曾星華，徐　潤(rùn)，譚占秋，范根蓮，李志強(qiáng)，張　荻

(上海交通大學(xué) 金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

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第一作者：曾星華，男，1989年生，碩士研究生

先進(jìn)鋁基復(fù)合材料研究的新進(jìn)展

曾星華，徐潤(rùn)，譚占秋，范根蓮，李志強(qiáng)，張荻

(上海交通大學(xué) 金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

摘要：從鋁基復(fù)合材料納米化、構(gòu)型化、制造技術(shù)3個(gè)方面，綜述了先進(jìn)鋁基復(fù)合材料研究的新進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。新型納米增強(qiáng)體可為鋁基復(fù)合材料提供高的增強(qiáng)效率，而增強(qiáng)體和鋁基體的納米化則由于一系列尺寸效應(yīng),賦予復(fù)合材料更優(yōu)異的性能；基體晶粒尺寸的雙峰、多峰分布，層狀、網(wǎng)絡(luò)等復(fù)合構(gòu)型的設(shè)計(jì),為其性能最優(yōu)化提供了新的途徑；新型粉末冶金、大塑性變形、增材制造等新技術(shù)為新型鋁基復(fù)合材料的制備和加工提供了技術(shù)基礎(chǔ)。可以預(yù)見，性能更優(yōu)異的納米增強(qiáng)體的應(yīng)用、不同尺度結(jié)構(gòu)效應(yīng)的發(fā)揮及新型鋁基復(fù)合材料制備加工新技術(shù)的開發(fā)，將會(huì)成為未來(lái)鋁基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鋁基復(fù)合材料；納米化；復(fù)合構(gòu)型；新型制造技術(shù)

1前言

近年來(lái)，隨著能源環(huán)境問(wèn)題凸顯，工業(yè)設(shè)計(jì)、制造以及應(yīng)用對(duì)金屬材料性能的要求越來(lái)越高，金屬基復(fù)合材料(Metal Matrix Composites, MMCs)，特別是以鋁等輕金屬為基體的復(fù)合材料因其密度低，機(jī)械性能優(yōu)異，還兼具多種功能特性，已成為軍事國(guó)防、航天航空等高技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的輕量化結(jié)構(gòu)材料和功能材料，并在交通、電子、能源、環(huán)境等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和高新技術(shù)領(lǐng)域獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用[1-3]。

然而，由于各種與鋁基體性質(zhì)差異巨大的增強(qiáng)體的引入，導(dǎo)致了鋁基復(fù)合材料塑韌性差、制備過(guò)程難以控制、二次加工成型困難等一系列問(wèn)題[4-5]。因此，目前鋁基復(fù)合材料研究的主要目標(biāo)是在繼續(xù)提高其綜合性能的同時(shí)，還能保持較好的塑韌性、穩(wěn)定性和可加工性。為了達(dá)到這樣的目標(biāo)，目前在新型鋁基復(fù)合材料的組分、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，呈現(xiàn)出納米化、構(gòu)型化的趨勢(shì)，引入高性能納米增強(qiáng)體，利用鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體、基體的納米尺寸效應(yīng)，以及設(shè)計(jì)多峰分布、層狀、網(wǎng)狀等有序的復(fù)合構(gòu)型等方式在新型鋁基復(fù)合材料中起到了良好的綜合性能強(qiáng)化效果；在新型鋁基復(fù)合材料的制備加工工藝研究中，一方面為了實(shí)現(xiàn)其組分和結(jié)構(gòu)的新型設(shè)計(jì)，另一方面為了解決其制備過(guò)程控制、二次加工困難的問(wèn)題，一些新型粉末冶金技術(shù)、大塑性變形工藝、增材制造技術(shù)等也得到了許多研究者的關(guān)注。本文將主要介紹近年來(lái)鋁基復(fù)合材料在這幾方面的新進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

2鋁基復(fù)合材料的納米化

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了碳納米管(Carbon Nanotubes, CNTs)、石墨烯(Graphene, GR)、氮化硼納米管(Boron Nitride Nanotubes, BNNTs)等在微觀尺度上，具有十分優(yōu)異的剛度、強(qiáng)度和功能特性的納米材料[6]，將他們與鋁基體復(fù)合，有望在宏觀上發(fā)揮這些優(yōu)異性能，獲得很高的增強(qiáng)效率和增強(qiáng)效果。另一方面，納米尺寸的增強(qiáng)體和基體結(jié)構(gòu)能夠在鋁基中發(fā)揮尺寸效應(yīng)，通過(guò)發(fā)揮材料中的位錯(cuò)、晶界等微觀缺陷、應(yīng)力-應(yīng)變分配行為等方面的作用來(lái)調(diào)控材料性能。

