摘要：【目的】探討顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（particle-reinforced aluminum matrix composites，PAMCs）性能提升、應(yīng)用前景等?！狙芯楷F(xiàn)狀】概述PAMCs復(fù)合材料的主要制備方法，主要包括攪拌鑄造法、原位合成法、粉末冶金法、噴射成形法、擠壓鑄造法、直接氧化法、高溫水熱合成法等；從結(jié)合方式、結(jié)合強(qiáng)度、界面表征等方面對(duì)PAMCs界面進(jìn)行介紹；從強(qiáng)化機(jī)制和增強(qiáng)體因素等方面對(duì)界面力學(xué)性能進(jìn)行概括?！窘Y(jié)論與展望】復(fù)合材料的制備方法對(duì)增強(qiáng)體在基體中的分布、界面結(jié)合和性能產(chǎn)生顯著影響，選擇制備方法時(shí)應(yīng)綜合考慮所需的材料性能、生產(chǎn)成本及工藝可行性；界面結(jié)合對(duì)PAMCs的整體性能至關(guān)重要，良好的界面結(jié)合能提高材料的強(qiáng)度和韌性；強(qiáng)化機(jī)制決定材料的特性，通過(guò)成分設(shè)計(jì)、微觀(guān)結(jié)構(gòu)調(diào)控以及制備工藝優(yōu)化等手段，實(shí)現(xiàn)多種強(qiáng)化機(jī)制的協(xié)同作用，可最大限度地提升材料的性能。未來(lái)的研究應(yīng)致力于開(kāi)發(fā)低成本、綠色環(huán)保等新型高效的制備技術(shù)，優(yōu)化PAMCs的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和性能；通過(guò)設(shè)計(jì)界面結(jié)構(gòu)并調(diào)控界面反應(yīng)等，可以進(jìn)一步提升PAMCs的性能；控制界面反應(yīng)也是PAMCs關(guān)鍵發(fā)展方向之一。

關(guān)鍵詞：鋁基復(fù)合材料；制備工藝；顆粒增強(qiáng)；界面行為

中圖分類(lèi)號(hào)：TB4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：

唐彬彬，馮思雨，段君元，等.顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備與界面行為[J].中國(guó)粉體技術(shù)，2024，30（4）：1-14.

TANG Binbin，F(xiàn)ENGSiyu，DUANJunyuan，etal.Preparation and interfacial behavior of particle-reinforced aluminum matrixcomposites[J].China Powder Science and Technology，2024，30（4）：1-14.

金屬基復(fù)合材料（metal matrix composites，MMCs）作為一種高性能的結(jié)構(gòu)材料，因具有卓越的可設(shè)計(jì)性而在材料科學(xué)領(lǐng)域占有重要地位1-3。按照基體材料的不同，MMCs細(xì)分為鎳基、銅基、鈦基、鐵基、鋁基和鎂基等多種類(lèi)型。其中，鋁基復(fù)合材料（aluminum matrix composites，AMCs）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度等綜合性能，尤其是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（particle-reinforced aluminum matrix composites，PAMCs）？-6，滿(mǎn)足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)材料輕質(zhì)、高強(qiáng)的需求，得到了廣泛關(guān)注。

本文中旨在概述PAMCs的制備方法、界面結(jié)合特性與表征方法等的最新研究進(jìn)展，探討PAMCs在提升性能方面的潛力及應(yīng)用前景，以期為PAMCs的發(fā)展提供新的思路和方向。具體的論述內(nèi)容及路徑如圖1所示。

1制備方法

PAMCs制備的方法主要包括固態(tài)法、液態(tài)法和其他方法，如圖2所示。由于PAMCs具有獨(dú)特的工藝特點(diǎn)，制備的復(fù)合材料在性能上表現(xiàn)出顯著差異，因此，需根據(jù)具體需求和條件選擇合適的制備方法。

