混凝土兼容，這表示使用的材料必須抗堿腐蝕，不親水，并且和混凝土有同樣的熱膨脹系數(shù)，非兼容材料會導致表層爆裂，可能造成結(jié)構(gòu)能力的損失．連接器在濕混凝土中通過有槽口的梁腋的嵌入而形成結(jié)合作用．實際嵌入后的連接器在養(yǎng)護好的混凝土中的拉拔強度是普通荷載條件下，如風吸力（即便是臺風區(qū)域）以及脫版時受力的二十多倍（圖5）．

纖維合成連接器開發(fā)之前，整體混凝土建筑唯一的混凝土層之間的結(jié)構(gòu)連接器的選擇為銷（也叫栓），材料為低碳鋼或不銹鋼．與低碳鋼相比，連接器出色的剪切能力消除了鋼銷或固體混凝土澆筑穿過絕熱板的結(jié)構(gòu)需要．整體建筑最近的類型由于溫度差別和變化造成的兩混凝土層之間存在的大量不獨立的運動約束，會造成開裂．連接器的纖維合成材料擁有1.0W/M.K的熱傳導率，其他相關材料的數(shù)值為[5]：不銹鋼26.25W/K.M低碳鋼52.64W/K.M混凝土1.80W/K.M擠塑聚苯板0.028W/K.M纖維合成連接器的使用保留了實際潛能，或者說“購買了”墻板絕熱的R值．第三方監(jiān)視的熱箱測試（ASTMC236）顯示，建筑絕熱系統(tǒng)達到了墻板絕熱所要求的效率，高達99%．連接器已經(jīng)經(jīng)過如下試驗：拉伸強度、抗壓強度、剪切強度、疲勞和循環(huán)（地震）加載、低溫壓力、防火、彎曲、蠕動等．

復合材料連接器的技術(shù)改進措施探討

1傳統(tǒng)的制作方法

從目前的資料能夠看出，建筑絕熱系統(tǒng)用的復合材料連接器的傳統(tǒng)制作工藝是采用拉擠成型后續(xù)機械加工的方式進行生產(chǎn)．這種工藝在生產(chǎn)規(guī)則形狀的產(chǎn)品時效率非常高，但對于建筑絕熱連接器而言，由于連接器的兩端形狀不規(guī)則，需要進行二次機械加工，這樣就會造成復合材料中的纖維遭到部分破壞，而且纖維增強復合材料的機械加工難度大，對工人的技能要求較高．

2改進的制作方法

如何避免后續(xù)的機械加工是制作建筑絕熱連接器的改進方向和核心內(nèi)容．具體改進措施可以考慮采用以下兩種方式：（1）真空灌注成型、間歇式生產(chǎn)的方法，在模具中保證復合材料連接器的外型，使用單向纖維在模具中進行填充，然后進行真空灌注，但其缺點是對單向布的填充過程要求比較高，可能會有部分的彎曲纖維產(chǎn)生；（2）采用真空輔助成型和拉擠成型相結(jié)合的方式，進行二次成型，拉伸成型工藝用于生產(chǎn)連接器中的中心部分，然后將其放置在真空輔助成型的模具中，真空輔助成型用于原來需要進行后續(xù)加工的部分，這樣能夠避免復合材料在成型過程中的破壞，而且避免了后續(xù)的機械加工造成復合材料加工缺陷．

3需要克服的技術(shù)難題

復合材料連接器必須在各個方面與混凝土兼容，這就要求使用的材料必須符合以下幾個方面的要求：（1）抗堿腐蝕，不親水；（2）復合材料連接器要和混凝土有同樣的熱膨脹系數(shù)．非兼容材料會導致表層爆裂，可能造成結(jié)構(gòu)能力的損失．針對這些技術(shù)難度，可以首先考慮樹脂與混凝土的膨脹系數(shù)匹配性，尋找與混凝土具有相同膨脹系數(shù)的樹脂，主要是不飽和樹脂；其次是采用具有不同膨脹系數(shù)的不飽和樹脂來改變混合比例，從而研制出符合要求的樹脂配方體系．

篇4

本書包含了大量的論題，向我們展示了不同領域的先進復合材料的研究和發(fā)現(xiàn)，尤其是在航空航海領域甚至是在陸上的應用。

本書共分為5章：1.簡介，后4章是主題論文合集：1.前言，簡要介紹金屬及材料學會年會及成書的原因；2.復合材料的加工和設計，論題包括（1）10%鋁基飛灰復合材料的形變特性在空間航空中的應用；（2）B4C在鋁基復合材料中對機械性能和耐腐蝕性上的影響；（3）細菌纖維素對β相聚偏二氟乙烯的相穩(wěn)定增強研究；（4）合成復合TaCTaB2粉末；3.復合材料的微觀結(jié)構(gòu)和相圖表征，論題包括（1）激光沉積原位TiC增強鎳基復合材料：微觀結(jié)構(gòu)和摩擦學性能研究；（2）擠壓浸透法生產(chǎn)微石英增強鋁合金金屬基復合材料；（3）混合金屬功能梯度復合材料的擠壓浸透法技術(shù)生產(chǎn)和表征；（4）磁性記憶合金NiCo40+xAl30-x＼[X=0、3、6、10＼]的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能；（5）金屬基復合材料的定向凝固；4.材料的機械性能的發(fā)展，論題包括（1）一種高機械性能的金屬納米復合材料：NbTi納米線和NiTi基復合材料的反常熱膨脹； （2）復合材料數(shù)據(jù)融合無損檢測技術(shù)對累計損傷進行定量；（3）計算預測玻璃態(tài)聚合物和熱固塑料的機械性能；（4）多尺度表征SiC/SiC復合材料；（5）用于航空的鋁基金屬復合材料在加工中的斷裂韌性和損傷力學研究；5.復合材料的界面和粘結(jié)，論題包括（1）連續(xù)纖維增強陶瓷鋁基復合材料的多尺度建模；（2）沖擊檢測在評價復合材料層合板弱鍵中的發(fā)展；（3）用等離子體處理高分子纖維來增強織物復合材料層合板的機械性能；（4）1758K下鈦鋁合金對TiCx的潤濕性研究；（5）用于汽車工業(yè)的金屬聚合物金屬三明治結(jié)構(gòu)的成形極限圖。

本書適合材料化學、固體物理、建筑學專業(yè)的研究生閱讀，同時對從事復合材料研究工作的工程師、科學家和技術(shù)人員能夠開闊視野，同時儲備一些如何根據(jù)不同應用領域來選擇和使用先進復合材料的相關知識。