2.1高性能納米相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，將CNTs等高性能納米材料作為增強(qiáng)體的鋁基復(fù)合材料受到了全世界研究者的廣泛關(guān)注[7]。這些納米增強(qiáng)體性能優(yōu)異，具有顆粒、纖維、片層等多種多樣的幾何形態(tài)，由于它們十分細(xì)小，具有很高的總表面能，易于團(tuán)聚，因此對(duì)于各種高性能納米相增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料而言，首先要考慮的是在基體中實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體的充分分散，以避免團(tuán)聚所造成的缺陷；再者，由于納米相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中的界面體積分?jǐn)?shù)非常高，必須對(duì)界面進(jìn)行嚴(yán)格的控制；此外，還要盡可能地保持增強(qiáng)體幾何形態(tài)和結(jié)構(gòu)的完整性，以獲得最好的增強(qiáng)效果[8]。因此，制備技術(shù)研究是目前為止高性能納米相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要研究?jī)?nèi)容。

CNTs是目前研究較為深入的一種高性能納米增強(qiáng)體，其密度約為鋁的60 %，而模量、強(qiáng)度、熱導(dǎo)率等性質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁基體和各種傳統(tǒng)增強(qiáng)體，是目前性能最優(yōu)的納米纖維增強(qiáng)體[7-8]。研究證明[9]，僅僅2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的結(jié)構(gòu)完好、界面結(jié)合良好、均勻分散CNTs就可以提高AMCs的強(qiáng)度超過(guò)200 MPa，模量約20 GPa，還能保持材料較好的斷裂應(yīng)變。這是由于：CNTs不僅力學(xué)性能優(yōu)異，還具有很高的長(zhǎng)徑比，利于載荷的傳遞；CNTs的存在能夠約束晶粒尺寸，起到細(xì)晶強(qiáng)化的效果；CNTs作為納米第二相存在于基體中，可以促進(jìn)鋁基體儲(chǔ)存位錯(cuò)、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，起到強(qiáng)韌化的效果[7]。

經(jīng)過(guò)了10多年的發(fā)展，人們對(duì)CNTs增強(qiáng)AMCs的制備工藝已經(jīng)達(dá)成了一些共識(shí)[7-8]：首先，為了防止CNTs和鋁熔體發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)生成大量脆性的Al4C3相，必須要使用粉末冶金等能夠在相對(duì)較低的溫度下控制界面反應(yīng)的固相方法；然后，必須引入合適的分散工藝，或者通過(guò)在鋁基體中均勻地原位合成，來(lái)保證CNTs在鋁基體中的分散性。

目前，能夠獲得高性能CNTs增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法主要包括高能球磨[10]、溶液輔助分散法[11]、片狀粉末冶金[9,12]等外加CNTs方法，和化學(xué)氣相沉積[13]、聚合物熱解[14-16]等原位合成CNTs方法。這些方法基本能滿足CNTs增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的要求，但各有其不足之處。目前CNTs增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備技術(shù)研究的主要目標(biāo)是使其在具有優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)，還具有良好的塑韌性、穩(wěn)定性和產(chǎn)業(yè)化的潛力。

除了CNTs外，另一些高性能納米材料如GR[17]、BNNTs[18]等也已被應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料中，展現(xiàn)出了顯著的增強(qiáng)效果。二維形態(tài)的GR在鋁基復(fù)合材料中展現(xiàn)出很高的增強(qiáng)效率，僅0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))就能將鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度提高約100 MPa[17]，這種增強(qiáng)效率甚至優(yōu)于CNTs[9]。而BNNTs與CNTs的力學(xué)性能相近，與鋁的界面反應(yīng)產(chǎn)物主要是硬度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的AlN相和AlB2相[19]，避免了不良界面產(chǎn)物Al4C3對(duì)材料性能的損害，因而得到了一些研究者的關(guān)注。但總體說(shuō)來(lái)，這些納米相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究還不成熟，如片層狀的石墨烯向鋁基體中引入較困難，目前只有片狀粉末冶金[17]等少數(shù)幾種方法,能夠?qū)⑸倭渴┢秸?、完好地引入到鋁基體中，起到較好的增強(qiáng)效果；BNNTs對(duì)鋁基體的增強(qiáng)效果和CNTs相比還有較大的差距[18]。此外，大部分高性能納米增強(qiáng)體的產(chǎn)業(yè)體系還遠(yuǎn)不如CNTs完備，較低的產(chǎn)能和較高的價(jià)格也制約了其研究和應(yīng)用的進(jìn)程。