1.1攪拌鑄造法

攪拌鑄造法是在液態(tài)或半固態(tài)的基體合金熔體中進(jìn)行攪拌，為了防止金屬氧化、燃燒，在制備過(guò)程需要覆蓋劑、惰性氣體等進(jìn)行保護(hù)。向熔體中添加增強(qiáng)顆粒，并利用機(jī)械、超聲或電磁攪拌確保顆粒均勻分布。最終，將混合均勻的復(fù)合材料澆鑄成所需錠坯或鑄件，此法工藝簡(jiǎn)便，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，然而，攪拌鑄造法也存在偏析、縮孔和團(tuán)聚等缺陷，尤其是如何使增強(qiáng)顆粒均勻分散在基體材料中是其面臨的核心問(wèn)題。同時(shí)，在攪拌的過(guò)程中，容易引入夾雜物和氣體，對(duì)材料性能產(chǎn)生不利影響。通過(guò)對(duì)攪拌工藝的優(yōu)化制備顆粒分散均勻、性能良好的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是該方法目前主要的研究方向。

采用優(yōu)化攪拌制備工藝可以顯著減少制備復(fù)合材料的缺陷。有研究表明，在制備顆?；祀s增強(qiáng)AMCs時(shí)，當(dāng)攪拌溫度為800℃，攪拌速度為450 r/min，攪拌時(shí)間為20 min時(shí)，復(fù)合材料孔隙率和夾雜物的數(shù)量都顯著減少，同時(shí)粒子分散性也顯著提高。通過(guò)對(duì)攪拌工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)制備的SiCp-Al基復(fù)合材料，其硬度和抗拉強(qiáng)度分別提高85%和173%，且隨著增強(qiáng)顆粒含量的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著提升，然而，與其他方法相比，攪拌法制備的PAMCs中增強(qiáng)顆粒較易發(fā)生團(tuán)聚，此外孔隙率相對(duì)較高。

1.2原位合成法

原位制備技術(shù)是利用化學(xué)反應(yīng)在基體內(nèi)部直接生成硬質(zhì)增強(qiáng)體。這種方法制備的增強(qiáng)體顆粒受外部環(huán)境影響較小，與基體結(jié)合緊密，界面穩(wěn)定且干凈，相容性好12。此外，增強(qiáng)體是原位合成，增強(qiáng)體純度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，且其與基體界面結(jié)合良好，以及其在制備時(shí)設(shè)計(jì)靈活，可按需求調(diào)整增強(qiáng)體的大小、形貌和分布等，但在實(shí)際過(guò)程中，為了控制反應(yīng)類(lèi)型，產(chǎn)生的新相需要克服反應(yīng)能壘使反應(yīng)順利進(jìn)行，反應(yīng)條件更加苛刻，往往難以在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)。

在高溫環(huán)境中，將KBF？和K？ZrF？粉末與AA6061鋁合金進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生納米尺度的ZrB？顆粒，隨后加入C？Ci？精煉劑，原位合成所需的顆粒以增強(qiáng)AMCs。這種方法有效地減少偏析和夾雜等缺陷，并且納米ZrB？團(tuán)簇體均勻分布，制備的材料綜合性能優(yōu)良。趙玉厚等14以熔體反應(yīng)法制備了原位生成的A1？Ti鋁基復(fù)合材料，其強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及彈性模量等都顯著提高。

1.3粉末冶金法

粉末冶金法（PM）是先將鋁基體和增強(qiáng)體顆粒均勻混合，然后高壓熱燒結(jié)成型而制成復(fù)合材料。在燒結(jié)前，將基體與增強(qiáng)體進(jìn)行均勻混合，確保增強(qiáng)體在基體內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚，同時(shí)熱壓燒結(jié)保證兩者之間結(jié)合緊密[15-17]。通過(guò)這種方法制備的復(fù)合材料增強(qiáng)體含量可控且分布均勻，制備的材料致密性高，性能優(yōu)良。此外，連續(xù)增強(qiáng)和非連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料都適用該制備方法，特別是非連續(xù)增強(qiáng)的顆粒、晶須。該法的工藝流程相對(duì)復(fù)雜，制備周期長(zhǎng)，且不易控制界面反應(yīng)的發(fā)生，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

