甘國強(qiáng)，韓震，鮑建華，WOLFGANG Pantleon

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2.中國兵器科學(xué)研究院寧波分院，浙江 寧波 315000；3.丹麥技術(shù)大學(xué)，哥本哈根 2800）

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是以碳化硅顆粒（SiCp）作為增強(qiáng)相，以鋁或鋁合金作為基體的一種復(fù)合材料，因具有密度和價格成本低、高溫性能良好、耐腐蝕耐磨及比強(qiáng)度和比彈性模量高等特點，已成為熱門的新型結(jié)構(gòu)材料之一，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、汽車及體育等多個領(lǐng)域，如汽車剎車盤、發(fā)動機(jī)缸體活塞等結(jié)構(gòu)件中。目前原位合成法、粉末冶金法、攪拌鑄造法、噴射沉積法、擠壓鑄造法、快速凝固法等方法是碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要制備方法，但這些方法在制備過程中存在SiCp與基體間浸潤性差、發(fā)生界面反應(yīng)等問題，會導(dǎo)致增強(qiáng)效果變?nèi)?。因此，為保證SiCp 的有效加入，急須對SiCp 進(jìn)行表面改性處理進(jìn)而改善浸潤性、提高界面結(jié)合強(qiáng)度，避免產(chǎn)生上述缺陷[1-10]。

本文結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有研究現(xiàn)狀，介紹了SiCp 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中SiCp 表面改性技術(shù)方面的研究進(jìn)展，重點梳理了SiCp 表面改性現(xiàn)有的方法和存在的問題，以及表面改性后界面結(jié)合強(qiáng)度數(shù)值建模方面的研究進(jìn)展，并對后續(xù)的研究方向進(jìn)行了展望，以期為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的制備提供參考。

1 SiCp/Al 界面強(qiáng)化機(jī)制及界面反應(yīng)特點

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能主要由增強(qiáng)顆粒和基體間的相互作用決定，其強(qiáng)化機(jī)制主要有熱錯配強(qiáng)化、載荷傳遞強(qiáng)化、Orowan 強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等。多種強(qiáng)化機(jī)制之間相互作用和影響，各強(qiáng)化機(jī)制模型如表1 所示?？梢钥闯?，增強(qiáng)顆粒尺寸、體積分?jǐn)?shù)、形狀、位錯運(yùn)動情況、界面結(jié)合強(qiáng)度是影響強(qiáng)化效果的主要因素[11]。

表1 復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)制數(shù)學(xué)模型及主要變量Tab.1 Expression of strengthening mechanism of composites and statistical table of main variables

復(fù)合材料的力學(xué)性能主要受增強(qiáng)顆粒與基體之間的潤濕性及界面結(jié)合強(qiáng)度和狀態(tài)的影響，如過大的界面結(jié)合強(qiáng)度會使復(fù)合材料的變形受阻，但界面結(jié)合強(qiáng)度過小會使強(qiáng)化效果不明顯，導(dǎo)致性能提升有限。增強(qiáng)顆粒與金屬基體界面處常見的結(jié)合方式主要有機(jī)械結(jié)合（靠金屬與增強(qiáng)顆粒之間的機(jī)械鎖合）、擴(kuò)散連接（基體與顆粒界面形成擴(kuò)散結(jié)合層）、化學(xué)結(jié)合（顆粒與基體結(jié)合界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)）和靜電結(jié)合（通過表面吸附的電荷）[11-12]。陳爽[2]在研究SiCp/8009 鋁基復(fù)合材料時發(fā)現(xiàn)，基體微孔聚集模式的延性斷裂依然是高溫條件下的主要斷裂機(jī)制，且以大部分增強(qiáng)顆粒的脆性斷裂和極少數(shù)增強(qiáng)顆粒的拔出為輔，拔出主要受界面結(jié)合強(qiáng)度的影響，其Standard Electronic Modules 形貌如圖1 所示，研究結(jié)果驗證了顆粒與基體間的部分結(jié)合方式。

圖1 SiCp/8009 鋁基復(fù)合材料不同變形條件下的拉伸斷口形貌（SEM，高倍）[2]Fig.1 Tensile fracture morphology of SiCp/8009 aluminum matrix composites under different deformation conditions (SEM, high power)[2]

在高溫條件下制備碳化硅鋁基復(fù)合材料的過程中，SiCp 或纖維會與鋁合金基體在結(jié)合界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如式（1）所示。