總體來(lái)說(shuō)，高性能納米相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究正處于一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。一方面，各種增強(qiáng)體的鋁基復(fù)合材料最優(yōu)化的制備工藝、界面控制和增強(qiáng)機(jī)制正在受到深入的研究；另一方面，人們也正致力于以 CNTs增強(qiáng)為主的較為成熟的高性能納米增強(qiáng)體鋁基復(fù)合材料的宏量制備的研究，希望能夠在工程實(shí)際中獲得廣泛的應(yīng)用。

2.2鋁基復(fù)合材料中的納米尺寸效應(yīng)

增強(qiáng)體和基體結(jié)構(gòu)的納米化都會(huì)為復(fù)合材料帶來(lái)特殊的尺寸效應(yīng)，給材料性能帶來(lái)顯著的影響，這引起了人們對(duì)于傳統(tǒng)增強(qiáng)體納米化、傳統(tǒng)基體晶粒納米化、超細(xì)晶化的研究興趣。目前，許多研究者正致力于通過(guò)納米增強(qiáng)體，超細(xì)晶(Ultrafine Grain, UFG)、納米晶(Nano Grain, NG)基體的設(shè)計(jì)等對(duì)復(fù)合材料的變形行為、應(yīng)力-應(yīng)變分配、熱穩(wěn)定性等性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，以獲得全面提高鋁基復(fù)合材料性能的效果。

2.2.1增強(qiáng)體納米化的尺寸效應(yīng)

與傳統(tǒng)的微米增強(qiáng)體相比，納米增強(qiáng)體與基體中的位錯(cuò)、晶界、析出相等微結(jié)構(gòu)的尺寸接近，能通過(guò)其相互作用產(chǎn)生很多在傳統(tǒng)微米增強(qiáng)體中少見的新現(xiàn)象。

首先，在晶粒中的納米彌散增強(qiáng)體既能夠作為位錯(cuò)源產(chǎn)生位錯(cuò)，又能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，儲(chǔ)存位錯(cuò)，起到Orowan強(qiáng)化的作用，其高的比表面積為材料提供了高的位錯(cuò)容量，能同時(shí)提高鋁基復(fù)合材料性能，特別是以UFG、NG為基體的復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性[20-21]。

其次，增強(qiáng)體在基體中造成的應(yīng)變硬化區(qū)域大小與增強(qiáng)體的尺寸有關(guān)[22]。相同體積分?jǐn)?shù)下，納米增強(qiáng)體尺寸遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)增強(qiáng)體，造成的硬化區(qū)域小而分散，能夠減小復(fù)合材料中的應(yīng)力集中。

此外，納米增強(qiáng)體通常在較高的溫度下性質(zhì)穩(wěn)定，還能起到釘扎晶界、阻礙晶界遷移的作用，有益于復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能[23]、蠕變[24]、組織熱穩(wěn)定性[23, 25]等。

因此，除了2.1所述的高性能納米材料增強(qiáng)體外，納米尺度下的傳統(tǒng)增強(qiáng)體，如納米Al2O3、納米SiC等也開始受到廣泛的關(guān)注[23]。通過(guò)原位反應(yīng)形成的納米Al3Ti等金屬間化合物增強(qiáng)體，因其優(yōu)異的剛度、硬度和熱穩(wěn)定性，也成為研究的熱點(diǎn)之一[26]。

2.2.2基體晶粒納米化的尺寸效應(yīng)

除了增強(qiáng)體納米化外，基體晶粒的納米化也是目前鋁基復(fù)合材料的前沿研究?jī)?nèi)容之一。對(duì)于金屬材料而言，當(dāng)材料晶粒細(xì)化到亞微米、納米尺寸時(shí)，晶界強(qiáng)化作用大大增強(qiáng)，材料可以獲得很高的強(qiáng)度[27]，將NG、UFG的鋁作為基體與增強(qiáng)體復(fù)合，有望獲得力學(xué)性能更為優(yōu)異的復(fù)合材料。