采用PM法制備的納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料性能優(yōu)良，強(qiáng)度、硬度以及耐磨性能都相較于基體合金有明顯提高[18]。隨著增強(qiáng)相含量的增加，在強(qiáng)度提高同時(shí)其延展性明顯降低，導(dǎo)致其塑性成型難，這也是PAMCs面臨的主要問(wèn)題之一。同時(shí)，也有學(xué)者應(yīng)用該方法制備混雜增強(qiáng)AMCs，以不同尺度、不同形態(tài)的混雜相作為增強(qiáng)體。例如，以SiC納米線(xiàn)與顆?；祀s增強(qiáng)的AMCs，與使用單相顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料相比具有更好的強(qiáng)度-延展性匹配[19]。

1.4噴射成形法

噴射成形法是將高溫融化后的合金熔液通過(guò)惰性氣體的快速?lài)娚溥^(guò)程制備成微小顆粒，微小顆粒在快速凝固過(guò)程中沉積固結(jié)在基體板上形成AMCs制件，其工藝流程如圖3所示[2]。根據(jù)增強(qiáng)體生成途徑的不同，噴射沉積法分為添加噴射沉積法和反應(yīng)噴射沉積法。此技術(shù)中，鋁液的噴射與增強(qiáng)體的噴射相互協(xié)調(diào)，通過(guò)精確控制特定的比例和噴射速率，確保增強(qiáng)體在基體中的均勻分布和組織均衡。此技術(shù)更適用于制作薄膜狀的復(fù)合材料。

通過(guò)噴射沉積法制備SiC-PAMCs，晶粒均勻細(xì)小，無(wú)宏觀(guān)偏析，SiC顆粒在基體中沒(méi)有明顯的富集，

呈彌散分布，有效避免了增強(qiáng)體顆粒與基體表面出現(xiàn)有害反應(yīng)，同時(shí)力學(xué)性能比基體材料顯著提高2-23。

制備方法對(duì)材料的性能有顯著影響，然而，增強(qiáng)體的種類(lèi)、尺寸及含量等也對(duì)復(fù)合材料的性能有顯著影響。在相同制備工藝下有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[24-25]，不同尺寸的SiC顆粒在基體中存在不同的分布規(guī)律。當(dāng)增強(qiáng)顆粒粒徑較小時(shí)，局部團(tuán)聚現(xiàn)象較為突出，而當(dāng)顆粒粒徑增大時(shí)，SiC顆粒沿著擠壓方向的分布趨勢(shì)則變得更為明顯。另外，隨著SiC顆粒尺寸的減小，復(fù)合材料的疲勞壽命得到了相應(yīng)的延長(zhǎng)。

由于噴射沉積法是在真空或惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行，基體合金與氧氣接觸較少，避免合金被氧化和污染，制備的材料晶粒細(xì)小，性能好，生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝流程簡(jiǎn)潔，成本低廉，生產(chǎn)效率高有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。由于成品致密性較低、容易形成孔隙的問(wèn)題仍然存在，對(duì)材料的力學(xué)性能造成一定影響，因此，精確控制噴射工藝參數(shù)，減少人為造成的制備缺陷，是該方法進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵。

1.5浸滲法

浸滲法分為無(wú)壓浸滲和壓力浸滲2種，其中無(wú)壓浸滲法是先將增強(qiáng)體制成預(yù)制件，然后在模具內(nèi)由液態(tài)的基體合金在常壓下滲入到預(yù)制件的孔隙中，從而制備成復(fù)合材料。壓力浸滲法和常壓浸滲工藝一樣，最主要的區(qū)別是在浸滲過(guò)程中是否有壓力助力浸滲過(guò)程。

壓力浸滲法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，易獲得體積分?jǐn)?shù)高和較大尺寸的復(fù)合材料，易于實(shí)現(xiàn)近凈成形，且增強(qiáng)顆粒的分布比鑄造法更均勻，同時(shí)可有效解決鑄件中的氣孔、氣泡和收縮，潤(rùn)濕性差等缺陷問(wèn)題[28-29]。這種方法難以抑制預(yù)制件引入的高孔隙率，且使用這種方法時(shí)，必須嚴(yán)格地控制制備工藝的溫度、壓力、冷卻速度和環(huán)境因素等參數(shù)。

