劉春軒，羅 任，謝 屹，霍樹海，曹柳絮，2，邱敬文

（1. 湖南金天鋁業(yè)高科技股份有限公司，湖南瀘溪 416117；2. 中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410084）

1 引言

近年來(lái)，軌道交通發(fā)展迅速，而能源問(wèn)題卻成為阻礙其發(fā)展的重要影響因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，車體重量每減輕10%，可節(jié)約能耗6% ～ 8%，因此，軌道交通裝備輕量化是提速降噪、節(jié)能降耗的有效手段[1]。

踏面制動(dòng)與盤形制動(dòng)是軌道交通車輛2種基礎(chǔ)制動(dòng)模式。與踏面制動(dòng)相比，盤形制動(dòng)散熱性好、制動(dòng)效率高、摩擦副磨耗低、適用速度更廣泛，因而成為制動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。制動(dòng)盤作為車輛核心零部件，其輕量化可以降低車輛運(yùn)行阻力、減輕軌道壓力，從而減少車輪與軌道磨損，為車輛提速創(chuàng)造有利條件，并且降低能耗與維護(hù)成本。

制動(dòng)盤服役過(guò)程中受強(qiáng)烈摩擦力作用，車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能使制動(dòng)盤溫度迅速升高，在車輛運(yùn)行過(guò)程中熱量又散至空氣中使制動(dòng)盤冷卻，制動(dòng)盤易產(chǎn)生熱疲勞。因此，制動(dòng)盤材料應(yīng)具有良好的高溫強(qiáng)度、耐磨性能，穩(wěn)定且合適的摩擦因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。為滿足輕量化要求，其還必須具有密度小的特性。目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)的城市軌道交通制動(dòng)盤主要為鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼、鋁基復(fù)合材料與以碳纖維或其織物為增強(qiáng)相（C/C）的復(fù)合材料制動(dòng)盤[2]，圖1為城市軌道交通車輛鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤。在不同材料制成的制動(dòng)盤中，鋁合金與灰口鑄鐵的適應(yīng)范圍最廣，基本覆蓋軌道交通的運(yùn)營(yíng)速度范圍，但是鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼的密度大，與軌道交通車輛輕量化發(fā)展方向不相符；C/C復(fù)合材料具有質(zhì)輕、耐磨、高導(dǎo)熱的特點(diǎn)，但成本高昂，在軌道交通方面經(jīng)濟(jì)性較差。

鋁基復(fù)合材料綜合鋁合金與陶瓷材料的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于鋁合金具有更佳的耐磨性、耐溫性、比強(qiáng)度和比剛度，而相對(duì)于陶瓷材料又具有更高的導(dǎo)熱性及韌性。鋁基復(fù)合材料密度小，與鑄鐵制動(dòng)盤相比，鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤質(zhì)量減輕約50%，同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的比強(qiáng)度、比彈性模量、耐磨等綜合性能。

目前已被開發(fā)出的鋁基復(fù)合材料分為纖維、晶須與顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。其中，纖維與晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料存在生產(chǎn)成本高、制備中增強(qiáng)體易損傷且分布不均勻等缺點(diǎn)；顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料有效克服了這些缺點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。常見(jiàn)增強(qiáng)顆粒主要為碳化硅、氧化鋁、碳化硼、二硼化鈦與二氧化鋯等，其中碳化硅具有強(qiáng)度高、硬度高、彈性模量高與耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn)，常被選用為鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體[3]。目前投入使用或者文獻(xiàn)、專利報(bào)道的鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤普遍選用碳化硅顆粒作為增強(qiáng)體[4]。

2 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備方法

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備有2個(gè)突出的難點(diǎn)，一是增強(qiáng)顆粒在基體中易團(tuán)聚，分布均勻程度不易控制，基體中易出現(xiàn)第二相偏析；二是增強(qiáng)顆粒與基體間的界面控制問(wèn)題，界面反應(yīng)易生成碳化鋁等脆性相，不利于材料性能提高[5]，而且熔融金屬表面張力很大，使得與增強(qiáng)陶瓷顆粒的潤(rùn)濕非常困難。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前常見(jiàn)的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備方法主要是攪拌鑄造法、壓力鑄造法、無(wú)壓滲透法、噴射沉積法與粉末冶金法等。目前已投入使用的鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤多采用鑄造法生產(chǎn)。表1為主流制備工藝的相關(guān)特點(diǎn)。