然而，由于NG和UFG金屬中位錯(cuò)的產(chǎn)生和儲(chǔ)存能力相比常規(guī)尺寸晶粒明顯下降，材料的塑韌性則會(huì)明顯損失[27]，增強(qiáng)體的引入會(huì)造成材料承載過(guò)程中嚴(yán)重的應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部失穩(wěn)、裂紋形核擴(kuò)展，也會(huì)損害材料的塑韌性[4]。因此，大部分情況下，NG、UFG基體與增強(qiáng)體的共同作用賦予復(fù)合材料高的強(qiáng)度，但塑韌性變得很差。目前，研究者們正通過(guò)一些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。Kai等[28]在B4C增強(qiáng)的UFG的鋁基復(fù)合材料中引入存在于晶內(nèi)的納米彌散Al2O3，提高材料位錯(cuò)產(chǎn)生和儲(chǔ)存能力，明顯提高材料加工硬化能力，最終實(shí)現(xiàn)了材料強(qiáng)韌性的提高；加州大學(xué)戴維斯分校的Vogt等[29]在微米增強(qiáng)體周圍引入U(xiǎn)FG基體晶粒，將增強(qiáng)體造成的基體應(yīng)變硬化區(qū)域局限在UFG內(nèi)，限制由于應(yīng)力集中造成的材料局部失穩(wěn)。

3鋁基復(fù)合材料的構(gòu)型化設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，在鋁基復(fù)合材料的制備過(guò)程中往往要盡可能地追求增強(qiáng)體在基體中的均勻分散，以避免增強(qiáng)體聚集造成的材料缺陷、應(yīng)力集中等現(xiàn)象對(duì)材料性能造成的損害。然而，對(duì)于大部分復(fù)合材料體系而言，增強(qiáng)體均勻分散并不是最優(yōu)化的構(gòu)型。相反，合理地控制復(fù)合材料各組分的空間分布，調(diào)控材料結(jié)構(gòu)在空間上的不均勻性，更有機(jī)會(huì)使其整體性能最大化[30]。這種空間分布在尺度上既不同于材料構(gòu)件的宏觀結(jié)構(gòu)，也不同于復(fù)合材料中的位錯(cuò)、晶界、界面等微觀結(jié)構(gòu)，而是在中間尺度上對(duì)材料結(jié)構(gòu)的一種構(gòu)筑，因而被稱為材料的“構(gòu)型(Architecture)”(圖 1)[31]。

圖1　材料構(gòu)型的尺度[31]Fig.1　Length scales of materials’ architecture[31]

近年來(lái)，人們逐漸重視鋁基復(fù)合材料中構(gòu)型的作用，設(shè)計(jì)出了一系列具有特殊構(gòu)型的復(fù)合材料，希望通過(guò)結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)材料性能進(jìn)行調(diào)控。目前在鋁基復(fù)合材料中已經(jīng)報(bào)道的構(gòu)型包括島狀[32]，雙峰、多峰分布[33-35]，層狀[36-40]，多芯[41]，網(wǎng)絡(luò)[42-44]等多種復(fù)合構(gòu)型。但總體說(shuō)來(lái)，目前尚沒(méi)有一種成熟、普遍的原則來(lái)指導(dǎo)不同鋁基復(fù)合材料的構(gòu)型設(shè)計(jì)，需要針對(duì)材料體系和性能目標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)和研究?？紤]到實(shí)際材料性能調(diào)控效果和制備上的易行性，在諸多構(gòu)型中，雙峰、多峰分布，層狀和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型具有較高的實(shí)用性和發(fā)展?jié)摿?，因此受到了研究者們的廣泛關(guān)注。

3.1雙峰、多峰分布構(gòu)型

傳統(tǒng)的鋁基復(fù)合材料中，增強(qiáng)體尺寸、基體晶粒尺寸等參數(shù)通常是以正態(tài)分布等單峰方式分布的，在不同尺寸下，增強(qiáng)體、基體晶粒的性質(zhì)有很大的差異。雙峰、多峰分布構(gòu)型應(yīng)用了尺寸匹配的思路，在復(fù)合材料中混雜不同尺寸的增強(qiáng)體或基體晶粒，結(jié)合其在不同尺寸下的性質(zhì)，可以獲得良好的增強(qiáng)效果[33]。

對(duì)于鋁基復(fù)合材料的導(dǎo)熱、熱膨脹等功能特性而言，增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)起到?jīng)Q定性的影響。尺寸單峰分布的增強(qiáng)體在空間中的最大體積分?jǐn)?shù)有限，限制了材料性能的優(yōu)化。Arpon等[34]通過(guò)將兩種尺寸的SiC顆粒按比例匹配后復(fù)合到鋁基體中(圖2a)，使制得的鋁基復(fù)合材料中SiC的體積分?jǐn)?shù)明顯高于兩種尺寸各自單峰分布的復(fù)合材料，具有更高的熱導(dǎo)率、更低的熱膨脹和電導(dǎo)率。