1.6激光增材制造法

激光增材制造法即3D打印技術(shù)，使用高能激光熱源將金屬基體粉末與增強(qiáng)體熔化，并快速冷卻凝固，制備出復(fù)合材料。激光增材制造法主要涵蓋2個(gè)大的核心技術(shù)：一是選區(qū)激光熔化（selective lasermelting，SLM）技術(shù)，二是激光熔化沉積（laser melting deposition，LMD）技術(shù)。這2種技術(shù)均基于激光的高能量特性，通過(guò)精確控制激光與材料的相互作用，實(shí)現(xiàn)材料的逐層累加，從而制造出復(fù)合材料。其中，激光熔化沉積技術(shù)已經(jīng)成為金屬增材制造領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)。激光增材制造技術(shù)能夠生產(chǎn)出傳統(tǒng)工藝難以或無(wú)法加工的非常規(guī)結(jié)構(gòu)零部件。此外，該技術(shù)還可以與鑄造、金屬冷噴涂等制造工藝結(jié)合，形成復(fù)合制造工藝，從而實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)短的制造流程，在制備過(guò)程中存在顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚等缺陷。總體而言，這種復(fù)合制造工藝不僅可以提高生產(chǎn)效率，還能為復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展注入新活力，其工藝原理如圖4所示[34]。

1.7其他方法

除以上幾種方法，還有擠壓鑄造法、直接氧化法、高溫水熱合成法等。如韓臻等采用高溫水熱合成法成功制備了一種新型的納米金屬氧化物復(fù)合材料，該材料含有碳、銀和銅元素，探討了銀和銅的添加量對(duì)復(fù)合材料吸附碘蒸氣能力的影響，并精確確定了在達(dá)到最佳吸附量時(shí)銀和銅的理想含量比例。

此外，有研究者嘗試將多種制備方法和工藝結(jié)合起來(lái)，以期獲得性能更為優(yōu)異的PAMCs。例如，可以先采用粉末冶金法制備出增強(qiáng)體分布均勻的復(fù)合材料坯料，然后再通過(guò)擠壓鑄造或鍛造等工藝進(jìn)一步提高其致密度和力學(xué)性能。

不同的制備方法有不同的特點(diǎn)及適用性，目前還沒(méi)有一種制備方法得到研究者的廣泛認(rèn)同，如表1所示為PAMCs制備方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。目前，對(duì)顆粒增強(qiáng)PAMCs的制備方法及制備工藝仍在不斷探索，在PAMCs制備過(guò)程中需要根據(jù)基體和增強(qiáng)體的特性以及實(shí)際需求等來(lái)選擇適合的制備方法。總之，制備方法和工藝對(duì)PAMCs的發(fā)展至關(guān)重要，直接影響PAMCs的微觀(guān)結(jié)構(gòu)、性能以及應(yīng)用前景。復(fù)合材料的制備方法和工藝將朝著高效、低成本、綠色環(huán)保、精準(zhǔn)控制微觀(guān)結(jié)構(gòu)及多功能化的方向發(fā)展，這些趨勢(shì)將推動(dòng)PAMCs在航空航天、汽車(chē)制造、電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展和深化。

2界面

增強(qiáng)體與基體材料之間的結(jié)合區(qū)域?yàn)榻缑?，是增?qiáng)顆粒與基體之間的過(guò)渡區(qū)域，是復(fù)合材料重要的微結(jié)構(gòu)。界面作為連接基體與增強(qiáng)相的橋梁，對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能及物理性能起著決定性作用[36-37]。界面不僅能作為載荷傳遞的主要載體，還能優(yōu)化應(yīng)力的分布，有效地遏制裂紋的生成、傳播及擴(kuò)展。當(dāng)界面結(jié)合不佳時(shí)，加載初期就可能在界面處觀(guān)察到裂紋的形成，顯著削弱顆粒載荷分擔(dān)所帶來(lái)的強(qiáng)化效應(yīng)。若界面結(jié)合強(qiáng)度過(guò)高，則在制造或后續(xù)加工過(guò)程中可能會(huì)引入較大的殘余應(yīng)力，這些應(yīng)力在加載初期就可能對(duì)材料的完整性造成不利影響。過(guò)高的界面結(jié)合強(qiáng)度可能導(dǎo)致復(fù)合材料在載荷作用下發(fā)生脆性斷裂，而過(guò)低的界面結(jié)合強(qiáng)度則無(wú)法有效地傳遞載荷，為確保復(fù)合材料的最佳性能，界面強(qiáng)度應(yīng)保持在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。在確保界面結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)，也需要考慮界面對(duì)材料整體性能的影響，以實(shí)現(xiàn)最佳的強(qiáng)化效果。