表1 制動(dòng)盤用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料主流制備工藝特點(diǎn)

2.1 攪拌鑄造法

攪拌鑄造法是將增強(qiáng)顆粒加入鋁合金熔體中，經(jīng)機(jī)械攪拌使增強(qiáng)顆粒均勻分布于鋁合金熔體，隨后澆鑄獲得鑄錠，最后經(jīng)二次加工獲得制動(dòng)盤。攪拌鑄造法工序簡(jiǎn)單、成本較低，可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。研究認(rèn)為，鑄造過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)增強(qiáng)顆粒在基體中的均勻性影響從大到小依次為：攪拌速度、攪拌時(shí)間、攪拌溫度[6]。攪拌鑄造法的缺點(diǎn)是材料孔隙率偏高；增強(qiáng)顆粒易團(tuán)聚且在澆鑄過(guò)程中受重力影響下沉而分布不均勻并產(chǎn)生偏析，進(jìn)而影響材料力學(xué)性能。當(dāng)顆粒尺寸較小時(shí)易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，而且當(dāng)增強(qiáng)體顆粒含量較多時(shí)，也容易出現(xiàn)顆粒團(tuán)聚，分散不均勻的問(wèn)題。因此，攪拌鑄造法制備的鋁基復(fù)合材料中陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)通常低于20%，且陶瓷顆粒尺寸通常大于10 μm。另外，由于鋁合金熔體溫度高，增強(qiáng)顆粒如碳化硅易與基體發(fā)生界面反應(yīng)而生成脆性相碳化鋁[7]。界面脆性相的存在將降低復(fù)合材料界面力學(xué)性能，從而導(dǎo)致整體力學(xué)性能降低。攪拌鑄造法結(jié)合流變成型或觸變成型可以實(shí)現(xiàn)大尺寸鋁基復(fù)合材料構(gòu)件制備。

2.2 壓力鑄造法

鋁基復(fù)合材料壓力鑄造通常是將增強(qiáng)顆粒與粘結(jié)劑混合攪拌均勻，經(jīng)壓制成形獲得預(yù)制塊，將預(yù)制塊烘干后在壓力作用下使鋁液或者鋁合金液滲入至預(yù)制塊內(nèi)，形成復(fù)合材料。該方法可制備增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)較高的復(fù)合材料；壓鑄過(guò)程中熔體與增強(qiáng)顆粒接觸時(shí)間短暫，可以抑制界面反應(yīng)進(jìn)行，生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。但鋁合金熔體在滲透過(guò)程中難以充分滲入預(yù)制塊的內(nèi)部孔隙，導(dǎo)致復(fù)合材料缺陷增多。通過(guò)適當(dāng)增大壓鑄壓力可以在不破壞預(yù)制塊的情況下減小材料缺陷。

路建寧等[8]采用3D打印制備碳化硅增強(qiáng)顆粒預(yù)制塊，隨后采用壓力鑄造法制備碳化硅A356復(fù)合材料，結(jié)果顯示碳化硅顆粒與基體結(jié)合強(qiáng)度高，材料組織均勻，但產(chǎn)生明顯的脆性相。預(yù)制塊對(duì)材料組織性能影響較大。季坤等[9]重點(diǎn)研究預(yù)制塊制備，探討了升溫方式、粘結(jié)劑與增強(qiáng)顆粒尺寸對(duì)預(yù)制塊質(zhì)量的影響，結(jié)果顯示，與恒溫加熱方式相比，采用從低溫緩慢升至高溫的方式制備預(yù)制塊強(qiáng)度更高；增強(qiáng)顆粒尺寸越小，預(yù)制塊脫模越困難且破損更嚴(yán)重。壓力鑄造可以提高增強(qiáng)體和鋁合金潤(rùn)濕性，同時(shí)加快浸滲速度，抑制增強(qiáng)體在浸滲過(guò)程中與液態(tài)合金的有害界面反應(yīng)。但是壓力設(shè)備的加入會(huì)使得工藝流程復(fù)雜，設(shè)備成本提高。