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關鍵詞 氧化物；陶瓷；鐵基；復合材料；潤濕性

中圖分類號TF12 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2014）123-0135-02

0引言

氧化物陶瓷/鐵基耐磨復合材料，氧化物陶瓷的特性有機械強度高、耐磨性能好、耐腐蝕性好、熱穩(wěn)定性好，缺點是易碎裂、不易加工、驟冷驟熱性能不良。金屬合金材料加工性能好、韌性好，但耐磨性能不良。如何把陶瓷的優(yōu)良特性與金屬合金材料優(yōu)良特性結(jié)合起來，揚長避短，國內(nèi)外都做了大量的研究與實踐。因此，具有陶瓷的優(yōu)良特性及耐磨性能，又具有金屬材料的優(yōu)良特性的耐磨復合材料被廣泛應用于各種耐磨領域。這就需要把陶瓷與金屬復合到一起，但現(xiàn)有的生產(chǎn)制作工藝復雜，對工藝裝備要求高，生產(chǎn)成本居高不下，很難被多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)采用，因此，我們要研究一種生產(chǎn)工藝來降低生產(chǎn)成本，能讓多數(shù)普通企業(yè)能用上高硬度、高強度、高耐磨性、高韌性的復合材料。

1背景

磨損是零部件失效的一種基本類型，普遍存在于冶金、礦山、電力、機械、國防、軍工、航空航天等許多工業(yè)部門，這造成了材料的極大浪費和能源的巨大消耗。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)每年消耗金屬耐磨材料高達600萬噸以上。以上數(shù)據(jù)可知，提高機械設備及零部件的耐磨損性能，可以大大減少能源消耗，提高生產(chǎn)效率。眾所周知，陶瓷具有很高的耐磨損性能，而金屬具有良好的韌性。這些性能很難在同一材料中協(xié)調(diào)一致，為了解決這一矛盾，使用氧化物陶瓷鐵基耐磨復合材料是較好的選擇。

2現(xiàn)行生產(chǎn)工藝

現(xiàn)行生產(chǎn)工藝有幾大類：1）將制備好的氧化物陶瓷顆粒與自熔性金屬合金粉末混合后（按一定比例）用油壓機或等靜壓壓制成工藝所需的形狀，用高于自熔性金屬合金熔點的溫度下，進行燒結(jié)；2）將制備好的氧化物陶瓷顆粒與自熔性金屬合金粉末混合燒結(jié)，是利用自熔性金屬合金與氧元素結(jié)合能力的差異，將金屬從其氧化物中置換出來，形成氧化物陶瓷/鐵基耐磨復合材料；3）將自熔性金屬合金熔液熔滲到陶瓷預制體多孔之中。上述方法只能生產(chǎn)小型復合材料塊，無法將復合材料復合到需要耐磨的部位，運用到礦山機械、粉碎設備上難度很大。此工藝經(jīng)濟性稍差。

3研究方向

氧化物陶瓷鐵合金復合材料性能優(yōu)良，但與大型結(jié)構(gòu)件復合復合困難，制備過程比較復雜。雖然，現(xiàn)有工藝解決了一些問題，在制作單個氧化物陶瓷鐵合金復合材料上等研究取得了一定的進展，在實際應用領域但仍未開發(fā)出適合實際的產(chǎn)品。因此，需要研究開發(fā)出適合的新型制備工藝。我們主要研究方向是如何將復合材料復合到需要耐磨的部位，運用到礦山機械、粉碎設備上，重點在能降低成本、實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)進行研究探討。

4實施方法

1）合金耐磨預制件制成工藝：將氧化物陶瓷顆粒與自熔性合金粉末按比例用機械進行充分混合，依據(jù)用戶產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同設計不同的模具，在油壓機下將合金耐磨預制件壓制制成特定形狀，如柱狀、條狀、塊狀、蜂窩狀等；2）冶金工藝：將耐磨預制件置于用泡沫、塑料等高分子有機材料制作的實體模具內(nèi)用真空冶金鑄造工藝進行復合鑄造。利用金屬母液的溫度將合金耐磨預制件燒制成型并與合金耐磨預制件形成冶金結(jié)合面。該工藝設備投資小、工藝簡單、金屬母體與耐磨預制件冶金結(jié)合面良好。

5工藝過程

1）將粒徑為8目的氧化物陶瓷顆粒10%、粒徑為30目的氧化物陶瓷顆粒39%、粒徑為60目的氧化鋯陶瓷顆粒48%與自熔性鐵基合金粉末7%，使用水溶性樹脂4%機械混合均勻得混合物，放入油壓機中用模具壓制成型然后放入80°C的烘箱中烘干得到耐磨預制件；

2）將耐磨預制件在800℃的箱式爐中進行排膠；

3）將排膠后的耐磨預制件涂抹硬釬劑；

4）將涂抹硬釬劑的耐磨預制件置于用泡沫、塑料等高分子有機材料制作成為與要生產(chǎn)鑄造的零件結(jié)構(gòu)、尺寸完全一樣的實體模具內(nèi)；

5）實體模具經(jīng)過浸涂強化涂料并烘干后，裝入真空造型砂箱中排列好做好澆鑄口，然后用干石英砂埋好，經(jīng)三維振動臺振動埋實；

6）用中頻感應煉鋼爐將耐磨基礎件金屬母體常用耐磨件的高錳鋼、合金鋼、高碳鉻鐵熔化成金屬液，用澆包將合金鋼水澆鑄到真空造型砂箱上的澆鑄口中，真空造型砂箱在0.5Pa的負壓狀態(tài)下澆入熔化的合金金屬液，使高分子有機材料實體模型受熱氣化被抽出，被液體合金金屬取代冷卻凝固后成型，同時利用合金金屬母液的溫度將耐磨預制件燒制成型并與耐磨預制件形成冶金結(jié)合面。

6優(yōu)點

1）利用合金金屬母液的溫度將耐磨預制件燒制成型并與耐磨基礎件形成冶金結(jié)合面。耐磨件基體和氧化物陶瓷不會發(fā)生變形；

2）工藝簡單、制作材料不需進行熱處理就能達到所需

硬度；

3）解決了氧化物金屬陶瓷和金屬基體結(jié)合難的難題，避免了澆注工藝帶來的缺陷；

4）耐磨工件表面氧化物陶瓷、金屬呈規(guī)律分布，既保證了耐磨件的耐磨性，又保證了其抗沖擊性能；

5）冶金面結(jié)合良好能大幅度降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

參考文獻

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篇6

關鍵詞：鑄造工藝；雙金屬復合材料；性能；影響

前言

文章中對不同的鑄造結(jié)構(gòu)和使用條件進行了分析，通過采取特殊的鑄造工藝方法，能夠使結(jié)晶界面和基體的溫度、梯度以及厚度都是均等的，保證結(jié)合界面是均勻的，同時也能制備出無混料的雙金屬復合材料，對復合材料進行進一步的研究和分析，在經(jīng)濟效益和學術(shù)價值方面十分有利。