在該反應(yīng)過程中，會生成脆性產(chǎn)物Al4C3，Al4C3常以不連續(xù)的片狀或盤狀的形式在SiC 表面形成，且Al4C3具有強(qiáng)吸水性、易水解的特點，會使SiC 顆?；蚶w維受到損傷，反應(yīng)式如式（2）所示。

部分鋁合金會有MgAl2O4相的生成。這些界面反應(yīng)層會在復(fù)合材料受載時萌生裂紋，且裂紋擴(kuò)展迅速，從而導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能下降[13-14]；而且未處理的顆粒表面因吸附氣體和雜質(zhì)，易引起顆粒團(tuán)聚及浸潤性差，復(fù)合后易產(chǎn)生空洞，而成為裂紋的源頭[15-16]。因此，如何提升顆粒與基體間的浸潤性、避免SiCp與鋁基體間的界面反應(yīng)從而提升界面間的結(jié)合強(qiáng)度已成為SiCp 鋁基復(fù)合材料綜合力學(xué)性能進(jìn)一步提升的關(guān)鍵問題。目前可通過添加適量的Si、Mg、Ca、Ce、Ti、稀土等元素來改變鋁基體化學(xué)成分或?qū)iCp表面進(jìn)行改性的方法來避免SiC/Al 界面間的潤濕性和界面反應(yīng)問題，其中添加合金元素可使元素在SiC/Al 界面處富集，進(jìn)而降低鋁基體的活性，也可以使合金元素優(yōu)先與碳化硅顆粒發(fā)生反應(yīng)形成界面層，從而抑制界面反應(yīng)脆性產(chǎn)物Al4C3的生成。

現(xiàn)有研究表明，通過添加合金元素的方法能達(dá)到改善界面潤濕性、提高復(fù)合材料制備效率的目的，但是增強(qiáng)顆粒與基體之間的結(jié)合性沒得到有效改善，而且添加的合金元素也會對基體合金成分產(chǎn)生影響，不利于復(fù)合材料強(qiáng)韌性的提高。因此，為提升SiCp 與基體間的結(jié)合強(qiáng)度，SiCp 表面改性方法進(jìn)入了研究人員的視野。

2 表面改性方法研究進(jìn)展及優(yōu)缺點

增強(qiáng)顆粒表面改性就是在顆粒表面通過某種方法生成一層其他物質(zhì)，避免增強(qiáng)顆粒與鋁基體直接接觸，從而達(dá)到避免或阻礙顆粒表面與基體之間發(fā)生反應(yīng)、生成有害產(chǎn)物的目的。目前，SiCp 表面改性方法主要有高溫氧化法、包覆法，其中包覆法又分為凝膠-溶膠法、化學(xué)鍍法和非均相沉淀法（或非均相成核法）、鹽浴鍍覆法[17-21]。

1）高溫氧化法。高溫氧化法的實質(zhì)如下：在高溫條件下，待SiCp 表面氧化后在顆粒表面生成一層致密的非晶SiO2層，該氧化層既能減緩或阻止SiCp進(jìn)一步氧化，又能有效阻止高溫下SiCp 與鋁基體間發(fā)生界面反應(yīng)，避免Al4C3相的生成。高溫氧化法根據(jù)高溫條件下氧分壓的高低和溫度的高低以及是否生成揮發(fā)物SiO 和CO 可具體分為鈍性氧化和活性氧化。

王愛琴等[22]對SiCp 進(jìn)行高溫氧化處理后對由粉末冶金法制備的SiCp/A390 復(fù)合材料微觀組織進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)SiCp 氧化后，SiCp/A390 復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、致密度得到顯著提高，且界面處沒有生成Al4C3等有害物質(zhì)。李敏等[23]對SiCp 進(jìn)行高溫氧化處理后采用粉末冶金法制備了SiCp/A390復(fù)合材料，研究表明，經(jīng)高溫氧化處理后，SiCp 的形貌會發(fā)生變化，顆粒表面形成的氧化層能明顯提升材料的抗拉強(qiáng)度、致密度等性能。

2）溶膠-凝膠法。溶膠-凝膠法的原理是溶膠經(jīng)陳化轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，最后在凝膠劑的作用下通過高溫煅燒包覆在顆粒上。溶膠-凝膠法具有易操作、方法簡單的優(yōu)點，但存在包覆層厚度不易控制、厚度不均勻的缺點，且界面結(jié)合方式屬于機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度低，經(jīng)高溫處理后，有些包覆界面處會發(fā)生相轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致后續(xù)工藝復(fù)雜、成本高，且產(chǎn)生不易控制的缺陷。