2.3 無(wú)壓滲透法

無(wú)壓滲透法需要制備增強(qiáng)顆粒預(yù)制塊，將增強(qiáng)體用一定量的粘結(jié)劑粘結(jié)成具有一定形狀的塊體，將該預(yù)制塊放入模具型腔內(nèi)，隨后進(jìn)行澆鑄，鋁液或鋁合金液在自身重力與表面張力作用下滲入預(yù)制件內(nèi)部形成復(fù)合材料，由于先滲入預(yù)制體中的鋁液會(huì)迅速凝固而阻礙鋁液繼續(xù)深入，因此需要對(duì)預(yù)制塊進(jìn)行預(yù)熱處理[10]。該方法優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單且對(duì)設(shè)備精密度要求不高，可以制備碳化硅體積分?jǐn)?shù)較高的鋁基復(fù)合材料；缺點(diǎn)是不易控制預(yù)制體預(yù)熱臨界溫度，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料性能降低。另外，隨著需要浸滲深度越大，浸滲所需要時(shí)間也越長(zhǎng)，導(dǎo)致鋁液與增強(qiáng)體之間產(chǎn)生界面反應(yīng)時(shí)間也越長(zhǎng)，從而生成較多的界面脆性相，導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能下降。如果浸滲時(shí)間不足，預(yù)制體中細(xì)小的孔隙又很難被填充滿。

劉君武等[11]采用無(wú)壓滲透法制備了碳化硅體積分?jǐn)?shù)大于50%的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al），結(jié)果顯示在碳化硅與鋁之間存在著厚度連續(xù)且均勻的界面層，厚度為0.3 ～ 0.5 μm；碳化硅預(yù)制塊滲入鋁液后形狀與尺寸無(wú)明顯變化，實(shí)現(xiàn)近凈成形。但是碳化硅與鋁之間的潤(rùn)濕性差，不利于鋁熔體充分滲入至預(yù)制塊中，研究表明在增強(qiáng)體中摻入一定量的鎂可以明顯改善碳化硅與鋁之間的潤(rùn)濕性[12]。劉樹杰等[13]研究無(wú)壓滲透工藝對(duì)材料組織性能的影響，結(jié)果表明適當(dāng)升高熔體的溫度有利于提高材料致密度；加入過(guò)量的助滲劑鎂后，在碳化硅顆粒表面生成一層較厚的鋁酸鎂相，材料中出現(xiàn)孔洞，且碳化硅顆粒團(tuán)聚；適量的硅也可以促進(jìn)熔體滲透至預(yù)制塊中。

2.4 噴射沉積法

噴射沉積法是將鋁合金熔體經(jīng)高壓惰性氣體霧化成高速運(yùn)動(dòng)的小液滴，同時(shí)將增強(qiáng)顆粒高速噴出，液滴在完全凝固之前與增強(qiáng)顆粒接觸并且共同沉積在基板上形成復(fù)合材料。與攪拌鑄造法相比，噴射沉積法的特點(diǎn)是增強(qiáng)顆粒在基體中的體積分?jǐn)?shù)可以任意控制；增強(qiáng)顆粒與金屬熔體短暫接觸后便沉積在基板上，因此界面反應(yīng)被抑制，界面脆性相減少。其缺點(diǎn)是增強(qiáng)顆粒利用率較低，且噴射沉積獲得的坯件致密度不高，因而需要進(jìn)行進(jìn)一步的塑性加工以提高材料致密度與力學(xué)性能。朱龍駒等[14]采用噴射沉積技術(shù)與楔形壓制致密化技術(shù)制備了體積分?jǐn)?shù)為20%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤。致密材料的密度為2.68 g/cm3，抗拉強(qiáng)度約220 MPa，布氏硬度約124。噴射沉積法也被用于梯度鋁基復(fù)合材料的制備。石金磊[33]采用噴射沉積法制備梯度鋁基復(fù)合材料，通過(guò)控制碳化硅顆粒輸出率，使其隨著沉積坯高度按規(guī)律變化。結(jié)果顯示，沉積坯底部到頂部碳化硅含量從0%逐漸升高至30%；可以看出噴射沉積法具有很好的材料組元調(diào)控靈活性，但是致密度不高。