2.1結(jié)合方式

界面作為一過(guò)渡區(qū)域，與單相區(qū)相比，在化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出顯著的變化，展現(xiàn)出復(fù)雜的力學(xué)特性及微觀(guān)結(jié)構(gòu)39-401。對(duì)界面進(jìn)行深入研究有利于理解MMCs的強(qiáng)化機(jī)制及塑性性能。界面結(jié)合機(jī)制可分為3類(lèi)，即機(jī)械結(jié)合、物理結(jié)合和化學(xué)結(jié)合。其中，機(jī)械結(jié)合主要是依靠基體與增強(qiáng)體之間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)合方式的強(qiáng)度會(huì)受到增強(qiáng)體的比表面積和表面粗糙度的影響，普遍存在于各類(lèi)復(fù)合材料中。而物理結(jié)合涉及分子之間的相互作用力，如范德華力和氫鍵，這種結(jié)合方式在聚合物基體的復(fù)合材料中占有重要地位?；瘜W(xué)結(jié)合即是化學(xué)鍵，化學(xué)鍵不僅可以增強(qiáng)界面的結(jié)合強(qiáng)度，還可以提高復(fù)合材料的耐腐蝕性能和抗氧化性能，一般存在于MMCs和陶瓷基復(fù)合材料中?；谏厦嫣岬降?種結(jié)合方式，MMCs的界面結(jié)合主要可以分為5類(lèi)。

1）機(jī)械結(jié)合

機(jī)械結(jié)合指2個(gè)物體表面間通過(guò)類(lèi)似臺(tái)階或鋸齒的幾何形態(tài)相互嵌合而實(shí)現(xiàn)的連接。當(dāng)復(fù)合材料主要以這種界面結(jié)合方式為主時(shí)，機(jī)械性能往往不盡如人意。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，界面結(jié)合很少是純粹的機(jī)械結(jié)合，它通常與其他類(lèi)型的結(jié)合方式（如物理結(jié)合或化學(xué)結(jié)合）共同存在，從而形成一個(gè)更為復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)。

2）溶解和潤(rùn)濕結(jié)合

浸潤(rùn)角小于90°時(shí)，基體與增強(qiáng)體之間發(fā)生浸潤(rùn)和一定程度的溶解，它是電子間的靜電相互作用所驅(qū)動(dòng)的，通常在幾個(gè)原子直徑的范圍內(nèi)發(fā)生。

3）反應(yīng)結(jié)合

反應(yīng)結(jié)合是一種依賴(lài)于化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合機(jī)制。它通過(guò)在結(jié)合表面生成化學(xué)鍵連接的化合物來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體與基體之間的結(jié)合。這種結(jié)合方式涉及增強(qiáng)體和基體在界面上的化學(xué)變化，這是一個(gè)復(fù)雜且受多種因素影響的過(guò)程。這些因素包括增強(qiáng)體和基體的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)、特性，以及溫度、壓力和濃度等條件。此外，界面反應(yīng)過(guò)程常與吸附、偏析和擴(kuò)散等化學(xué)反應(yīng)相互作用，共同影響結(jié)合效果。在特定環(huán)境下，如有氧環(huán)境中，增強(qiáng)體與基體發(fā)生氧化作用，形成氧化物的結(jié)合界面，從而提高材料的表觀(guān)穩(wěn)定性。

4）交換反應(yīng)結(jié)合

當(dāng)增強(qiáng)體和基體成分中存在2種或更多元素時(shí)，不僅增加了界面反應(yīng)的可能性，還通過(guò)元素的擴(kuò)散交換將增強(qiáng)體、基體和反應(yīng)生成物緊密連接在一起。

5）混合結(jié)合

在MMCs中，混合結(jié)合被認(rèn)為是最常見(jiàn)的結(jié)合方式之一。實(shí)際應(yīng)用中復(fù)合材料的界面結(jié)合通常是多種結(jié)合方式共存。