1 對雙液雙金屬復合鑄造的概述

雙液雙金屬復合鑄造是指在一定的澆注溫度下，將兩種液體的金屬按照一定的順序?qū)⑵錆沧⒌酵粋€鑄型中，這樣形成的復合材料具有很好的耐磨性，同時，也能克服兩種金屬存在的缺點，將兩種金屬的優(yōu)點進行發(fā)揮，新形成的復合材料具有兩種金屬的特性。新型復合鑄造零件能夠適應各種惡劣的使用環(huán)境，在使用過程中壽命也將出現(xiàn)延長的情況。雙液雙金屬在實際操作過程中比較難，在對耐用零件進行批量生產(chǎn)時難度系數(shù)更大。在應用過程中，可靠性條件非常差，對整個加工過程帶來的影響將非常大。在鑄造過程中，對界面的結(jié)合質(zhì)量對復合材料的性能影響原因進行分析，能夠?qū)秃辖缑娴年P鍵因素進行保證。

2 對雙金屬復合材料的概述

采用復合技術(shù)將兩種完全不同的金屬接觸面進行相互之間的固勞，并且結(jié)合在一起，通常情況下，兩種金屬的物理和化學性能都將是不同的，在這種情況下，出現(xiàn)的新型材料就是雙金屬復合材料。雙金屬復合材料具有非常好的性能，而且這些技能非常特殊，在工作環(huán)境比較惡劣的情況下，雙金屬復合材料的使用壽命也非常好。雙金屬復合材料成本非常低，在性能方面非常好，而且能夠合理對資源進行開發(fā)利用。在很多的工業(yè)領域中，石油、汽車、航空對這種新型的材料應用比較廣泛，因此，其市場前景非常好。

3 鑄造工藝對雙金屬復合材料性能影響的實驗

文章對鑄造工藝對雙金屬復合材料的材質(zhì)復合界面的組織以及耐磨性綜合力學性能進行了試驗和研究，在以后的經(jīng)濟發(fā)展和社會進步將有很大影響。

3.1 實驗材料

在試驗過程中，主要的試驗材料有碳、硅、朦和鉻，其中，碳是鋼中的主要元素，是鋼的基本組織成分。在試驗中，將少量的碳固體溶合在鐵素體中，這樣能形成以滲碳體的形式存在。在實驗過程中要對碳含量進行很好的控制，因為碳含量過高或者是過低都是會導致鋼的質(zhì)量受到很大影響。碳含量出現(xiàn)過低的情況，會導致鋼的淬硬性以及耐磨性出現(xiàn)很差的情況，在碳含量過高的情況下，會導致鋼的韌性出現(xiàn)降低的情況，因此，要對碳的含量進行很好的控制，能夠更好的保證鋼的剛度和硬度。硅在鋼中的作用就是當貝氏體轉(zhuǎn)變過程中，抑制碳化合物的析出，硅在鋼中的形態(tài)主要是以固體的形式進行溶體，在鐵素體中進行存在，這樣利用硅的性能能夠更好的增加鋼的強度和硬度，降低鋼的塑性。在鑄造鋼過程中，錳的作用是不可替代的，其主要的功能就是脫氧，對硫元素進行中和，避免出現(xiàn)有害作用，從而能對鑄件出現(xiàn)的強烈缺陷進行防止。不僅如此，錳還能對鋼中出現(xiàn)的溫度以及分解速度進行降低。在使用過程中將錳和硅進行配合使用，能夠?qū)︿摰膹姸冗M行提高，對硬度和韌度也有很好的促進作用。但是，在鋼中，錳的含量一定要進行必要的控制，不能出現(xiàn)錳含量過高的情況，這樣會導致鋼晶粒出現(xiàn)粗化的情況，對鋼的回火脆性以及敏感性都有很大的影響。

鉻是一種活性比較大的耐磨材料元素，其能夠固溶于鐵素體中，同時也能和鋼中的碳組合形成很多種碳化物，它的主要作用就是促使鋼的淬透性得到提高，同時，對鋼的抗氧化能力和抗腐蝕能力進行提高。鉻在鋼中的含量比較高也不用對其進行擔心，這種元素不會對鋼的性能產(chǎn)生很大的影響，但是，其會在鋼中形成比較復雜的碳化物，這種物質(zhì)能夠從鋼中進行析出，然后起到沉淀和強化的作用。

3.2 實驗方法

3.2.1 具體方法

使用酸性坩堝熔煉實驗鋼，并采用65kg和150kg中頻感應電爐，將澆注溫度定為1550，濕砂型澆注后加工成10mm×10mm×55mm沖擊韌性試樣。主要對鋼的材質(zhì)復合界面組織、耐磨性、綜合力學性能三方面進行分析和觀察。其中，采用的器具主要有ZBC-300B全自動金屬擺錘沖擊實驗機，負責沖擊韌性測試；HRC-150A硬度計負責硬度測試；MLD-10動載荷磨料磨損試驗機負責磨損試驗。最后采用奧林巴斯GX71倒置式金相顯微鏡進行組織分析，從而得出結(jié)論。

3.2.2 鑄造工藝

實驗時采用兩個澆注系統(tǒng)，分別澆入低碳鋼和高碳鋼，時間上要間隔15-80秒，而且需要注意的是澆入低碳鋼后，當鋼液已經(jīng)趨近工藝要求的復合界面或已達到時，根據(jù)鑄件的大小才可以澆入高碳鋼。其中任選一組將激冷材料放置在兩種材質(zhì)的連接部位，從而保證結(jié)晶界面與基體間存在一定的溫度梯度以及厚度，另一組則不需要添加激冷材料。

3.3 實驗結(jié)果

3.3.1 對復合界面組織的影響

由于采用特殊的雙液雙金屬復合鑄造工藝，當?shù)吞间摻Y(jié)晶后才進行高碳鋼的澆筑，然后經(jīng)過高溫鐵水的作用，致使低碳鋼能夠保存的很好，只是表面熔化很薄的一層，而且結(jié)合區(qū)復合界面的交界線處相互交錯，產(chǎn)生了熔融和相互滲透的現(xiàn)象，這是從圖片上清晰可見的，這就說明兩種材質(zhì)的中間結(jié)合面實現(xiàn)了有效的冶金結(jié)合，而且復合界面并沒有發(fā)生沖混現(xiàn)象。

