楊雅靜，李付國，袁戰(zhàn)偉

（西北工業(yè)大學 凝固技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710072）

1 前言

SiCp/Al基復合材料由于具有高比強度、高剛度、耐疲勞、耐磨損、熱膨脹系數(shù)低、優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性、較強的可設計性等優(yōu)異的綜合性能，已成為具有廣泛使用價值的先進復合材料。SiCp/Al基復合材料主要應用在航空航天、汽車制造，電子封裝以及一些新的工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域[1-4]。

2 增強顆粒特征及復合材料模擬研究方法

2.1 增強顆粒的特征研究

由于復合材料增強顆粒第二相對復合材料的力學性能有著較大的影響，所以對其特征參數(shù)的表征（大小、分布、含量以及形狀等）就有必要深入系統(tǒng)的研究。目前，對顆粒特征所進行的測量大都采用定量金相學方法。定量金相學是利用體視學原理，對金相磨面上的組織圖像進行定量表證的方法，由此可以推斷出金相學組織的三維空間形貌，從而便于建立材料成分、組織與性能之間的定量關(guān)系。定量金相學分析方法主要包括三大類：計點法、線分析法和面分析法。其中，線分析法又包含MeCoy法和基體截距變化率法；而面分析法又包含了面積分數(shù)變化率法、無顆粒區(qū)尺寸變化率法和Dirichlet區(qū)域法。此外，針對顆粒體積分數(shù)的測定方法有：萃取法、X射線衍射內(nèi)標法、內(nèi)耗法和超聲衰減法等[5]。增強顆粒分布及形狀特征是影響復合材料性能的一個非常重要的因素。分析現(xiàn)有研究，增強顆粒分布及形狀特征的定量描述，大多借助計算機或者人工手段在一維或者二維層面上對已有的金相圖片或者金相試樣進行圖像分析，并利用體視學技術(shù)或者統(tǒng)計學方法來表征，有時還會借助于計算機X射線分層照相技術(shù)對顆粒增強金屬基復合材料進行三維重建。

2.2 復合材料的數(shù)值模擬研究

目前，對于復合材料性能的研究主要采用試驗研究方法和數(shù)值模擬方法。由于實驗研究方法有一定的局限性，所以數(shù)值模擬技術(shù)日漸成為人們研究工程及科研問題的重要手段。采用有限元模擬方法對于SiC顆粒增強Al基復合材料的建模研究較多，主要代表有Bao[6]等提出的軸對稱單元胞（Axisymmetric Unit Cell）模型（見圖 1）、Ghosh 等[7]提出的Voronoi法模型（見圖 2）、Chawla 等[9]采用的基于金相連續(xù)切片技術(shù)（Serial Sectioning）模型（見圖3）等。在以上建立的胞元模型基礎(chǔ)上，有限元分析方法就可以應用到復合材料的宏、微觀性能分析與設計中，通過有限元計算可以獲得應力、應變等物理場變量，并通過均勻化方法獲得復合材料的宏觀應力-應變響應（即本構(gòu)關(guān)系），也可以根據(jù)細觀量場進一步研究復合材料的損傷破壞等問題，從而能夠?qū)饘倩鶑秃喜牧希∕MC）的力學或物理性能等進行深入系統(tǒng)的研究。

圖1 軸對稱胞元模型[6]

圖2 不同體積分數(shù)的Voronoi單元模型[7]

圖3 連續(xù)切片技術(shù)建模流程圖[9]

2.3 復合材料的試驗研究方法

目前，針對金屬基復合材料的主要試驗研究方法有：宏觀力學性能試驗（熱模擬壓縮試驗、單軸拉伸或壓縮試驗、多軸拉伸或壓縮試驗等）、顯微組織分析試驗（光學金相OM、掃描電鏡SEM、透射電鏡TEM等）和微納米壓痕試驗。