Lee等[42]研究發(fā)現(xiàn)，在制備復(fù)合材料時(shí)高溫氧化處理增強(qiáng)顆?？梢杂行П苊饨缑娣磻?yīng)，并降低孔隙率，進(jìn)而顯著提升界面結(jié)合強(qiáng)度，其性能尤其是耐磨性能大幅提高。同樣地，Urean等采用液態(tài)金屬與增強(qiáng)顆粒表面氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的策略，以強(qiáng)化界面結(jié)合，從而改善材料的力學(xué)性能。Dong等44運(yùn)用真空擴(kuò)散技術(shù)，在增強(qiáng)體表層覆蓋硼顆粒，不僅優(yōu)化了界面潤(rùn)濕性，還增強(qiáng)了界面結(jié)合力，有效減少了界面開(kāi)裂現(xiàn)象，并使得材料的抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率均得到顯著提升。這些研究共同為復(fù)合材料的界面優(yōu)化和性能提升提供了有益的探索和實(shí)踐。

MMCs的增強(qiáng)性能在很大程度上依賴(lài)于基體與增強(qiáng)體界面的結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)AMCs被加熱到溫度為570℃（比基體固相線(xiàn)的溫度低73℃）時(shí)，界面并未形成新的物相，并且界面保持干凈平整，但是基體與增強(qiáng)體之間的結(jié)合力有所減弱。這種情況會(huì)導(dǎo)致材料在彈性變形的過(guò)程中界面受到破壞，進(jìn)一步導(dǎo)致彈性模量的減小。

基于上述界面的不同結(jié)合方法，一些學(xué)者將其分類(lèi)為I、I、Ⅲ型3個(gè)不同的類(lèi)別。I型指的是增強(qiáng)體與基體金屬之間既無(wú)化學(xué)反應(yīng)也無(wú)溶解現(xiàn)象，這種界面通常涉及機(jī)械結(jié)合。II型發(fā)生在增強(qiáng)體與基體金屬之間，這種界面的結(jié)合包括溶解與潤(rùn)濕過(guò)程。ⅢI型是指增強(qiáng)體與基體金屬之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了特定的化合物，這類(lèi)界面涵蓋了反應(yīng)結(jié)合、交換反應(yīng)結(jié)合以及混合結(jié)合等多種結(jié)合方式4。

2.2結(jié)合強(qiáng)度

復(fù)合材料的強(qiáng)度取決于界面能否高效的傳遞載荷，依賴(lài)于增強(qiáng)相與基體材料之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，在界面中通過(guò)引入金屬元素（如Mg）等進(jìn)行界面調(diào)控可以進(jìn)一步改善顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的界面結(jié)合[45-46]。PAMCs的增強(qiáng)體與基體之間在高溫下容易發(fā)生界面反應(yīng)，生成一些脆性化合物。這些化合物可能會(huì)削弱界面結(jié)合強(qiáng)度，使得復(fù)合材料在受到外力作用時(shí)容易發(fā)生失效。此外，界面反應(yīng)還可能導(dǎo)致增強(qiáng)體與基體之間的潤(rùn)濕性變差，進(jìn)一步影響界面結(jié)合強(qiáng)度，從而影響復(fù)合材料的整體性能。依據(jù)界面反應(yīng)的強(qiáng)弱，界面反應(yīng)程度分為以下3類(lèi)[41-49]：

第1類(lèi)是弱界面反應(yīng)。弱界面反應(yīng)發(fā)生在2種材料接觸的界面上，但反應(yīng)輕微，僅產(chǎn)生少量反應(yīng)產(chǎn)物，對(duì)增強(qiáng)材料的損傷極小，甚至可忽略不計(jì)。這種反應(yīng)能有效改善液態(tài)金屬與增強(qiáng)體之間的潤(rùn)濕性，減少界面微孔數(shù)量，實(shí)現(xiàn)理想的界面融合效果。該界面強(qiáng)度適中，能高效傳遞載荷并提高材料的整體性能。同時(shí)，它能形成脫離黏附的界面，產(chǎn)生橋聯(lián)效應(yīng)，減輕應(yīng)力集中并阻止裂紋擴(kuò)展