3.3.2 對耐磨性的影響

通過實驗，我們可以總結(jié)出：將實驗鋼材料和高錳鋼進行相同時間的磨損，發(fā)現(xiàn)前者的動載磨損失重量要明顯小于后者。這是由于實驗鋼以擠出和淺層剝落為主，無論是組織上還是綜合力學性能均高于高錳鋼，具有較強的抵抗石英砂磨粒的切削的能力，這就減少了磨損過程中表面金屬的剝落，呈現(xiàn)出較好的耐磨性能。

3.3.3 對力學性能的影響

此圖片為等溫淬火溫度試樣高碳鋼沖擊斷口的SEM照片，從圖片上我們可以看出斷口的形狀是扇形花樣，而且還有大量的撕裂棱以及大大小小的圓形或橢圓形的深韌窩，這就說明該材質(zhì)的韌性是十分好的。

4 結(jié)束語

鑄造工藝對雙金屬材料的性能有很大影響，因此，在進行復合的時候要應用特殊的鑄造工藝，這樣不僅能夠提高復合材料的組織界面結(jié)合狀態(tài)，在耐磨性能和力學性能方面影響也非常好，這樣能夠提高生產(chǎn)工作的安全性。對雙金屬鑄造的定義進行分析，增強對其的了解，應用現(xiàn)代的方法，通過試驗對鑄造工藝進行分析，這樣對雙金屬復合材料以后的發(fā)展非常有利。

參考文獻

[1]田德旺，應保勝.雙金屬復合材料冷軋變形行為及結(jié)合強度的研究[D].武漢：武漢科技大學，2007.3.

篇7

關鍵詞：機械合金化；鋁基復合材料；納米尺度

中圖分類號：TB383.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）26-0072-02

1 概 述

鋁基復合材料具有高比強度和比模量、低熱膨脹系數(shù)、良好的尺寸穩(wěn)定性、較高的高溫機械性能以及抗疲勞、耐磨損等優(yōu)良性能。與鋼相比，鋁基復合材料的密度僅為鋼的三分之一，耐磨性則與鑄鐵相當；與鋁合金相比，導熱率與其基本相當，抗拉和抗壓強度及彈性模量大幅提高，熱膨脹系數(shù)有較大幅度的降低。

因此，鋁基復合材料已成為金屬基復合材料中最常用的、最重要的材料之一，在航空航天、汽車、電子和光學儀器、體育用品等領域得到了廣泛了應用。

基于進一步提高鋁基復合材料機械性能的需求，研究發(fā)現(xiàn)，減小增強體顆粒尺寸會增加鋁基復合材料的塑性、韌性和強度，因而越來越多小尺寸（約1 μm或更小）的增強體被用來制備鋁基復合材料。納米復合材料被定義為在多相固體材料中，其中一個相（一般為增強體）至少有一個方向其尺寸小于100 nm。在納米鋁基復合材料的制備中，納米顆粒的特性給使用液相法的制備工藝帶了困難，因而固相法更多的被采用，其中最常見的為機械合金化法。

機械合金化（MA）是一種固態(tài)粉加工技術(shù)，涉及了粉末在高能球磨機中的冷焊、破碎和再冷焊的過程。

在此過程中，一定量的混合粉末裝入容器中并放入研磨介質(zhì)，然后在預定的時間長度內(nèi)進行高速攪拌。當粉末中含有塑韌性良好的金屬材料時，在球磨過程中需要加工過程控制劑（PCA）來避免其因過度冷焊而結(jié)塊。在球磨結(jié)束后，可得到合金化且混合均勻的粉末。

本文以Al2O3、Al3Ti和CNTs為代表增強體，概述了機械合金化制備相應納米鋁基復合材料的研究進展。

2 AlCAl2O3 納米復合材料

納米復合材料具有兩種不同的制備方法。在第一種方法中，氧化鋁增強體通過原位化學反應生成，被稱為原位復合材料。在第二種方法中，Al2O3顆粒直接加入鋁中，再將混合物一起球磨，以產(chǎn)生納米復合材料。

一般情況下，原位生成復合材料的界面結(jié)合更強，機械性能比非原位生成復合材料要好，但在納米尺度下性能差異幾乎不存在。

2.1 原位法

在原位制備Al-Al2O3 納米復合材料過程中，最常用的原位反應方程式有：

2Al+3CuO 3Cu+Al2O3

2Al+3ZnO 3Zn+Al2O3

Xi等人研究了Al含量從20%～85%（wt.）范圍內(nèi)，Al和氧化銅的反應球磨。研究表明，當Al含量僅為20%（wt.），發(fā)生完全還原反應，反應產(chǎn)物為銅和均勻分散的氧化鋁顆粒分散。但是，隨著Al含量的增加，會形成鋁-銅金屬間化合物，如Cu9Al4，CuAl2和Al（銅）固溶體。

同時，細小而分散的氧化鋁顆粒進入到了Al基體內(nèi)。Wu等人研究結(jié)果表明球磨鋁和10 Wt.%的氧化銅17 h后，Al4Cu9相衍射峰開始出現(xiàn)在X射線衍射圖上，并且此析出物經(jīng)過退火后轉(zhuǎn)化為CuAl2相。

增強相的體積分數(shù)過大會造成混合粉末的壓制困難。當氧化銅含量降低至5Wt.%，增強體包括析出的大小為100～500 nmCuAl2和10～50 nm的氧化物和碳化物顆粒，Al基體的尺寸大約74 nm。依照晶粒尺寸（Hall-Petch）和Orowan強化機制分析了復合材料的強度，表明Hall-Petch強化來源于細晶鋁、Orowan強化源于納米尺度的氧化物和碳化物顆粒。

Durai等人通過球磨鋁，氧化銅和ZnO的混合物，球磨后的粉末經(jīng)過冷壓以及高溫燒結(jié)，制備了Al-Al2O3納米復合材料。

研究表明，該復合材料中細小的氧化鋁顆粒彌散分布在Al（Zn）或Al（Zn）-4Cu的基體中。該材料在經(jīng)過測試后發(fā)現(xiàn)耐磨損性得到改良，相比于未經(jīng)過球磨直接進行冷壓和燒結(jié)的復合材料具有更高的硬度和耐磨性。