宏觀力學性能試驗研究是應用比較廣泛的一種試驗方法，該方法不僅可以方便的獲得復合材料的宏觀力學性能，還可以和顯微組織分析試驗方法相結(jié)合，進而對宏觀性能的微觀機理做進一步分析。張鵬等人[10]采用Gleeble-1500熱模擬試驗機研究15%SiC顆粒增強鋁基復合材料在溫度為713～773K、應變速率為0.001～1s-1條件下的熱變形行為，并在試驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，引入Zener—Holomon參數(shù)建立了能夠用于描述復合材料高溫變形行為的本構(gòu)關(guān)系模型，通過分析比較和對本構(gòu)方程的進一步優(yōu)化，提高了顆粒增強型鋁基復合材料本構(gòu)方程的擬合精度，使得計算值更接近于試驗值。微納米壓痕技術(shù)是近十年發(fā)展起來的一種新的試驗方法，其主要原理是在傳統(tǒng)微硬度計基礎(chǔ)上裝有測試壓痕力及壓痕深度的傳感器，這樣在加載和卸載過程中就可以測定壓痕力-壓痕深度的曲線，并由壓痕力-壓痕深度曲線確定材料的彈性模量及屈服強度。

3 增強顆粒SiC對SiCp/Al基復合材料性能影響

SiCp/Al復合材料以其優(yōu)異的性能，出色的表現(xiàn)，廣泛應用于多個工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。而這些區(qū)別于Al基體材料的性能源于增強相SiC顆粒的加入，增強相的加入會引起基體金屬的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化[11]，位錯密度增加，亞晶尺寸減小等，從而對材料的性能產(chǎn)生影響。因此SiC增強顆粒的特征和分布是對Al基復合材料性能改善的主要因素。下面主要綜述了SiC顆粒的體積分數(shù)，顆粒的尺寸，顆粒的形狀和顆粒分布等對Al基復合材料性能的影響。

3.1 SiC顆粒體積分數(shù)對復合材料性能影響

增強相顆粒體積分數(shù)是顆粒增強Al基復合材料的主要強化因素。對于SiCp/Al復合材料來說，由于顆粒與鋁基體有較好的相容性，顆粒的體積分數(shù)可以在基體中按照任意比例制備及應用，如10%～20%SiCp/Al基復合材料制造的缸套，性能與鑄鐵相似；中等體積分數(shù)（～40%）SiCp/Al基復合材料可替代鈹材來制作慣性器件；而高體積分數(shù)（60%～70%）SiCp/Al基復合材料則主用于電子封裝復合材料[1]。以上增強顆粒的體積分數(shù)在不同程度上影響著復合材料的微觀形態(tài)和力學性能。

增強顆粒的加入可以通過對基體金屬的顯微組織，如亞結(jié)構(gòu)、位錯組態(tài)、晶粒尺寸以及材料密度等的改變來改善和彌補基體金屬性能上的某些不足。研究表明，增強顆粒對金屬基復合材料的強化機制有位錯強化、Orowan強化、晶粒細化強化、亞晶強化等，因此顆粒的體積分數(shù)對以上機制均有影響，如隨著體積分數(shù)的增加，位錯密度增量正比例增加，從而對材料的屈服強度產(chǎn)生顯著的影響?？偟膩碚f隨著增強顆粒體積含量的增加，復合材料的強度和剛度提升越多，強化效果就越明顯[12]。

IA Ibrahim[4]等針對不同體積分數(shù)顆粒增強鋁基復合材料的性能進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)隨增強顆粒體積分數(shù)的增加，材料的彈性模量、抗拉強度不斷增加，而斷裂應變則不斷降低。利用Halpin-Tsai經(jīng)驗方程[13]（式（1））進行預測，可知隨著增強顆粒體積分數(shù)的增加，復合材料的彈性模量快速增加。

式中，q=（Ep/Em-1）（Ep/Em+2）；Ec為復合材料的彈性模量；Em為金屬基體的彈性模量；Ep為增強顆粒的彈性模量；Vp為增強顆粒的體積分數(shù)；s為顆粒的長徑比。