王麗麗等[24]基于溶膠-凝膠法制備了 30 nm 的SiCp，并采用真空燒結(jié)制備方法得到了SiC/Al2O3納米復(fù)合材料，結(jié)果表明，大部分SiCp 能均勻分布在Al2O3晶粒內(nèi)，陶瓷材料韌性得到了提高。王大明[25]總結(jié)了溶膠-凝膠法制備SiC 納米微粉等材料的研究進(jìn)展，研究表明，影響溶膠-凝固法制備SiC 材料的因素較多，但距實現(xiàn)結(jié)晶良好、純度高、形狀和粒徑可控的目標(biāo)還有一定差距。

3）化學(xué)鍍法?；瘜W(xué)鍍法是通過化學(xué)還原反應(yīng)將溶液中的金屬離子還原在呈催化活性物體表面上的一種方法，還原后會在活性物體表面形成一層金屬鍍層。該方法具有無需電解設(shè)備、鍍層外觀良好、鍍層厚度均勻、能在非金屬表面上施鍍的優(yōu)點，其不足在于原材料成本偏高、整個施鍍工藝流程繁雜。目前，化學(xué)鍍法已成功運(yùn)用在不同基體上，如在SiCp 表面鍍Cu、鍍Ni、鍍Ni-P、鍍Ni-B 等。

Mohamed 等[26]采用化學(xué)鍍銅法制備了Cu 包覆SiCp 的Al6061 復(fù)合材料，研究表明，在SiCp 體積分?jǐn)?shù)為8%條件下，與基體材料相比，SiCp 未鍍銅和鍍銅后復(fù)合材料的硬度和屈服強(qiáng)度分別提高了18.6%、23.7%和44%、60%。可以看出，鍍銅后，復(fù)合材料的性能有了進(jìn)一步提升，這是由于經(jīng)SiCp 表面鍍銅改性后，SiCp 與基體在界面處具有良好的結(jié)合，且銅溶解到基體合金中具有固溶強(qiáng)化的作用，使材料的屈服強(qiáng)度和硬度大幅提升，但SiCp 的加入也降低了復(fù)合材料的延展性。LYU 等[27]對SiCp 鍍銅、鍍鎳和鍍Ni/Cu 后的鋁基復(fù)合材料進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)SiCp 未鍍層時，復(fù)合材料存在大量孔洞缺陷，很難通過后期的擠壓變形達(dá)到致密化；鍍銅和鍍Ni/Cu 后，可大幅度減少孔洞等缺陷，且在鍍銅中由于Cu 在高溫時的擴(kuò)散生成了少量的Al2Cu 相，所以鍍Ni 后SiCp 雖被Ni 緊緊包裹，但不能增大其致密度，鍍Ni/Cu 包覆層比鍍Ni 層更薄。在性能方面，鍍銅后材料的密度、硬度、抗拉強(qiáng)度提升最多，在綜合性能方面，Ni/Cu 層最好，鍍Ni 后硬度與未鍍層時的材料硬度基本一樣。黃曉瑩[1]分別采用化學(xué)鍍銅和氧化處理對SiCp 進(jìn)行了表面改性，研究了化學(xué)鍍銅過程中預(yù)處理、施鍍流程、鍍液配方參數(shù)等對鍍銅效果的影響規(guī)律，并給出了5 μm 和40 μm 下SiCp較好的鍍液配方。

4）非均相沉淀法。該方法也稱非均相成核法，其原理是將被覆顆粒作為成核基體，讓包覆層物質(zhì)晶核在被覆顆粒表面生長。該工藝的關(guān)鍵在于在保持被覆顆粒具有穩(wěn)定懸浮特性的條件下，控制包覆層物質(zhì)沉淀反應(yīng)濃度處于形核所需的臨界值之間，從而讓它在顆粒表面形核長大。與其他包覆法相比，非均相沉淀法具有覆層粒子分布均勻、覆層厚度和化學(xué)組分可調(diào)、工藝簡單、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點。黎壽山[28]采用非均相沉淀法在納米SiC 表面包裹了一層銅，獲得了SiC 和Cu 兩相混合均勻的粉體，并通過真空熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了高致密的SiC/Cu 金屬陶瓷復(fù)合材料。邵剛等[29]同樣采用非均相沉淀法制得了銅包裹的SiCp 復(fù)合粉末，并利用真空燒結(jié)技術(shù)制備出了相容性較好的SiCp/Fe 金屬陶瓷。