2.2 非原位法

Prabhu等人球磨了鋁-氧化鋁混合粉末，選用不同尺寸（50 nm、150 nm和5 μm）和體積分數(shù)（5、10、20、30和50）的Al2O3。混合粉末在行星式球磨機中經(jīng)過不同時間的球磨，結(jié)果表明，當球磨時間超過20 h以后氧化鋁增強體能均勻分散到鋁基體中。Al-20Vol.%50Al2O3在不同球磨時間后的SEM照片，如圖1（a）（b）（c）（d）所示。

不同體積分數(shù)的Al-50Al2O3在球磨20 h后的X射線能譜元素分布圖，如圖2所示。通過照片可觀察到球磨20 h后，氧化鋁增強體實現(xiàn)了均勻分布。

3 AlCAl3Ti 納米復合材料

相比于其他大多數(shù)富鋁金屬間化合物，Al3Ti因為它具有熔點高（約1623 K）、相對低的密度（3.4 g/cm3）和較高彈性模量（216 GPA）。另外，由于Ti在鋁中的低擴散性和溶解度，Al3Ti在高溫下會展現(xiàn)出低的粗化速率。因此，Al3Ti存在于Al基體中下可以非常有效地提高鋁基復合材料的剛度，室溫機械性能和改善的鋁基復合材料熱穩(wěn)定性。

Lerf和莫里斯用機械合金化法以鋁粉和鈦粉為原材料合成了Al-Al3Ti復合材料。球磨后能觀察到兩金屬元素均勻分布，再對混合粉末在873 K進行退火后，有Al3Ti金屬間化合物產(chǎn)生。0.1～0.5 μmAl3Ti顆粒分布于Al基體上，同時因為在球磨過程中加入PCA，納米尺度（50 nm）Al4C3和γ-Al2O3的球狀顆粒也存在于鋁基體中。Wang和Kao用機械合金化法和高溫燒結(jié)合成了Al-Al3Ti復合材料，復合材料微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為平均尺寸約100 nm的等軸顆粒狀Al3Ti彌散分布在鋁基體中，同時在晶粒內(nèi)和晶界上還存在著納米尺度的Al2O3 和 Al4C3顆粒。而且還對Al3Ti含量不同的Al-Al3Ti復合材料的高溫變形行為進行了研究。

4 AlCCNTs 納米復合材料

碳納米管因其優(yōu)異的機械性能使其成為理想的復合材料增強體，在增強材料的剛度和強度同時并實現(xiàn)輕量化。然而碳納米管固有的物理性質(zhì)，使其有強烈的團聚傾向，最終造成材料性能不升反降的現(xiàn)象。機械合金化法能較好地解決碳納米管團聚現(xiàn)象，從而最大程度的發(fā)揮其作用。

Morsi和Esawi通過機械合金化法制備了Al-MWCNTs（2～5 wt.%）納米復合材料，并對碳納米管的分布和鋁晶粒尺寸進行了研究，結(jié)果表明，球磨能夠避免碳納米管在復合材料中的團聚；在球磨48 h的樣品中能觀察單個的碳納米管到嵌入在鋁基體中；球磨過程中冷焊和破碎的共同作用，細化了鋁基體的晶粒。

George等人用球磨合成的Al-CNT（單壁和多壁）復合材料，為了保持CNT的完整性，球磨時間較短，復合粉末再經(jīng)過冷壓、燒結(jié)和熱擠壓。通過測試材料的屈服強度、拉伸強度和彈性模量，結(jié)果表明，復合材料具有比基體合金更好的機械性能。性能的提升歸結(jié)于熱失配、剪滯和Orawan機制共同作用的結(jié)果。

5 展 望

納米相增強鋁基復合材料是近年迅速發(fā)展起來的一種新型材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的理化和力學性能，機械合金化法在制備納米鋁基復合材料過程中表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，但距離工程化應用仍然存在成本高、制造效率低、可靠性與穩(wěn)定性有待提高等新材料實用化過程中面臨的共性問題，需要進一步攻關并逐一克服。

參考文獻：

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篇8

關鍵詞：復合變質(zhì)劑；Mg2Si顆粒；鋅基復合材料；性能

1 概述

我國具有較豐富的鋅資源，鋅鋁合金是重要的有色金屬材料，采用鋅鋁合金制備金屬零件具有耐磨減摩性能好、能源消耗少、制造成本低廉、加工成型方便等優(yōu)點[1]，可代替黃銅合金、青銅合金甚至部分鋁合金制造機械設備中的軸瓦、軸套等耐磨零件[2]。但是鋅鋁合金共晶溫度低，在鑄造過程中凝固區(qū)間溫度差較大， 高溫環(huán)境下強度低，組織穩(wěn)定性較差等缺點限制了其耐磨性、耐熱性的進一步提高[3]。Mg2Si的熔點為1085℃、硬度為HV460、彈性模量為120GPa，密度為1.99g/cm3，熱膨脹系數(shù)為7.5×10-6K-1，所以Mg2Si是Al合金、Mg合金，Zn合金等較低熔點金屬基復合材料的理想增強相[4]。因此，應用硬度高的Mg2Si顆粒作為增強相，以性價比較高的鋅鋁合金作為基體相，制備原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料，該復合材料可以直接鑄造成形，具有料制備工藝簡單、性能各向同性的特點，并能有效提高其耐磨性、耐熱性，延長軸承使用壽命，并具有特殊的耐腐蝕能力，可以滿足在復雜的工況條件下使用[5]。文章選用鋁―磷復合變質(zhì)劑，應用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料。利用金相顯微分析方法、硬度測試法、拉伸試驗法研究了原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料的顯微組織、力學性能及斷口形貌特征，以便為顆粒增強ZA40基復合材料的工業(yè)化應用提供依據(jù)。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

以工業(yè)純Zn、工業(yè)純Al、工業(yè)純Mg和Al-30wt.%Si中間合金為原料，用石墨坩堝電阻爐進行熔煉，以制備基體ZA40合金和復合材料。合金中Mg2Si的含量設計為9wt.%。實驗過程中先將預熱至200℃的Al和Al-30wt.%Si合金加入到預熱好的坩堝中，升溫至700℃，加入預熱過的工業(yè)純Zn。繼續(xù)升溫后加入C2Cl6，然后進行精煉處理，再加入純Mg。分別加入占爐料總量一定比例的鋁―磷復合變質(zhì)劑進行變質(zhì)處理，達到變質(zhì)時間后，再次使用C2Cl6進行精煉，最后后清渣、靜置后，澆入已經(jīng)預熱的金屬型標準拉伸試樣模具中。