此外，賀春林、才慶魁等人[14]在研究中發(fā)現(xiàn)，隨著SiC顆粒體積分數(shù)的增加，材料的抗拉強度、屈服強度和硬度等強度指標有顯著的提高，而延伸率和斷面收縮率等塑性指標明顯下降。同時，徐緋等[15]采用數(shù)值分析手段以軸對稱體胞模型進行研究，發(fā)現(xiàn)隨增強顆粒含量的增加和應變率的增大，金屬基復合材料的流動應力顯著提高。研究表明：當顆粒增強Al基復合材料受到載荷作用時，應力由基體通過界面?zhèn)鬟f給顆粒。當顆粒受到的應力足夠大時，復合材料將斷裂。文獻[16]實驗研究發(fā)現(xiàn)，SiC顆粒的體積分數(shù)不同，斷裂方式也明顯不同。當顆粒體積分數(shù)較低時，斷口表現(xiàn)為顆粒與基體界面的脫黏以及基體韌性斷裂，而顆粒斷裂較少。說明SiC顆粒體積分數(shù)較低時，其對基體強度貢獻有限。當SiC顆粒的體積分數(shù)較高時，顆粒與界面斷口脫黏現(xiàn)象幾乎不發(fā)生，而更多的是顆粒斷裂；說明顆粒起到明顯的承載作用，此時，增強顆粒對復合材料的強化效果明顯。

SiC顆粒的體積分數(shù)對復合材料的疲勞性能也有一定的影響。由于SiC顆粒的加入一方面引起了復合材料屈服強度的提高，從而加速疲勞裂紋的擴展；另一方面引起復合料材疲勞裂紋尖端塑性區(qū)尺寸的降低，從而延緩了疲勞裂紋的擴展。李昆等人[17]研究不同體積分數(shù)SiC顆粒增強硬鋁LY12復合材料時發(fā)現(xiàn)，當SiC體積分數(shù)較低時，疲勞裂紋大部分在基體中擴展，其與SiC顆粒相遇的機會很小，此時疲勞裂紋在復合材料中擴展的速率高于疲勞裂紋在基體中的擴展速率。隨著SiC顆粒體積分數(shù)的提高，疲勞裂紋與SiC顆粒相遇的機會增多，SiC顆粒對裂紋尖端基體變形抑制增強，塑性區(qū)尺寸逐漸減小，復合材料疲勞裂紋擴展抗力逐漸提高。只有SiC顆粒的體積分數(shù)大于一定值（＞15%）時，疲勞裂紋在復合材料中的擴展速率才會低于其在基體的擴展速率，復合材料的疲勞裂紋擴展抗力才能優(yōu)于基體材料。

3.2 SiC顆粒尺寸對復合材料性能影響

SiC顆粒的加入能使復合材料的金屬基體晶粒減小，從而起到細晶強化的作用。增強體顆粒的加入為基體材料提供了大量的異質(zhì)形核位置，使金屬基體凝固過程中形核率提高，同時顆粒增強體又會阻礙晶粒的長大，因此復合材料的晶粒尺寸會明顯細化。研究發(fā)現(xiàn)[18-19]，增強體顆粒的尺寸對復合材料中基體的晶粒尺寸有很大影響。通常是顆粒尺寸越大，晶粒尺寸也越大。

文獻[14]中選用不同量級SiC顆粒作為增強體進行研究，發(fā)現(xiàn)SiC顆粒粒徑大到一定值時，增強機制主要為位錯增強，且熱錯配應變松弛導致的基體中的位錯密度增加和由此引起的強度增量可用式（2）和式（3）估算。當SiC顆粒粒徑小于定值時，增強機制主要是Orowan強化。張廷杰等[37]研究表明細小尺寸（<1μm）的剛性顆粒加入將在Orowan強化、細化顯微組織和提高加工硬化率等方面對復合材料基體強化做出貢獻，從而提高復合材料強度。劉飛龍[20]等通過試驗指出，在顆粒含量和應變率相同的情況下，隨著顆粒的細化，即顆粒數(shù)目越多，顆粒增強型復合材料的屈服應力越高，顆粒對金屬基體的增強效果越明顯。