2.5 粉末冶金法

粉末冶金法以鋁粉、鋁合金粉末以及增強(qiáng)顆粒為原料，首先將增強(qiáng)顆粒與鋁粉或鋁合金粉末按一定比例混合均勻，隨后將混合粉末壓制成形，最后將生坯燒結(jié)獲得燒結(jié)體。粉末冶金法制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要工序包括：混粉，成形，燒結(jié)和整形。

Shin等[16]采用粉末冶金法，以2系鋁合金為基體，制備碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，研究了燒結(jié)溫度對(duì)合金組織性能的影響，結(jié)果表明，在一定的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度的升高，液相量增加，碳化硅顆粒沉積導(dǎo)致材料中出現(xiàn)貧碳化硅區(qū)域，顯微組織出現(xiàn)偏析、不均勻的現(xiàn)象，材料的晶粒粗化，綜合力學(xué)性能降低。金鵬等[17]采用熱壓燒結(jié)制備體積分?jǐn)?shù)為15%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，結(jié)果表明，隨著燒結(jié)溫度的增加，材料組織均勻，但材料的致密度、強(qiáng)度與延伸率均先升高后降低，在580 ℃達(dá)到峰值。力學(xué)性能的降低歸因于高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中界面反應(yīng)生成的碳化鋁與鋁酸鎂等脆性相。

與噴射沉積法、攪拌鑄造法相比，粉末冶金法主要優(yōu)點(diǎn)為：①?gòu)?fù)合材料中各組分的比例可以任意改變，易于控制陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)，可以制備增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)較大的復(fù)合材料；②增強(qiáng)顆粒均勻分布于基體中，材料中無(wú)明顯的第二相偏析與顆粒團(tuán)聚，材料組織均勻；③燒結(jié)溫度低于鋁的熔點(diǎn)，一方面可以抑制鋁與陶瓷顆粒之間的界面反應(yīng)，另一方面可以細(xì)化基體組織；④復(fù)合材料表現(xiàn)出較高的綜合力學(xué)性能；⑤可實(shí)現(xiàn)近凈成形，材料利用率高。

粉末冶金法制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料存在的問(wèn)題，一是原材料鋁粉相對(duì)于鋁錠成本較高，燒結(jié)后燒結(jié)體的致密度偏低；二是制動(dòng)盤散熱筋等復(fù)雜結(jié)構(gòu)無(wú)法在粉末壓制時(shí)完全成形。燒結(jié)體需要進(jìn)行進(jìn)一步的塑性變形精整以制備滿足要求的制動(dòng)盤。

截至目前，國(guó)內(nèi)高新技術(shù)企業(yè)已首次采用粉末冶金工藝制備了120 km/h軌道交通車輛鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤；該高新技術(shù)企業(yè)應(yīng)用粉末冶金工藝，生產(chǎn)出多系列碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤，其開發(fā)的低質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，抗拉強(qiáng)度約320 MPa，布氏硬度約120，彈性模量約110 GPa，延伸率約3%；中高質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，抗拉強(qiáng)度約330 MPa，布氏硬度約140，彈性模量約140 GPa，延伸率約1.5%。掃描電鏡照片顯示制動(dòng)盤所用2款鋁基復(fù)合材料內(nèi)部致密，無(wú)氣孔及細(xì)小裂紋，且碳化硅顆粒分布均勻，材料力學(xué)性能優(yōu)異，可以滿足輕量化制動(dòng)盤的性能要求，如圖2所示。經(jīng)驗(yàn)收，其性能優(yōu)于檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求及現(xiàn)有鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤。