除了增強(qiáng)體尺寸外，鋁基復(fù)合材料基體晶粒尺寸的雙峰、多峰分布能匹配NG、UFG的高強(qiáng)度和粗晶粒的塑韌性，獲得綜合力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合材料[33]。加州大學(xué)戴維斯分校的Ye等[35]制得的晶粒雙峰分布的B4C/5083鋁合金復(fù)合材料(圖2 b)在具有高達(dá)約1 058 MPa的抗壓屈服強(qiáng)度的同時(shí)，還保持了約2.5%的斷裂應(yīng)變，這是由于在材料受載過(guò)程中，較軟的粗晶所受載荷迅速傳遞到較硬的細(xì)晶和B4C中，使粗晶中所受載荷很少，不會(huì)先于細(xì)晶基體屈服，而材料的應(yīng)變卻能集中在粗晶中，為材料提供較好的塑韌性。

圖2　SiC顆粒尺寸雙峰分布的SiC顆粒/Al復(fù)合材料(a)[34] ，基體晶粒尺寸雙峰分布的B4C顆粒/Al復(fù)合材料(b)[35]Fig.2　 SiC particles/Al composites with a bimodal distribution of SiC particles sizes(a)[34] , B4C particles/Al composites with a bimodal distribution of matrix grain sizes(b)[35]

3.2層狀構(gòu)型

層狀構(gòu)型是目前鋁基復(fù)合材料中發(fā)展較為成熟的一種構(gòu)型。多相材料的層狀構(gòu)型最接近混合法則的假設(shè)，能夠在沿著層方向上充分發(fā)揮不同層材料的性能，因而較早受到研究者的關(guān)注。通過(guò)箔板軋制或鍛壓[36]、多層薄膜制備[37]、累積疊軋[38]、冷凍鑄造[39]、片狀粉末冶金[9, 17, 40]等方法，可獲得從納米到宏觀的不同尺度的層狀鋁基復(fù)合材料，這些層狀構(gòu)型不僅能充分發(fā)揮兩相材料的性能，還為復(fù)合材料帶來(lái)了一些特殊的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

首先，不同層之間能通過(guò)變形的協(xié)調(diào)匹配實(shí)現(xiàn)材料綜合性能的匹配。Chawla等[37]研究層厚為25～50 nm的SiC/Al納米多層膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種復(fù)合多層膜在受載過(guò)程中，能通過(guò)鋁層的剪切變形來(lái)在層間傳遞載荷(圖3a, b)，使得載荷主要由硬質(zhì)的SiC層承擔(dān)，而應(yīng)變卻主要集中在鋁層內(nèi)，使得復(fù)合薄膜有很高的硬度的同時(shí)，還能具有良好的塑韌性。

然后，軟而韌的層與硬而脆的層之間的交疊能夠提高材料中裂紋傳播過(guò)程的能量耗散，提高材料的韌性。加州大學(xué)伯克利分校的Launev等[39]在其制備的Al2O3/鋁硅合金層狀復(fù)合材料斷裂過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了在Al2O3層的約束下，鋁合金層中的裂紋橋接、偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象大大增加了裂紋路徑(圖3c)，提高了材料的裂紋容量，其斷裂韌性明顯高于鋁硅合金和Al2O3通過(guò)混合法則計(jì)算的理論值。

圖3　SiC/Al多層薄膜受壓痕測(cè)試時(shí)的SEM圖像(a)[37] ，SiC/Al多層薄膜受壓時(shí)應(yīng)力分布的有限元模擬結(jié)果(b)[37]及Al2O3/鋁硅合金層狀復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展路徑(c)[39]Fig.3　SEM image of indentation of SiC/Al multilayers(a)[37] ， the finite element simulation result of stress distribution of indentation of SiC/Al multilayers(b)[37]， and the crack propagation path of a laminated Al2O3/Al-Si alloy composite(c)[39]