式中，ρ為位錯密度；α為幾何常數(shù)；VP為顆粒的體積分數(shù)；d為粒子尺寸；b為柏氏矢量；σ為強度。

Lloyd[13]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于SiC顆粒增強的Al基復合材料，在同樣的增強顆粒體積含量（15%）下，顆粒尺寸比較小的復合材料有較高的屈服應力；晏義伍[12]對以純鋁為基體的不同粒徑的SiC顆粒增強復合研究發(fā)現(xiàn)，復合材料的屈服強度和抗拉強度隨著顆粒尺寸的減小而增大，當顆粒尺寸小于5μm時，這種影響非常顯著。以上這種由于顆粒尺寸而引起的應變梯度強化效應已成為近年來的研究熱點。Xue等[21]利用應變梯度塑性理論結(jié)合有限元單元胞模型對以上問題進行了研究，指出隨著增強顆粒直徑的遞減，復合材料顯示出越來越強的尺寸效應。增強顆粒尺寸效應主要通過應變梯度效應來表現(xiàn)，而且應變梯度有可能是控制材料變形與斷裂的重要因素之一，對于一定體積分數(shù)的復合材料協(xié)調(diào)小顆粒變形的幾何必需位錯密度要比大顆粒要高。且增強顆粒越小，在變形時產(chǎn)生的幾何必需位錯密度越高，應變梯度也越大，強化效果也就越好，材料所能承受的極限載荷能力也越強。

此外，復合材料的加工硬化速率也隨增強顆粒尺寸的增大而減小。這是由于顆粒尺寸越大，顆粒所含的缺陷越多，同時單個顆粒承受的載荷也增大，導致復合材料在制備過程中的熱擠壓變形時，大顆粒發(fā)生斷裂的幾率增大。而在拉伸過程中，大顆粒也容易斷裂，使得增強顆粒的承載能力下降。因此，顆粒尺寸越大，復合材料的加工硬化率越小[12]。Wang等人[22]針對不同尺寸增強顆粒的金屬基復合材料的研究發(fā)現(xiàn)：小的增強顆粒對于復合材料有更好的強化作用，能明顯提高復合材料的屈服強度和抗拉強度，但卻降低了復合材料的延伸率。

熱殘余應力是熱錯配應力經(jīng)位錯環(huán)松弛后所剩余的應力。顆粒尺寸主要通過影響熱錯配應力的松弛來影響熱殘余應力的大小及分布。Lee[23]研究發(fā)現(xiàn)球形顆粒周圍塑性區(qū)域的大小受顆粒尺寸的影響較大，而當錯配應變一定時，存在某一臨界顆粒尺寸，低于此臨界尺寸時將觀察不到塑性松弛現(xiàn)象。且當小顆粒與基體為非共格時，有效屈服應力與顆粒尺寸成反比。

基于Eshelby等效夾雜理論及Weibull統(tǒng)計分布，宋日文等[24]人發(fā)展了SiC/A1金屬基復合材料斷裂韌性與拉伸延性的力學模型。模型的解析解和實驗結(jié)果都表明：拉伸延性與斷裂韌性隨SiC顆粒體積分數(shù)的增加而減小。且在相同體積分數(shù)的增強顆粒情況下，拉伸延性與斷裂韌性隨SiC顆粒尺寸的增加而減小。R.Kitey[25]等的研究表明隨著顆粒尺寸的增加，復合材料的斷裂韌性將會出現(xiàn)一個峰值而后明顯降低。呂毓雄等[26]人對不同尺寸增強顆粒的金屬基復合材料研究發(fā)現(xiàn)，金屬基復合材料的斷裂形式不同，當增強顆粒尺寸大于10μm時，材料的破壞歸因于SiC顆粒解理形成的裂紋；顆粒尺寸為3.5μm時，復合材料的破壞歸因于SiC-Al界面處撕裂形成的空洞。Flom和Arsenault[27]的研究發(fā)現(xiàn)當增強顆粒尺寸較小時（<2μm），顆粒本身斷裂的概率就很小。