第2類(lèi)是中等程度的界面反應(yīng)。隨著界面反應(yīng)程度增加，反應(yīng)產(chǎn)物數(shù)量增多，增加了裂紋偏轉(zhuǎn)和界面脫黏的難度，界面結(jié)合強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。當(dāng)復(fù)合材料受到外界載荷作用時(shí)，裂紋容易向纖維內(nèi)部擴(kuò)展，導(dǎo)致材料的脆性破壞。這種破壞現(xiàn)象最終導(dǎo)致復(fù)合材料在低應(yīng)力下發(fā)生斷裂。

第3類(lèi)是強(qiáng)的界面反應(yīng)。強(qiáng)界面反應(yīng)劇烈，界面處聚集大量反應(yīng)物或形成脆弱的反應(yīng)物層，嚴(yán)重破壞增強(qiáng)體的完整性和承載能力。當(dāng)發(fā)生劇烈界面反應(yīng)時(shí)，復(fù)合材料的整體性能極差，甚至某些復(fù)合材料的強(qiáng)度低于基體強(qiáng)度。

在復(fù)合材料界面結(jié)合時(shí)由于增強(qiáng)相與基體的潤(rùn)濕性較差，對(duì)復(fù)合材料制備及界面結(jié)合造成不利影響，而適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)可以有效改善復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度而大幅提高復(fù)合材料性能

為了獲得高性能的PAMCs，需要控制和利用界面反應(yīng)，以獲得合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。通過(guò)選擇合適的增強(qiáng)體、優(yōu)化制備工藝、添加界面改性劑等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如：可以選擇與鋁基體相容性好的增強(qiáng)體，以減少界面反應(yīng)的發(fā)生；優(yōu)化制備工藝可以控制界面反應(yīng)的程度和速率；添加界面改性劑可以改善增強(qiáng)體與基體之間的潤(rùn)濕性，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。

2.3界面表征

目前，在對(duì)界面形貌及界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征時(shí)采用的主要工具仍是掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）？1-53。采用SEM可以直接觀(guān)察到顆粒與基體之間的界面形態(tài)、顆粒分布及界面處的微裂紋、孔洞等缺陷。TEM在界面行為檢測(cè)中提供了更深入的微觀(guān)信息，可揭示界面區(qū)域的原子排列、相結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)等，有助于理解界面處的物理和化學(xué)作用機(jī)制。另外，對(duì)界面表征常用的還有原子力顯微鏡（AFM）、X射線(xiàn)衍射儀（XRD）、顯微拉曼光譜、能譜分析（EDS）及同步輻射技術(shù)等，其中EDS、XRD主要對(duì)材料組織及物相（成分）進(jìn)行分析。

近年來(lái)，在原子尺度上表征復(fù)合材料界面逐漸受到關(guān)注，通過(guò)對(duì)界面原子尺度的深入研究，可以清晰地理解復(fù)合材料界面的結(jié)合方式，這種研究通常涉及使用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算方法，以揭示界面處原子結(jié)構(gòu)和相互作用。從原子尺度能夠直接觀(guān)察界面處的原子排列和鍵合情況，以及晶體的取向與界面結(jié)合的關(guān)系。通過(guò)高分辨率的顯微技術(shù)獲得界面結(jié)構(gòu)的原子級(jí)圖像。這些圖像揭示了原子之間的相對(duì)位置和鍵合類(lèi)型，從而提供了關(guān)于界面結(jié)合方式的直接信息。此外，通過(guò)原子尺度的計(jì)算模擬，可以進(jìn)一步理解界面結(jié)合的本質(zhì)。這些模擬通?；诹孔恿W(xué)或經(jīng)典力學(xué)原理，可以預(yù)測(cè)界面處的原子結(jié)構(gòu)和能量。通過(guò)比較不同結(jié)合方式的模擬結(jié)果，可以確定哪種結(jié)合方式在能量上更有利、更穩(wěn)定。模擬還可以揭示界面處的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵特性，提供關(guān)于界面結(jié)合強(qiáng)度的信息。另外，為了更深入地探究不同物質(zhì)的結(jié)合方式，對(duì)界面間的電子構(gòu)造也需進(jìn)行更為深入的研究。