盡管層狀構(gòu)型在鋁基復(fù)合材料中起到很好的強(qiáng)化效果，但層狀塊體材料的宏量制備仍是一個(gè)難題。上海交通大學(xué)[9, 17, 40]開發(fā)出一種“片狀粉末冶金”方法制備納米、亞微米尺度層厚的層狀構(gòu)型鋁基復(fù)合材料。這種方法通過(guò)球磨球狀鋁粉獲得納米和亞微米厚度的片狀鋁粉，然后與納米增強(qiáng)體復(fù)合，再通過(guò)后續(xù)的粉末致密化和變形加工過(guò)程，得到塊體的納米增強(qiáng)體-鋁層狀復(fù)合材料。這種方法能實(shí)現(xiàn)納米Al2O3、CNTs、GR增強(qiáng)鋁和鋁合金等納米、亞微米層狀復(fù)合材料的塊體制備，且有望實(shí)現(xiàn)大塊材料的宏量制備，具有廣闊的發(fā)展前景。

3.3網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型

對(duì)于要求各向同性的復(fù)合材料而言，其某項(xiàng)性能在增強(qiáng)體呈空間網(wǎng)絡(luò)連續(xù)分布時(shí)達(dá)到理論極值。例如，根據(jù)Hashin-Shtrikman模型，增強(qiáng)體呈空間網(wǎng)絡(luò)連續(xù)分布時(shí)，各向同性復(fù)合材料彈性模量最大[45]。

早期的鋁基復(fù)合材料中的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型一般將Al2O3[42]、SiC[43]等增強(qiáng)體的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)與鋁基體復(fù)合，獲得具有增強(qiáng)體和鋁基體的雙連續(xù)互穿結(jié)構(gòu)。由于連續(xù)的增強(qiáng)體網(wǎng)絡(luò)能夠不經(jīng)過(guò)界面?zhèn)鬟f而直接進(jìn)行承載、熱傳導(dǎo)等行為，使連續(xù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型的鋁基復(fù)合材料具有優(yōu)異的剛度、硬度和導(dǎo)熱等性能。

然而，連續(xù)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料中連續(xù)的脆性增強(qiáng)體使材料的塑性非常差，材料加工十分困難。因此，增強(qiáng)體空間網(wǎng)絡(luò)分布但非連續(xù)的鋁基復(fù)合材料也逐漸受到人們的關(guān)注。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Kaveendran等[44]在增強(qiáng)體網(wǎng)絡(luò)分布的鈦基復(fù)合材料[46]研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)在球形鋁粉表面的原位反應(yīng)制得了呈空間網(wǎng)絡(luò)分布Al3Zr顆粒、Al2O3納米顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料(圖4)，相比通過(guò)球磨均勻分散增強(qiáng)體的復(fù)合材料，這種網(wǎng)絡(luò)分布構(gòu)型復(fù)合材料的模量提高了4.8%，強(qiáng)度提高了12.5%，而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型引導(dǎo)裂紋擴(kuò)展路徑，提高材料裂紋容量，使材料塑性的提高了76.9%，展現(xiàn)出了增強(qiáng)體非連續(xù)網(wǎng)絡(luò)分布構(gòu)型在鋁基復(fù)合材料中的巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4鋁基復(fù)合材料的先進(jìn)制造技術(shù)

隨著鋁基復(fù)合材料的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的鑄造、浸滲、塑性成型、切削加工等方法已難以滿足新型鋁基復(fù)合材料制備和加工成型方面的要求。新型的粉末冶金技術(shù)、大塑性變形、增材制造等手段在鋁基復(fù)合材料的制備、加工過(guò)程中具有很高的可控制性和獨(dú)特的作用，受到先進(jìn)鋁基復(fù)合材料研究者們的廣泛重視。

圖4　網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型Al3Zr顆粒、Al2O3納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的示意圖(a)和SEM圖像(b)[44]Fig.4　Schematic illustration (a) and SEM image (b) of network architected Al3Zr particles, Al2O3 nano particles reinforced Al matrix composite [44]

4.1新型粉末冶金技術(shù)

粉末冶金方法可在鋁基體熔點(diǎn)以下的溫度控制復(fù)合界面，從而避免微小增強(qiáng)體在熔體中的自然團(tuán)聚以及由于增強(qiáng)體與熔體間的密度差異造成的增強(qiáng)體漂浮或沉降，組織均勻，同時(shí)使鋁基復(fù)合材料具有比液相方法晶粒更細(xì)小的基體組織，因而在新型鋁基復(fù)合材料中得到了十分重要的應(yīng)用。粉末作為粉末冶金技術(shù)中的基本單元，對(duì)其的控制是各種新型粉末冶金技術(shù)的關(guān)鍵。