SiCp/Al復合材料中，基體為Al，主要依靠自由電子傳遞熱量；增強相為SiC顆粒，主要依靠聲子傳熱。當它們組成復合材料時，聲子和電子對熱傳導起共同作用[12]。文獻[28]研究發(fā)現(xiàn)隨著增強顆粒尺寸的增加，使得復合材料界面熱阻對復合材料性能的影響降低，從而導致復合材料的導熱率提高。這是由于金屬基復合材料單位體積中的界面面積減少的緣故；此外，當顆粒尺寸小于1μm時，由于受到大量界面熱阻的作用，使得復合材料的導熱率低于基體合金；只有顆粒平均尺寸足夠大時（＞10μm）時，復合材料的導熱率才能明顯高于基體材料。另外，增強顆粒尺寸對金屬基復合材料的熱膨脹行為也有特定的影響，但目前尚無統(tǒng)一定論。Ma等人[29]研究表明，顆粒尺寸對復合材料熱膨脹行為的影響不明顯；但Xu等[30]的研究指出，顆粒尺寸越小，復合材料界面越大，對界面處晶格畸變的影響越大，導致復合材料的熱膨脹系數(shù)減小；Elomari等人[31]針對SiCp/Al復合材料的熱膨脹性能研究也獲得了與之相似的結(jié)論。

3.3 SiC顆粒形狀對復合材料性能影響

對于增強顆粒幾何因素對復合材料性能影響的研究，由于實驗過程困難較大，所以研究時多采用有限元模擬方法。Y.Li[32]等通過研究指出柱形夾雜物要比球形夾雜物的增強效果好，較高長寬比的增強顆粒要比單位長寬比的顆粒增強效果更好。徐緋等[15]采用數(shù)值分析手段針對軸對稱體胞模型開展研究，研究發(fā)現(xiàn)在不同的應變范圍內(nèi)，柱形顆粒對復合材料性能的增強作用強于球形顆粒，這是因為高強度柱形顆粒的尖角存在明顯的應力集中，此處承受了很大的應力，而球形顆粒的應力分布在鋁合金和SiC顆粒之間過渡比較緩和、均勻。同時在高的增強顆粒體積含量的情況下，球形顆粒的應變速率敏感性要比柱形顆粒強。徐娜等[33]采用平面應變和軸對稱兩種單胞模型，分析研究了形狀不同的SiC增強顆粒對經(jīng)T6處理后的鋁基復合材料力學行為的影響，結(jié)果均顯示出：增強顆粒為多邊形狀的鋁基復合材料，隨著顆粒邊數(shù)的增大，顆粒的平均受力逐漸減小，從而復合材料的屈服強度也逐漸降低。

秦蜀懿等[34-35]對SiC/LD2復合材料的有限元分析顯示，不同的顆粒形狀會對周圍基體產(chǎn)生不同分布的熱殘余應變分布，尤其是在顆粒的尖角端，熱殘余應力存在集中現(xiàn)象，且其程度隨顆粒尖銳角度的減小而增加。由于在尖角上應力過大，且顆粒尖角處塑性應變區(qū)明顯大于平直處，導致即使復合材料界面接合良好，顆粒尖角處即使在外加應變水平較低時也會斷裂出孔洞，這些都是降低金屬基復合材料塑性的重要原因。

晏義伍[12]通過對圓形顆粒和方形顆粒增強的Al基復合材料的對比研究發(fā)現(xiàn)，顆粒的形狀對基體的Von Mises等效應力分布有很大影響。以方形顆粒增強的復合材料基體中處于高應力區(qū)域明顯比球形顆粒增強時多，并且方形顆粒的等效應力分布較均勻，且方形顆粒增強后的熱殘余應力使得復合材料的彈性模量、屈服強度和加工硬化率等均增加。但在其尖角處易形成應力集中從而導致顆粒的斷裂，這對復合材料的性能反而不利。