5）鹽浴鍍覆法。鹽浴鍍覆法是在混合鹽浴中加入Ti 等金屬粉末，通過調(diào)節(jié)溫度使SiCp 與金屬粉末接觸，在毛細(xì)作用和黏著性作用下，在顆粒表面均勻沉積出鍍層。楊得龍等[11]研究了鹽浴鍍覆Ti5Si3的SiCp/Al2014 復(fù)合材料的組織和性能，并對SiCp 鹽浴鍍覆Ti5Si3、鹽浴鍍覆Cr3Si 和Ni2Si、化學(xué)鍍覆Ni、預(yù)氧化和未處理材料進(jìn)行了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)鹽浴鍍覆Ti5Si3處理后，復(fù)合材料的綜合壓縮強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變最優(yōu)，達(dá)到了806 MPa 和23.2%。這主要是由于Ti 原子與擴(kuò)散出的Si 原子反應(yīng)生成Ti5Si3層，并隨著時間的延長而逐漸增厚。而由于鍍層厚度增大，C原子的擴(kuò)散難以進(jìn)行，最終在SiC/Ti5Si3界面處聚集。當(dāng)C 原子濃度超過一定值時，就會反應(yīng)生成三元金屬硅碳化合物Ti3SiC2。

針對常用的高溫氧化法和化學(xué)鍍法，姚婷婷等[30]研究了SiCp 分別鍍銅和表面預(yù)氧化后對Zl106 鋁基復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，氧化和鍍銅都能促進(jìn)SiCp 顆粒表面鈍化，提升材料的綜合性能，但2種方法對比顯示，預(yù)氧化效果比鍍銅效果好，這是由于預(yù)氧化處理后，顆粒與基體的潤濕效果更好，而且氧化生成的SiO2會促使基體與顆粒接觸表面發(fā)生一系列界面反應(yīng)，使SiCp 在基體中的分布均勻性提高。

不同于上述通過對SiCp 進(jìn)行表面改性來提升鋁基復(fù)合材料性能的方法，有學(xué)者提出了其他方法來提升復(fù)合材料性能。譚鑫[31]為了解決SiCp 鋁基復(fù)合材料強(qiáng)塑性不匹配的問題，基于武高輝團(tuán)隊提出的“柔性”強(qiáng)化的概念，采用復(fù)合材料顆粒作為增強(qiáng)體，縮小了增強(qiáng)相的彈性模量、強(qiáng)度與基體合金的差距，達(dá)到了“柔性”強(qiáng)化的目的。賀藝?yán)32]針對疲勞壽命，開展了復(fù)合材料表面噴砂處理、振動研磨處理、噴丸處理，結(jié)果表明，噴砂處理可以提高表面粗糙度，振動研磨處理可以顯著降低表面粗糙度，噴丸處理可以大幅提升表面殘余應(yīng)力。

由以上對SiCp 表面改性的研究結(jié)果可以看出，增強(qiáng)顆粒表面改性能有效抑制顆粒表面與基體間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高浸潤性，使增強(qiáng)顆粒與基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)一步提升，從而提升復(fù)合材料性能。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求也在不斷提高，基于現(xiàn)有單一模式的表面改性方法獲得的強(qiáng)化效果有限，需發(fā)展新的表面改性方法或改性模式來進(jìn)一步提升強(qiáng)化效果。盧柯院士曾提出：“復(fù)合材料的力學(xué)性能想要得到進(jìn)一步的提升，需要人為地設(shè)計和控制增強(qiáng)體在復(fù)合材料中的空間分布情況”[31]。因此，在制備增強(qiáng)顆粒復(fù)合材料時，如何通過人為設(shè)計來實現(xiàn)復(fù)合材料性能的靶向調(diào)控是未來需要關(guān)注的熱點，筆者擬提出多模式強(qiáng)化手段，將未改性碳化硅顆粒、改性碳化硅顆粒和柔性顆粒聯(lián)合進(jìn)行多模式強(qiáng)化，通過引入多模式強(qiáng)化方式來提升復(fù)合材料的延伸率、強(qiáng)韌性，其示意圖如圖2 所示。

圖2 多模式增強(qiáng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-mode reinforcement