2.2 試驗方法

應用EPIPHOT-300U 型倒置金相顯微鏡分析ZA40基體合金材料和復合材料顯微組織。利用JSM-6390LV掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌，分析斷裂機理。應用WAW-1000型的微機控制伺服萬能試驗機測試復合材料的力學性能。

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 鋁―磷復合變質(zhì)劑對復合材料顯微組織的影響

研究復合材料顯微組織發(fā)現(xiàn)，在未加入鋁―磷復合變質(zhì)劑的重力鑄造條件下，復合材料組織中Mg2Si顆粒的形貌比較復雜，有的為大塊的漢字狀形貌、有的是多邊形塊狀形態(tài)，部分呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，大部分Mg2Si顆粒的棱角十分尖銳，分布簇集明顯，尺寸較大。這種形態(tài)的Mg2Si顆粒容易割裂基體，在ZA40合金基體中容易造成應力集中。部分Mg2Si的特點同Mg2Si增強鋁基復合材料或鎂基復合材料中所呈現(xiàn)的形貌特征類似。

當采用鋁―磷復合變質(zhì)劑處理時，復合變質(zhì)劑不但對復合材料組織中Mg2Si顆粒的形貌、尺寸和分布的影響較顯著，而且對基體ZA40合金的顯微組織也有明顯的細化作用。當鋁―磷復合變質(zhì)劑加入適量時，Mg2Si顆粒的局部簇集現(xiàn)象已經(jīng)基本消失，棱角鈍化明顯，小塊狀進一步細化，平均尺寸約為未變質(zhì)處理時的五分之一，分布也更為理想。當鋁―磷復合變質(zhì)劑加入太多時，Mg2Si顆粒形貌繼續(xù)保持為顆粒狀，但顆粒尺寸長大明顯，平均尺寸約為未變質(zhì)處理時的三分之一，表現(xiàn)出過變質(zhì)現(xiàn)象。這是因為鋁―磷變質(zhì)劑對復合材料中初生Mg2Si顆粒起到了異質(zhì)形核的作用，變質(zhì)處理使得Mg2Si的結(jié)晶形核數(shù)量實際上是增多，Mg2Si顆粒變得均勻、細小、分散，使得原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料具有顆粒增強金屬基復合材料的組織特點。

3.2 鋁―磷復合變質(zhì)劑對復合材料力學性能的影響

硬度試驗表明，原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料的硬度與鋁―磷變質(zhì)劑含量有極大值的特點，硬度隨著鋁―磷變質(zhì)劑含量的增加呈現(xiàn)出一個先增加后減小的走勢，硬度峰值為232HB，同未變質(zhì)的復合材料相比，硬度值提升了四分之一左右。由于變質(zhì)劑的加入細化了增強相Mg2Si顆粒和基體合金的晶粒，產(chǎn)生強化作用，使得復合材料的硬度得到了提高，這樣會進一步提高復合材料的耐磨損性能。

復合材料拉伸試驗表明，鋁―磷變質(zhì)劑的加入不僅提高了復合材料的抗拉強度，而且改善了復合材料的伸長率。合理的變質(zhì)工藝，可以使得原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料的抗拉強度提高了14.1%，伸長率提高31.9%。這是因為變質(zhì)處理改善了Mg2Si顆粒的形貌特征，使其彌散、細小，也細化了ZA40基體合金的晶粒尺寸，產(chǎn)生良好的彌散強化和細晶強化的綜合效應。同時，由于增強顆粒的細化和基體合金的細化，減小了應力集中，使得裂紋難于萌生和擴展，提高了復合材料的塑性。

4 結(jié)束語

（1）選用鋁―磷復合變質(zhì)劑，應用重力鑄造工藝制備原位自生Mg2Si顆粒增強ZA40基復合材料。

（2）在未變質(zhì)處理條件下，復合材料中初生Mg2Si顆粒形貌多呈現(xiàn)粗大的漢字狀、四邊形狀。經(jīng)過鋁―磷復合變質(zhì)劑處理后，Mg2Si顆粒形貌變成細小顆粒狀，分布也相對均勻。

（3）復合變質(zhì)處理后，復合材料的硬度、抗拉強度和伸長率等力學性能都得到改善。

參考文獻

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篇9

關鍵詞：快速原型技術(shù)；復合材料；成形；應用

中圖分類號TU5 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2012）66-0146-02

隨著復合材料制造市場發(fā)展的多元化，快速原型技術(shù)的產(chǎn)生對復合材料產(chǎn)品的競爭、加速新型產(chǎn)品的開發(fā)、制造技術(shù)的提高都有很大的推動作用。它綜合了數(shù)控、檢測、激光、機械、計算機、CAD等許多學科的先進技術(shù)，很快在復合材料成形方面得到了廣泛的應用。現(xiàn)如今，RP技術(shù)已經(jīng)是制造業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)的一項關鍵技術(shù)。

1 快速原型技術(shù)的概述

RP技術(shù)是基于物體分層原理來進行產(chǎn)品原型的制作的一種方法，RP技術(shù)的基本原理是：根據(jù)CAD/CAM技術(shù)構(gòu)造出的理想物體的三維模型，將其進行分層處理，然后分析各層截片的輪廓數(shù)據(jù)，利用CAD/CAM設計軟件將數(shù)據(jù)原型系統(tǒng)的激光裝置，有選擇的利用激光對物體進行切割箔材、燒結(jié)粉末、固化樹脂、熱熔材料等操作，這樣可以使介質(zhì)行成一系列薄層，再進行層層迭加使其形成我們設計的三維實體，從而完成所設計的新產(chǎn)品三維實體模型。

2快速原型技術(shù)（RP技術(shù)）的工藝方法

2.1熔融沉積造型工藝

這是一種將各種熱熔性的絲狀材料（蠟、ABS和尼龍等）加熱熔化成形方法，它技術(shù)設備簡單，運行費用便宜，這種工藝適用場合比較靈活，沒有毒氣或化學物質(zhì)的危險，工藝相對于其它成型方法，比較干凈、操作比較簡單、且不產(chǎn)生多余的垃圾。可以快速成型樓空模型，原材料以線的形式提供，相對于其它成型方法易于搬運和更快速更換。但是問題在于精度相對低，難以成型結(jié)果比較復雜的零部件。在垂直方向上強度較小，成形速度也較慢，不適合構(gòu)建大型零部件。這種工藝方法適合于產(chǎn)品設計的概念建模以及產(chǎn)品的功能測試。其原理圖如圖1：