一些技術(shù)利用粉末的高比表面積和外部輸入的能量所帶來(lái)的反應(yīng)活性，通過(guò)原位反應(yīng)來(lái)引入彌散的納米增強(qiáng)體，如使用霧化液滴與反應(yīng)劑反應(yīng)的反應(yīng)噴射沉積[47]、通過(guò)高能球磨促使粉末和反應(yīng)劑反應(yīng)的機(jī)械化學(xué)反應(yīng)[23]等。

還有一些粉末冶金技術(shù)通過(guò)球磨過(guò)程的高變形量起到分散增強(qiáng)體、控制粉末形貌、細(xì)化粉末晶粒的作用，如通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高能球磨分散增強(qiáng)體的機(jī)械合金化[23]、低溫球磨[48]等。

總體來(lái)說(shuō)，大部分新型粉末冶金技術(shù)是基于實(shí)現(xiàn)新的鋁基復(fù)合材料組分設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而被開發(fā)出來(lái)的。例如，3.2中所述的片狀粉末冶金[9, 17, 40]是一種典型的通過(guò)低能球磨對(duì)粉末形狀進(jìn)行精細(xì)控制、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制備的方法。通過(guò)將球型粉末球磨得到的片狀鋁粉，既具有非常高的比表面積和平整的表面，為表面原位反應(yīng)[14-16, 40]和表面分散[9, 11, 12]引入增強(qiáng)體提供充分的空間，又能夠在粉末中形成片狀的NG或UFG，并保留到塊體材料中。根據(jù)在粉末固結(jié)過(guò)程中破壞或不破壞片型，還能分別形成納米增強(qiáng)體彌散結(jié)構(gòu)和層狀構(gòu)型。

4.2大塑性變形

在各種大塑性變形工藝中，材料的應(yīng)變量很高，并常常伴隨著強(qiáng)烈的壓、彎、剪、扭變形，使得大塑性變形不僅能起到細(xì)化晶粒的作用，還能減少鋁基復(fù)合材料中的缺陷，提高其致密度，同時(shí)提高增強(qiáng)體在基體中分布的均勻性。在鋁基復(fù)合材料中，主要應(yīng)用的大塑性變形方法可分為高能球磨[23]、低溫球磨[48]、片狀粉末冶金[9, 17, 40]等粉末大塑性變形方法和等通道轉(zhuǎn)角擠壓[49]、高壓扭轉(zhuǎn)[50]、累積疊軋[38]、攪拌摩擦[51]等塊體大塑性變形方法。

粉末大塑性變形法都屬于3.1中所述的新型粉末冶金技術(shù)，大多是通過(guò)對(duì)球磨過(guò)程的控制，通常是復(fù)合材料制備的第一步。由于粉末SPD方法在微觀上對(duì)粉末進(jìn)行加工，在晶粒細(xì)化、增強(qiáng)體分散等方面相比塊體具有一定優(yōu)勢(shì)，但由于還必須有后續(xù)的粉末固結(jié)、致密化過(guò)程，需要解決晶粒長(zhǎng)大、材料缺陷等較多的問(wèn)題。

塊體大塑性變形方法直接對(duì)塊體進(jìn)行大塑性變形加工，一般是復(fù)合材料制備的最后一步。使用塊體SPD方法可以直接獲得NG、UFG的鋁基復(fù)合材料，促進(jìn)增強(qiáng)體分散。例如，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Liu等[51]對(duì)機(jī)械混合后熱壓制得的CNT/Al復(fù)合材料進(jìn)行多道次的攪拌摩擦加工，顯著減少了材料中的孔隙等缺陷，均勻分散CNTs并將晶粒細(xì)化到超細(xì)晶尺寸，有效提高了材料的力學(xué)性能。

4.3增材制造

由于增強(qiáng)體硬度高、變形能力差，易導(dǎo)致基體在制備和變形加工過(guò)程中開裂，加工成型問(wèn)題一直是鋁基復(fù)合材料的難題。近年來(lái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，采用材料逐漸累加的方式直接制造材料的增材制造技術(shù)發(fā)展迅速。在鋁基復(fù)合材料中，增材制造技術(shù)能夠直接、精確、快速地控制構(gòu)件成型，不僅避免了鋁基復(fù)合材料塑性加工、切削加工困難的問(wèn)題，還能節(jié)省物料、獲得常規(guī)制造加工手段無(wú)法獲得的精密結(jié)構(gòu)，甚至能夠制備傳統(tǒng)方法難以復(fù)合在一起的材料體系。