3 復(fù)合材料界面結(jié)合數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

顆粒作為增強(qiáng)相加入基體后，會通過多種方式影響復(fù)合材料的性能，如顆粒形貌、大小、排布、基體類型、顆粒種類、顆粒與基體間潤濕性等，多種因素綜合決定了復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、硬度、耐磨性、剛度等性能，而表面改性的目的是提升顆粒與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，實現(xiàn)復(fù)合材料中顆粒增強(qiáng)、性能提升的目的。目前，在復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度測量和表征方面，許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，但大多數(shù)都是以纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料為研究對象[33-38]。對于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，由于顆粒形狀和尺度的特殊性，現(xiàn)有的測試手段難以有效實施檢測，導(dǎo)致增強(qiáng)顆粒與基體在界面結(jié)合強(qiáng)度方面的研究比較滯后，因此不少學(xué)者將計算機(jī)有限元方法引入界面結(jié)合強(qiáng)度表征方面，希望解決表面改性前后增強(qiáng)顆粒與金屬基體之間界面結(jié)合強(qiáng)度難以表征的問題。

邱博等[38]歸納了國內(nèi)外學(xué)者基于不同原理對界面結(jié)合強(qiáng)度研究和預(yù)測的模型，對界面結(jié)合強(qiáng)度定量表征的有限元模擬測試方法進(jìn)行了論述。Kang 等[39]通過改進(jìn)后的三維模型對SiCp 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的界面結(jié)合行為進(jìn)行了有限元模擬，在模擬復(fù)合材料的界面力學(xué)性能時提出了三維多顆粒單胞模型，模擬結(jié)果表明，不同數(shù)量顆粒下的模擬結(jié)果趨勢一致。Meng等[40]提出了基于內(nèi)聚力模型的微機(jī)械模型，并以此模型對SiCp 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明，界面結(jié)合強(qiáng)度在界面剝離中起關(guān)鍵作用。Wang 等[41]從界面殘余應(yīng)力的角度出發(fā)，對Al2O3增強(qiáng)顆粒銅基復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并將Cr 納米粒子對界面的影響考慮進(jìn)去，模擬結(jié)果表明，加入的Cr 粒子確實能改善界面結(jié)合狀態(tài)，降低界面殘余應(yīng)力，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。

在上述有限元模型中，增強(qiáng)顆粒的形狀、分布規(guī)律都是人為設(shè)計的，但在實際過程中，基體中增強(qiáng)顆粒的分布是隨機(jī)的，顆粒形貌也是多樣的。邵雪嬌等[42]在構(gòu)建數(shù)值模型時考慮了顆粒分布的隨機(jī)性，建立了三維多顆粒、隨機(jī)分布立方單胞模型，模擬結(jié)果表明，該模型更符合復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，其結(jié)果更加精準(zhǔn)。并且他們發(fā)現(xiàn)，隨著增強(qiáng)顆粒分布均勻性的提升，增強(qiáng)效果、界面結(jié)合強(qiáng)度、抗循環(huán)變形的能力也有所提升。

Chawla 等[43]針對熱壓法制備的SiC（體積分?jǐn)?shù)為20%）2080 鋁合金復(fù)合材料，將顆粒形狀與實際分布情況相結(jié)合，二次開發(fā)了用于可視化和有限元模擬的三維微結(jié)構(gòu)模型進(jìn)而預(yù)測界面的應(yīng)力-應(yīng)變行為和界面結(jié)合強(qiáng)度。Teng 等[44]提出了一種臨界應(yīng)力分配模型，界面的結(jié)合強(qiáng)度可通過求取單軸拉應(yīng)力條件下圓盤上的應(yīng)力分布來計算，并對SiCp 涂覆氧化鋁層和未涂覆條件下的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了比較，但模擬結(jié)果不理想。李杰[45]采用 Eshelby 等效夾雜力學(xué)模型在Matlab 平臺上模擬研究了燒結(jié)工藝制備過程中不同類型陶瓷顆粒對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，揭示了不同顆粒類型的強(qiáng)化機(jī)理，為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展提供了理論參考依據(jù)。陳剛等[46]發(fā)明了一種基于應(yīng)力模擬方法來檢測顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的方法，顆粒-基體間的結(jié)合強(qiáng)度可通過掃描電鏡觀察到的顆粒形態(tài)和加載過程的應(yīng)力模擬反推出。該方法具有易操作、適用范圍廣的優(yōu)點，但由于將顆粒近似為球形，其模擬結(jié)果與實際存在誤差。李建運(yùn)[12]利用Ansys 模擬軟件，模擬分析了SiCp 粒徑大小、形狀、體積分?jǐn)?shù)以及顆粒表面粗化程度對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，2 種粒徑混合增強(qiáng)的復(fù)合材料比單一粒徑的力學(xué)性能好，該研究方法為利用電子封裝技術(shù)制備高體積分?jǐn)?shù)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的需求提供了思路。崔巖等[47]對受力過程中整形態(tài)復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變變化進(jìn)行了有限元模擬分析，結(jié)果表明，經(jīng)整形處理的SiCp 更趨近球形，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象不顯著。