3.4 SiC顆粒分布對復合材料性能影響

增強顆粒在基體中的分布同樣是影響材料性能的一個重要因素，均勻性越差的顆粒分布在基體中的割裂作用就越發(fā)明顯，從而在一定程度上消弱了增強顆粒的積極作用。Tszeng[36]利用等效法對SiC顆粒增強Al基復合材料進行了研究，發(fā)現(xiàn)基體中顆粒分布均勻性高時復合材料具有較高的屈服強度，較大的拉伸強度以及延伸率。顆粒的聚集會降低復合材料的強度，而且顆粒聚集區(qū)域的應力集中程度隨著聚集區(qū)長徑比的增加而增加。Wang等[22]研究也發(fā)現(xiàn)增強顆粒均勻分布的復合材料具有較高的屈服應力、抗拉強度和延伸率。但均勻性分布需要合理的生產(chǎn)工藝，如對于粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)的復合材料：小的基體/顆粒比，以及較長時間的混粉才有可能得到比較理想的均勻顆粒分布。

徐娜[33]通過研究發(fā)現(xiàn)顆粒均勻分布與隨機分布在彈性區(qū)域基本重合，即彈性模量基本相同，當顆粒尺寸較大時均勻分布的彈性模量略高于隨機分布的彈性模量，且顆粒以方形均勻分布時的屈服強度均略高于顆粒隨機分布的屈服強度。但是隨著顆粒尺寸的逐漸減小，這兩種排布方式的影響逐漸變得不明顯。

同樣的研究也表明，增強顆粒的分布均勻性是嚴重影響顆粒斷裂的因素，原因是增強顆粒的分布影響基體中三向應力值和基體塑性變形的具體行為[37-38]。P.Ganguly等[39]通過有限元模擬研究表明：增強顆粒偏聚處的顆粒將會受到較大的內(nèi)部應力，這些地方將是材料破壞的起始位置，也是最容易引起金屬基復合材料破壞的增強顆粒聚集形式。因此，要制備出性能良好的復合材料，就需要對增強顆粒在基體中的均勻分布進行工藝設計，如文獻[40]講述了機械攪拌鑄造法制備的SiCp/6061Al復合材料中，影響SiC顆粒分布均勻性的因素有：預處理，氣流量，攪拌溫度，攪拌速度和攪拌時間等，這些工藝參數(shù)值得進一步研究與優(yōu)化。

3.5 SiC顆粒與基體界面對復合材料性能影響

金屬基復合材料界面，乃至所有復合材料界面都是場量在復合材料基體與增強體間傳遞的媒介，復合材料界面的性質(zhì)在很大程度上決定了復合材料的性能。復合材料界面的功能特性主要表現(xiàn)為：①傳遞功能，界面是基體與增強體之間傳遞場量的橋梁；②阻斷功能，界面適當?shù)恼尺B強度有阻斷裂紋擴展的功能；③吸收和散射效應，對一般振動阻尼復合材料來說，界面具有吸收和散射振動波的功能。

王水兵等人[41]將顆粒增強金屬基復合材料中的界面層和增強顆粒視為等效增強體，并針對SiCp/Al基復合材料，計算了界面厚度和界面強度對復合材料彈性模量及界面阻尼的影響。研究發(fā)現(xiàn)，無論增強體中是否計入了界面體積，彈性模量隨界面層厚度的減薄而增加，并隨界面結(jié)合強度的提高而提高；而復合材料的界面阻尼則與此相反；當增強體中計入界面體積時，較厚的界面對彈性模量和界面阻尼的影響較大。且理論研究與實驗結(jié)果相符，從而為實際制備復合材料時控制界面提供了科學依據(jù)。Zhang等人[42]利用嵌入單元法和有限元法相結(jié)合，對顆粒增強金屬基復合材料界面的硬度、厚度和脫粘位置等進行了研究。結(jié)果顯示硬界面顯著提高了復合材料的強度，軟界面顯著降低了復合材料的強度，但對脫粘位置的影響無規(guī)律。極點脫粘導致復合材料整體強度下降嚴重，而赤道脫粘則影響較小。界面-基體脫粘比界面-顆粒脫粘對材料性能的影響更大。張亞芳等人[43]從細觀尺度分析了考慮界面情況下的顆粒增強脆性基復合材料在單軸拉伸過程中的損傷破壞機制，模擬了裂紋萌生、擴展直至貫通性破壞的全過程。研究表明，當界面結(jié)合較強時，復合材料的強度高，但韌性差；而當界面結(jié)合較弱時，復合材料的強度弱，但韌性好，說明較強的界面可有效傳遞荷載，而較弱的界面則可提升復合材料的韌性。

