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A1203膜的连续性，以保持铝液与已形成的A1203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A1203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A1203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。