澳大利亞昆士蘭大學(xué)的Sercombe等[52]使用選擇性激光燒結(jié)的方法，將6061鋁合金粉末直接燒結(jié)成具有復(fù)雜形狀的疏松坯體，通過(guò)其與氮?dú)獾姆磻?yīng)，在坯體中的孔隙表面形成AlN剛性骨架，然后再向坯體中浸滲鋁合金，獲得致密的復(fù)合材料構(gòu)件(圖5)。相比模鑄、機(jī)械加工、粉末冶金等方法，這種方法成型快,可以制造結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的構(gòu)件。

圖5　選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制備的鋁基復(fù)合材料構(gòu)件[52]Fig.5　Aluminum matrix composites components produced by selected laser sintering[52]

英國(guó)拉夫堡大學(xué)的Kong等[53]通過(guò)超聲固結(jié)的方法，通過(guò)鋁合金箔和增強(qiáng)體纖維的逐層超聲焊接，避免了復(fù)合材料的整體熱加工、變形加工過(guò)程，成功制得了對(duì)溫度非常敏感的形狀記憶合金纖維、強(qiáng)度低且脆的光纖等無(wú)法用傳統(tǒng)手段與鋁復(fù)合的3003鋁合金復(fù)合材料。

5結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)鋁基復(fù)合材料性能要求的不斷提高，先進(jìn)鋁基復(fù)合材料的研究得到了迅速的發(fā)展。在鋁基復(fù)合材料中，CNTs、GR、BNNTs等高性能納米增強(qiáng)體的應(yīng)用引起了人們廣泛關(guān)注，而增強(qiáng)體和基體晶粒尺寸的納米化帶來(lái)的尺寸效應(yīng)也為鋁基復(fù)合材料綜合性能提高提供了新的途徑；通過(guò)鋁基復(fù)合材料中間尺度上的構(gòu)型設(shè)計(jì)優(yōu)化材料性能，正越來(lái)越受到研究者的重視；為了實(shí)現(xiàn)新型鋁基復(fù)合材料的制備和加工，人們正不斷開發(fā)先進(jìn)的新型制造技術(shù)。這些研究探索體現(xiàn)出當(dāng)前鋁基復(fù)合材料的幾個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)：

(1)應(yīng)用更高性能的增強(qiáng)體以獲得更好的增強(qiáng)效率和增強(qiáng)效果；

(2)重視復(fù)合材料中的尺寸效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)，通過(guò)對(duì)鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)體、基體的尺寸和構(gòu)型的控制，達(dá)到全面提高鋁基復(fù)合材料綜合性能的目標(biāo)；

(3)根據(jù)不同的復(fù)合體系和復(fù)合構(gòu)型設(shè)計(jì)先進(jìn)的制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新型復(fù)合材料的制備和加工的精密控制。

總之，近年來(lái)在先進(jìn)鋁基復(fù)合材料的復(fù)合思想、復(fù)合原理和技術(shù)方面產(chǎn)生了很多新的研究進(jìn)展。隨著研究進(jìn)一步的發(fā)展，具有更優(yōu)異綜合性能的鋁基復(fù)合材料將廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。

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(編輯蓋少飛)

Progress of Advanced Aluminum Matrix Composites Research

ZENG Xinghua, XU Run, TAN Zhanqiu, FAN Genlian, LI Zhiqiang, ZHANG Di

(State Key Laboratory of Metal Matrix Composite, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract：This paper reviewed several recent progresses of advanced aluminum matrix composites in the nano reinforcement, nanocrystallization of matrix, architecture design and advanced manufacturing technologies. High-performance nano reinforcements could provide high enhancement efficiency, while the nanocrystallization of the matrices could introduce a serial of nano size effects; the architecture designs (e.g. bimodal or multimodal distributions, laminated or network architectures) provided new routes for property optimization of the aluminum matrix composites; and the advanced manufacturing technologies (e.g. advanced powder metallurgy, severe plastic deformation and additive manufacturing) provided techniques for the preparation and processing of advanced aluminum matrix composites. It can be expected that the application of nano reinforcements with better properties, structural effects at different scales and new manufacturing technologies would be the hotspots in the future research.

Key words：aluminum matrix composites; nanoreinforcement and nanocrystallization; composite architecture; advanced manufacturing technologies

中圖分類號(hào)：TG 45.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962(2015)06-0417-08

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.06.01

通訊作者：李志強(qiáng)，男，1973年生，教授，博士生導(dǎo)師,Email:lizhq@sjtu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51131004,51071100,51001071,51401123); 科技部973計(jì)劃項(xiàng)目(2012CB619600);國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA030311)

收稿日期：2014-12-01