根據(jù)現(xiàn)有的復(fù)合材料界面模擬研究現(xiàn)狀，總結(jié)出數(shù)值模擬模型發(fā)展歷程如圖3 所示，從二維到三維能更直觀地展現(xiàn)出復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理，且隨著計算機(jī)算法的發(fā)展和數(shù)值模擬軟件的不斷完善，將逐步接近增強(qiáng)顆粒實際接觸條件。

圖3 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度數(shù)值模擬模型發(fā)展流程Fig.3 Development flowchart of numerical simulation model for interfacial bonding strength of particle reinforced composites

目前筆者已先后完成了SiCp 圓形、橢圓形、方形、多形貌組合以及表面改性鍍層的數(shù)值模擬，研究了不同顆粒形貌、不同粒徑組合、不同表面改性鍍層及鍍層厚度對碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料性能的影響，后期擬建立增強(qiáng)顆粒晶體塑性有限元模型，將綜合考慮晶粒取向、位錯、晶粒形貌，從變形的本質(zhì)位錯出發(fā)，揭示其強(qiáng)化機(jī)理，基于有限元軟件建立的各模型如圖4 所示。可以看出，在顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料數(shù)值模擬方面，現(xiàn)有的數(shù)值模擬手段忽略了顆粒與基體之間的化學(xué)反應(yīng)，只能通過一些假設(shè)去等效實現(xiàn)顆粒與基體間的結(jié)合情況，這會存在一定誤差，因此，在數(shù)值模擬過程中，如何采用有效的方法或手段再現(xiàn)顆粒與基體之間的實際結(jié)合情況從而達(dá)到性能預(yù)測是今后發(fā)展的方向。

圖4 已完成不同模式有限元模型Fig.4 Finite element models with different modes: a) spherical reinforced particle model; b) elliptically reinforced particle model; c) square reinforced particle model; d) diversified reinforced particle model; e) modified circular reinforced particle model; f) crystal plasticity model of reinforced particles

4 結(jié)論及展望

SiCp 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有廣泛的應(yīng)用特性，若能通過增強(qiáng)顆粒表面改性技術(shù)改善界面處潤濕性、提高界面強(qiáng)度，從而大幅提升復(fù)合材料綜合性能，則會擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。因此，為滿足對碳化硅鋁基復(fù)合材料性能更高的需求，以后的研究工作可從以下幾方面展開：

1）界面結(jié)合強(qiáng)度。界面結(jié)合強(qiáng)度是影響顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料性能的關(guān)鍵，目前提高界面結(jié)合強(qiáng)度的主要方法有基體合金化、工藝優(yōu)化和增強(qiáng)相表面改性，3 種方法各有優(yōu)缺點，現(xiàn)有的研究多集中于某一種方法對界面結(jié)合強(qiáng)度的影響，因此如何采用合適的優(yōu)化手段完成三者間的最佳匹配將是后期的研究熱點。

2）表面改性前后界面結(jié)合強(qiáng)度有限元建模。模擬條件的真實性及模型的可靠性決定了模擬結(jié)果是否具有參考價值，現(xiàn)有的模擬結(jié)果是基于一定的假設(shè)或簡化條件完成的，忽略或簡化了顆粒表面與基體間的真實結(jié)合情況，因此如何建立更加符合實際條件的有限元模型從而準(zhǔn)確預(yù)測強(qiáng)化效果是后期研究工作展開的熱點之一。

3）表面改性方法?，F(xiàn)有的SiCp 表面改性方法存在成本高、制備效率低、不能大批量工業(yè)化應(yīng)用等問題，因此發(fā)明一種高效、低成本、適合工業(yè)大批量應(yīng)用的改性方法是后期表面改性方法的研究方向。