2.2三維打印成型工藝

其工藝原理圖如圖2：

如圖所示，左側(cè)是一個儲料容器，是材料放置在快速成型設備中的起始位置，工作平臺中間有一個平整的金屬平臺，上面有一層層的粉末材料，它由成型機的滾筒設備鋪開，由成型機打印頭噴出的粘結(jié)劑進行粘接，這種工藝的成形速度快，運行成本也較低，可以使用淀粉、石膏粉等常見的材料做原材料，且廢棄物較少，任意結(jié)構(gòu)和形狀的零件都適用。

2.3立體印刷成型工藝

其工藝原理圖如圖3：

它是快速原型技術(shù)中技術(shù)應用最廣泛、最成熟的一種方法。它在工作過程中首先在成型機工作臺上鋪一層液態(tài)樹脂，CAD/CAM軟件控制的激光束依照截面輪廓做橫、縱向上的激光掃描，使輪廓內(nèi)的樹脂固化，然后把工作臺下降一定的位置，在涂上一層樹脂，再進行掃描，如此反復進行直到整個原型成形完畢。這種工藝可以成形任何形狀的三維實體，仿真性很強，成形的精度及材料的利用率都很高。

3 RP技術(shù)在復合材料中的應用

3.1復合陶瓷材料的制備

RP技術(shù)首先借助支撐材料把陶瓷制品內(nèi)的可動件和主體聯(lián)成一體，再經(jīng)過預燒工藝除去支撐材料，然后經(jīng)過燒結(jié)工藝獲得陶瓷制品。雖然陶瓷制品都需要經(jīng)過高溫燒制工藝，但其在制胚過程中可以在常溫下進行。

3.2高分子基復合材料的制備

有機高分子材料具有熔點低、密度小、其自身在熔融狀態(tài)具有一定的粘性，不需要外加粘結(jié)劑的特點，所以它是非常理想的快速原型技術(shù)的材料。但是有機分子高分子材料的機械的綜合性能較低，就連高密度聚乙烯的抗壓強度也只有20MPa~ 40MPa。所以，一般都要摻入增強材料來組成有較高機械強度的復合材料。例如：美國用粒度3μm~6μm的玻璃纖維增強的PVC，制備出了大量的特種模具和零件，它們的精度高，抗拉強度好，且其強度是鋼材的3.5倍左右。

快速原型技術(shù)在制備高分子材料時，要注意盡管增強纖維在引出工作頭前已經(jīng)進行過浸膠處理，即在增強纖維的表面涂抹一層熔融有機高分子材料，這樣可以使新原材料間的相互粘接問題得到解決。但是由于零件的形狀具有多個凹槽、空洞、凸起等結(jié)構(gòu)，這就使得工作頭在越過這些結(jié)構(gòu)時，有些長纖維在離開原來位置時唄自動剪斷，而到達新的位置時又自動與工件粘牢的問題。

3.3金屬基復合材料的制備

在室溫或者較低的溫度條件下，高分子材料可以使工作頭引出的新料和固化的舊料黏結(jié)在一起，在常溫的條件下，陶瓷材料本身雖然不會出現(xiàn)黏結(jié)的現(xiàn)象，但是經(jīng)過塑化后的熟料和外加有機黏結(jié)劑可以讓陶瓷材料黏結(jié)成胚，但是，這些工藝都不適合制備金屬材料。

金屬材料的新、舊料之間的黏合比其它復合材料的要困難和復雜。制備金屬和金屬基復合材料制品使用快速原型技術(shù)有快速凝固的特點。作為基體材料的金屬在熔融狀態(tài)時是以金屬流的形式從工作頭引出的，這點和快速凝固工藝中的Taglor抽絲方法較為相似。例如：用碳纖維作增強芯料制備復合材料，它既能夠有優(yōu)良的快速凝固金屬的性能，又可以制的具有綜合性能的纖維增金屬基復合材料。所以，使用RP技術(shù)制備金屬基復合材料是非常具有可行性的。

4結(jié)論

RP技術(shù)突破了傳統(tǒng)機械零件加工制造的材料成形的工藝，它引入了自動控制學、機械工程學、計算機、材料學等多種學科的先進制造技術(shù)，并且它在下面兩個方面還有非常突出的作用，制備高分子材料基復合材料各復合陶瓷制品方面；在解決金屬材料新舊料之間的黏合問題上它使用的是局部跟蹤加熱技術(shù)和焊接技術(shù)，對這個問題也有很大的幫助，尤其是RP技術(shù)應用在復合材料成形方面，使復合材料的發(fā)展得到了很好的前景。

參考文獻

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[2]唐一平，周宏志，王平，等.基于快速成型技木的電火花加I用石墨電極研磨技術(shù)[J].西安交通大學學報，2000，34(11)：61-64．

篇10

（吉林省教育學院人事處，吉林長春130022）

摘要：目前，工業(yè)中常用的聚合物減摩自材料有聚酰亞胺、聚甲醛、聚乙烯、聚四氟乙烯等。其中，尤以聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)最低，靜摩擦系數(shù)僅為0.04。但由于聚合物機械力學性能比較差，耐熱散熱導熱性能差，大大縮小了其適用范圍，只能應用于常規(guī)工況中，例如高載荷、高速、高溫等工況奈件下，使用聚合物材料反而起不到應有的作用。

關鍵詞 ：銅基復合材料；摩擦磨損；材料成型；摩擦系數(shù)

中圖分類號：TC7 文獻標識碼：A 文章編號：I671-1580(2014)10-0153-02

由于復合材料中基體與填人物都是以自身形態(tài)獨立存在，因此，為了滿足其性能要求，當成分配比適合時，制備所用的工藝對材料最終的性能起決定性作用。在這一前提下，在銅基復合材料的制備過程中需要考慮以下幾個方面：基體銅與填人物的結(jié)合方式。復合材料中的結(jié)合主要有兩種，一種是化學結(jié)合，一種是機械結(jié)合。銅基體與填人物在制備過程中界面的形成過程。如果界面之間是物理結(jié)合，則只需要考慮基體在制備過程中的變化；如果界面之間是化學結(jié)合，在考慮基體變化的過程中，還需要分析界面處的反應，以及生成新相的性能。填人物的分布會影響到銅基復合材料的整體性能。這時需要考慮到基體與填人物的初始形態(tài)以及密度等因素。若基體與填人物初始形態(tài)相同（如均為粉末），二者之間可以均勻混合；若基體與填人物初始形態(tài)不同（如基體為粉末，填人物為纖維），需要注意是否均勻混合。若填人物為連續(xù)纖維，不僅要考慮纖維的分布，同時纖維的取向與纖維的完整性也需考慮。制備工藝的確定和參數(shù)的優(yōu)化。有時銅基復合材料需要采用液態(tài)法制備。在這一過程中，基體銅或填人物都會轉(zhuǎn)化成液態(tài)。此時，由于兩者之間密度的差異，會導致分層現(xiàn)象。密度大的向下擴散，密度小的向上偏聚，最后影響銅基復合材料的整體性能。