綜上分析，界面的微觀結(jié)構(gòu)及性能對復合材料的性能有著重要影響，因此對于界面微觀結(jié)構(gòu)的研究有著重要意義。黃大千等人[44]通過對SiC顆粒增強Al2024基復合材料的微觀結(jié)構(gòu)和界面觀察發(fā)現(xiàn)，SiCp和基體之間的界面有多種形態(tài)，多數(shù)界面是平滑的，有的界面非常平直，但還有少數(shù)是鋸齒形的。增強顆粒與基體間的界面多由SiC顆粒原料決定，而部分界面則可能由SiC顆粒的邊緣與液態(tài)鋁溶解及生長作用形成。在所研究的SiC顆粒增強Al2024基復合材料界面上存在著沉淀相，主要為CuAl2、Cu2Mg8SiAl5、（Mn，F(xiàn)e）4SiAl12。 Wang[45]針 對 SiCp/Al6061顆粒增強金屬基復合材料的微觀結(jié)構(gòu)和界面，通過多種方式進行了研究。發(fā)現(xiàn)界面基體中的構(gòu)成相為Al15（Mn，F(xiàn)e，Cu）3Si2，晶格類型為BCC，晶格常數(shù)為1.28nm，SiC顆粒包含六邊形結(jié)構(gòu)的α-SiC和立方體結(jié)構(gòu)的β-SiC。同時發(fā)現(xiàn)了界面反應物為MgAl2O4和MgO。王文明等人[46]對Al合金液與SiC顆?？赡艽嬖诘慕缑婊瘜W反應，界面反應過程和界面反應的模型等做了總結(jié)。同時指出界面反應與制備工藝過程和參數(shù)的關(guān)系規(guī)律，并由此提出可以通過基體合金化、SiC顆粒表面處理、工藝選擇及工藝參數(shù)控制等技術(shù)手段來控制界面反應，從而改善界面狀態(tài)以達到提高復合材料性能的目的。此外，隋賢棟等人[47]以ZL109合金為基體，國產(chǎn)的綠碳化硅顆粒為增強體進行試驗，發(fā)現(xiàn)在靠近SiC的界面層存在厚度小于1μm的“亞晶鋁帶”，它緊靠SiC表面形成，與遠離SiC的Al基體有幾度的位向差。這層“亞晶鋁帶”對界面性能起到了關(guān)鍵性的作用，因為界面的結(jié)合實際上是“亞晶鋁帶”與SiC的結(jié)合，“亞晶鋁帶”與SiC的結(jié)合力就是SiC/Al界面的結(jié)合力。在SiC/Al界面的這層“亞晶鋁帶”內(nèi)可以看到大量的位錯，它比遠離界面的基體中的位錯密度要高許多。而且“亞晶鋁帶”的組織結(jié)構(gòu)要比遠離界面的基體組織復雜。

4 結(jié)束語

近年來，國內(nèi)外專家學者對以SiCp/Al基復合材料為代表的顆粒增強金屬基復合材料有了較深入的研究，從而使其在國民經(jīng)濟各行業(yè)中得到了更進一步的應用。但是關(guān)于SiC顆粒的特性及其對金屬基復合材料性能的影響了解的還不是很全面，如在有限元建模時對復合材料界面的考慮較少，復合材料制備加工和成形過程中的組織形成機制及演化規(guī)律等還有待系統(tǒng)研究。另外增強體顆粒尺寸對位錯密度及復合材料彈性模量的影響規(guī)律說法不一，對強度的影響規(guī)律還不夠系統(tǒng)，這在一定程度上制約了SiCp/Al基復合材料的更廣泛應用。同時對SiCp/Al基復合材料的加工工藝、焊接性和防腐等方面的研究有待加強，從而有利于充分發(fā)揮SiCp/Al基復合材料為代表的顆粒增強金屬基復合材料性能潛力。

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