3 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)制及其影響因素

鋁基復(fù)合材料界面起著連接基體和增強(qiáng)體，傳遞載荷、抵抗裂紋萌生和擴(kuò)展的作用?；谲壍澜煌ㄖ苿?dòng)盤的耐磨損、耐高溫、導(dǎo)熱性好服役要求，提高鋁基復(fù)合材料界面的結(jié)合質(zhì)量是非常重要的因素。常見(jiàn)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料主要強(qiáng)化機(jī)制包括奧羅萬(wàn)強(qiáng)化（Orowan）、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化機(jī)制等。增強(qiáng)顆粒在基體中的體積分?jǐn)?shù)、顆粒尺寸與顆粒形狀也是影響材料性能重要因素。

3.1 增強(qiáng)顆粒預(yù)處理

增強(qiáng)顆粒與鋁合金基體之間的潤(rùn)濕性較差，顆粒在材料中易團(tuán)聚且與基體結(jié)合強(qiáng)度較低，制動(dòng)盤服役過(guò)程中增強(qiáng)顆?？赡苊撀涠共牧鲜?；在材料制備過(guò)程中，即使采用噴射沉積法或者粉末冶金法，增強(qiáng)顆粒與基體反應(yīng)在界面形成脆性相也可能發(fā)生，脆性相的存在將導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能降低。對(duì)增強(qiáng)顆粒進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理是改善增強(qiáng)顆粒與基體間的潤(rùn)濕性、抑制界面反應(yīng)的有效手段。

對(duì)碳化硅顆粒進(jìn)行加熱、酸洗或者超聲處理可以去除顆粒表面吸附的氣體，清潔表面；或者將碳化硅顆粒在空氣中高溫焙燒，使顆粒表面氧化生成一層氧化硅，此方法可以改善碳化硅顆粒與鋁合金基體的潤(rùn)濕性，提高復(fù)合材料的硬度與耐磨性能[18]。王愛(ài)琴等[19]將碳化硅顆粒在1100 ℃焙燒3 h后在蒸餾水中進(jìn)行超聲處理，隨后采用粉末冶金工藝制備碳化硅增強(qiáng)鋁-硅復(fù)合材料，結(jié)果表明，采用未預(yù)處理碳化硅顆粒制備的復(fù)合材料中，界面處存在孔洞，材料斷裂從界面處進(jìn)行；碳化硅顆粒預(yù)處理后，顆粒表面潔凈，棱角鈍化，復(fù)合材料中碳化硅顆粒分布均勻，基體組織界面處空洞消失，材料抗拉強(qiáng)度提升50 MPa。

在碳化硅顆粒上涂覆一層金屬，如銅、鎳、鈦等，這類金屬與鋁潤(rùn)濕性好，可以提升增強(qiáng)顆粒與基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度[20]。表面涂覆方法包括物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、溶膠凝膠法、電鍍與化學(xué)鍍等。

3.2 增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)

對(duì)于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，增強(qiáng)顆粒是主要強(qiáng)化源。一般情況下，隨著增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、硬度也增加，但降低了材料的延展性與斷裂韌性[21]。Soon-Jik等[21]采用離心霧化與熱擠壓工藝制備了碳化硅顆粒增強(qiáng)2024鋁基復(fù)合材料，并推導(dǎo)出計(jì)算復(fù)合材料屈服強(qiáng)度公式，如式（1）所示：

式（1）中，σ、V分別代表屈服強(qiáng)度與體積分?jǐn)?shù)；m、r、c分別代表基體、增強(qiáng)體與團(tuán)聚體。經(jīng)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本相符合。

制動(dòng)盤用鋁基復(fù)合材料必須滿足強(qiáng)度高、耐磨性能好等要求，因此碳化硅顆粒體積分?jǐn)?shù)普遍較高，可以達(dá)到20%。然而，復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)亦會(huì)受到制備方法的限制。采用攪拌鑄造法制備的鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤碳化硅顆粒體積分?jǐn)?shù)通常為20%[4]，采用粉末冶金法或者無(wú)壓滲透法制備的鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤碳化硅顆粒體積分?jǐn)?shù)可以超過(guò)50%[22]。