表1列出了目前常用的銅基體復合材料的制備方法。由此可見，銅基復合材料的制備方法是多種多樣的。

一、擴散結(jié)合成型法

采用擴散結(jié)合工藝制備銅基復合材料，由于工藝復雜，對工藝參數(shù)的控制要求嚴格，因此，對于設備的精確度要求極高，很難適用于工業(yè)化生產(chǎn)。但由于連續(xù)纖維在銅基體中的分布均勻和完整性要求，擴散結(jié)合則成為連續(xù)纖維增強銅基復合材料的唯一可行工藝。

二、粉末冶金成型法

與同類制備技術(shù)相比較，采用粉末冶金工藝制備銅基復合材料具有以下特點：將銅基體熔化成液態(tài)，然后采用壓鑄或半固態(tài)復合鑄造等工藝，制備銅基復合材料的方法被統(tǒng)稱為液態(tài)法，亦稱熔鑄法。

三、壓鑄成型法

首先將銅基體熔成液態(tài)，然后通過施加壓力(70 - 100MPa)，將液態(tài)銅基體以一定的速率壓注填入模型腔體或基體中填人物構(gòu)成的預制體孔隙中，最后快速冷卻凝固制備銅基復合材料的工藝被稱為壓鑄。

在壓鑄工藝中，需要研究的工藝參數(shù)有壓力、加壓速率、溫度和模具預熱速度。為了制備致密的銅基復合材料，通常選用高于50 MPa的壓力。加壓速率則由模型腔體或者填人物構(gòu)成的預制體的強度而定，以其不變形為最佳加壓速率，一般選擇13c m/s。模具或填人物預制體的溫度控制在與熔融態(tài)銅基體的溫度同步，這樣可以進行能量互補。當熔融態(tài)銅基體溫度較低時，可以升高模具或填人物預制體的溫度，反之亦然。

利用壓鑄工藝制備的銅基復合材料，組織細密、無空隙，比之一般金屬鑄件的性能要好一些。與固態(tài)法中的擴散結(jié)合和粉末冶金法相比，設備簡單，成本低廉，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，效率高，易于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

四、半固態(tài)復合鑄造成型法

將銅基體熔融至半固態(tài)，然后將填人物加入半固態(tài)銅基體中，通過攪拌的方式使填人物在銅基體中均勻分布，然后澆注在模具腔體中成型，這種工藝被稱為半固態(tài)復合鑄造法。

在使用半固態(tài)復合鑄造法制備銅基復合材料的過程中，為了使得填人物均勻分布在銅基體中，會對半固態(tài)銅基體進行強烈攪拌，在攪拌的過程中則會引入氣體，導致基體被氧化。當填人物與銅基體之間的潤濕性較差時，由于一直在攪拌，兩相之間更難形成穩(wěn)定的界面，最終影響到銅基復合材料的整體性能。

將銅基體熔化成液體，然后在壓力作用下注入霧化器，霧化器中通入高速惰性氣體流，在高速氣體流的作用下，液態(tài)基體銅被分散成極細小的液滴，同時通過其他噴嘴向霧化銅基體中注入填人物，使之與霧化銅基體在基板（收集器）上凝固沉積，進而形成顆粒增強銅基復合材料，這種工藝被稱為噴射沉積，大約是在20世紀80年代逐漸成型。其結(jié)合了粉末冶金和金屬凝固兩種成型技術(shù)的原理和工藝。

制備復合材料是集兩種性能不同的材料于一體的一種技術(shù)手段，而基體與填人物之間的潤濕是成型的關鍵。潤濕性不僅對銅基復合材料的高溫制備過程有影響，同時還決定著成型復合材料的性能穩(wěn)定性，甚至是高溫性能穩(wěn)定性。上述無論是液態(tài)成型法還是固態(tài)成型法，填人物與基體界面之間都會發(fā)生化學反應。如果填人物能夠在基體銅相界處直接（即原位）生成，則成型關鍵問題界面潤濕迎刃而解。因為原位形成的填人物與基體之間結(jié)合效果是其他工藝制備的界面結(jié)合難以比擬的，其中既不存在界面化學反應，也無需考慮形成新相的熱力學問題。這種工藝即被稱為原位復合成型。目前，這種方法已在陶瓷基復合材料和金屬間化合物基復合材料的制備中得到了推廣和應用。

粘著磨損通常被稱為咬合磨損或者膠合磨損，是兩物體接觸表面相對滑動時在法向載荷作用下所產(chǎn)生的磨損。其本質(zhì)是兩個摩擦副之間原子鍵形成（顯微熔接）和分離過程，通常產(chǎn)生小顆粒狀的磨損產(chǎn)物，并且從一物體表面轉(zhuǎn)移到另一物體表面。然后由于表面層發(fā)生斷裂，轉(zhuǎn)移到另一表面上的顆粒又反轉(zhuǎn)移到原來的表面上。在這種轉(zhuǎn)移與反轉(zhuǎn)移過程中，顆粒通常會以自由磨屑的狀態(tài)脫落下來。

霍姆從微觀方面人手分析粘著磨損機理，推導出了粘著磨損量V(mm3)的表達式1-1：

式中，K為磨損系數(shù)，P為載荷，H為材料硬度，L為摩擦距離。

粘著磨損過程一般可分為三個階段。第一階段稱為跑合階段，也稱磨合階段或磨合磨損階段，第二階段稱為穩(wěn)定磨損階段，第三階段稱為急劇磨損階段，也稱為破壞磨損階段。

磨料磨損又稱磨粒磨損，是指摩擦副的基礎件被配對件的表面粗糙凸峰或中間物質(zhì)里的硬顆粒劃傷或微切削的過程。凸峰或硬顆粒一般為摩擦所產(chǎn)生的非金屬材料或落入摩擦副間的金屬屑。磨料磨損通常是多種機制共同作用的結(jié)果，在發(fā)生磨料磨損時，作用在質(zhì)點上的力可分解為垂直分力與水平分力，垂直分力將硬質(zhì)點壓人材料表面，水平分力促使硬質(zhì)點與表面之間產(chǎn)生相對位移。它們之間相互作用的結(jié)果是被磨損表面產(chǎn)生犁皺或切屑，形成磨料磨損或在材料表面留下溝槽。

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參考文獻]

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