3.3 增強(qiáng)顆粒尺寸

復(fù)合材料的變形行為與顆粒尺寸之間有直接的關(guān)系。復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度與塑性硬化速率會(huì)隨著顆粒尺寸的增加而減小。小尺寸的增強(qiáng)顆粒對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度增強(qiáng)效果明顯；大尺寸增強(qiáng)顆粒易存在缺陷，受載荷作用時(shí)可能發(fā)生斷裂，基體承載的載荷不能有效傳遞至增強(qiáng)顆粒，導(dǎo)致材料抗拉強(qiáng)度的降低。Sun等研究了碳化硅顆粒尺寸對(duì)復(fù)合材料組織性能的影響，結(jié)果表明，小尺寸碳化硅顆粒易團(tuán)聚，材料斷裂表面主要為基體的韌性斷裂以及碳化硅顆粒與基體的界面脫開；隨著碳化硅顆粒尺寸的增大，顆粒分布愈發(fā)均勻，材料抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度呈降低的趨勢(shì)，斷裂表面主要是基體的韌性斷裂以及碳化硅顆粒的斷裂。據(jù)此特點(diǎn)，雙尺度顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料被開發(fā)出來(lái)：小尺寸顆粒有利于材料強(qiáng)度與硬度的增加，而大尺寸顆?？梢蕴岣卟牧夏Σ列阅堋８呒t霞等[23]采用粉末冶金工藝制備了雙尺度碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，材料表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

3.4 增強(qiáng)顆粒形狀

碳化硅增強(qiáng)顆粒的形狀是影響材料力學(xué)性能與斷裂機(jī)制的因素。徐尊平等用有限元方法建立三維模型探討碳化硅顆粒幾何特征對(duì)鋁基復(fù)合材料力學(xué)行為的影響，結(jié)果表明，相對(duì)于顆粒尺寸與顆粒體積分?jǐn)?shù)，材料的應(yīng)力與應(yīng)變對(duì)顆粒角度更為敏感，小角度顆粒在受到較小的拉伸力作用時(shí)，顆粒尖角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中；顆粒角度越大，材料應(yīng)力應(yīng)變集中現(xiàn)象越小，材料表現(xiàn)出更高的力學(xué)性能。對(duì)碳化硅顆粒做鈍化處理，保留一定大角度的同時(shí)消除尖角，有利于提升顆粒對(duì)基體的增強(qiáng)效果。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

軌道交通制動(dòng)盤的輕量化是軌道交通發(fā)展的主流方向之一，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因具有高比強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、耐磨損與抗熱疲勞等優(yōu)點(diǎn)被作廣泛研究，并成功運(yùn)用到軌道交通制動(dòng)盤領(lǐng)域。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，社會(huì)對(duì)軌道交通的安全、速度和經(jīng)濟(jì)性有了更高的要求。高速軌道交通將會(huì)是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向。這也對(duì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤研發(fā)和制備提出了更高的要求。

綜合文章分析，筆者認(rèn)為以下3方面是未來(lái)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中亟需關(guān)注的問(wèn)題。

（1）高體積分?jǐn)?shù)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤有望適應(yīng)運(yùn)行速度更快的軌道交通車輛，其制備加工存在增強(qiáng)顆粒易團(tuán)聚和機(jī)加工難度大2個(gè)主要問(wèn)題。隨著霧化鋁粉制備工藝的成熟和鋁粉成本的降低，基于近凈成形方面的優(yōu)勢(shì)，粉末冶金工藝將在制備高體積分?jǐn)?shù)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤方面展示出較大的應(yīng)用潛力。

（2）采用粉末冶金方法制備雙尺度顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。在制粉過(guò)程中使納米尺度與微米尺度的增強(qiáng)顆粒與鋁合金粉末混合均勻，有望制備出強(qiáng)度高且耐磨性能好的制動(dòng)盤。

（3）開發(fā)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的碳化硅表面改性工藝。提高碳化硅顆粒與基體的界面結(jié)合質(zhì)量，可以進(jìn)一步提高材料的性能。