Dudiy等57利用第一性原理研究Ag-Ti（C，N）界面空位對(duì)其結(jié)合的影響，發(fā)現(xiàn)C（N）界面存在空位，導(dǎo)致Ag-Ti（C，N）的界面結(jié)合變得更為緊密。由于C（N）空位的存在，使Ti與Ag原子間發(fā)生強(qiáng)烈鍵合，因此加強(qiáng)了界面結(jié)合。Matsunaka等58運(yùn)用第一性原理深入研究了非共格Ni-MgO界面，解釋了界面中氧化物表面空位的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)O空位可以引發(fā)電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)而在界面的離子間產(chǎn)生鏡像現(xiàn)象，對(duì)界面結(jié)合能造成影響。另外，納米級(jí)Al？O？/SiC多相的增韌作用機(jī)制研究表明，當(dāng)外部應(yīng)力作用于這種材料時(shí)，納米級(jí)Al？O？和SiC顆粒之間發(fā)生強(qiáng)烈的變形和扭曲，這種變形導(dǎo)致晶界的位錯(cuò)和位錯(cuò)減縮，進(jìn)而改善材料的塑性和韌性。

在PAMCs的研究中，界面結(jié)構(gòu)問(wèn)題尤為關(guān)鍵，仍存在諸多待解決的挑戰(zhàn)。具體而言，PAMCs的界面研究面臨以下問(wèn)題：1）如何精準(zhǔn)調(diào)控增強(qiáng)體與基體之間的界面反應(yīng)，確保其處于一個(gè)合適的范圍內(nèi)；2）增強(qiáng)體與基體之間潤(rùn)濕性的改善；3）探明微觀(guān)-宏觀(guān)性能與界面結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系；4）界面微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)的細(xì)致表征；5）復(fù)合材料各組分對(duì)界面結(jié)構(gòu)的具體影響；6）界面的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。其中，增強(qiáng)體與基體之間的潤(rùn)濕性不佳和界面反應(yīng)調(diào)控的難題，已成為制約MMCs進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素[59]。為了推動(dòng)PAMCs的發(fā)展，未來(lái)的研究需深入探索這兩個(gè)問(wèn)題的解決方案，并系統(tǒng)研究其他界面結(jié)構(gòu)問(wèn)題，以全面提升材料的綜合性能。

3力學(xué)性能

3.1強(qiáng)化機(jī)制

PAMCs的力學(xué)性能受到多種強(qiáng)化機(jī)制的聯(lián)合影響，其中載荷傳遞強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等機(jī)制尤為顯著。PAMCs的強(qiáng)化機(jī)理主要包括：1）顆粒承載強(qiáng)化。顆粒本身對(duì)材料起到支撐作用，能夠有效地傳遞載荷，從而增強(qiáng)材料的整體強(qiáng)度。2）細(xì)晶強(qiáng)化。由于顆粒的存在，晶粒細(xì)化，晶界增多，有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而顯著提高材料的性能。3）奧羅萬(wàn)（Orowan）強(qiáng)化。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到增強(qiáng)體顆粒及硬質(zhì)彌散質(zhì)點(diǎn)時(shí)，通常難以直接通過(guò)，位錯(cuò)被迫繞行。這種繞行增加了位錯(cuò)移動(dòng)的阻力，進(jìn)而增強(qiáng)變形抗力，改善材料力學(xué)性能。一般認(rèn)為在上述強(qiáng)化機(jī)理中，載荷傳遞強(qiáng)化對(duì)PAMCs力學(xué)性能的貢獻(xiàn)更為顯著。PAMCs的強(qiáng)化效果和增強(qiáng)相本身的強(qiáng)度密切相關(guān)，載荷傳遞雖能提高力學(xué)性能，但增強(qiáng)顆粒在材料受力過(guò)程中可能產(chǎn)生破裂而失效。例如，SiC-PAMCs在受到外加載荷時(shí)應(yīng)力經(jīng)基體傳到SiC顆粒，導(dǎo)致顆粒出現(xiàn)了不同程度的開(kāi)裂或破碎，其受力及破裂過(guò)程演變?nèi)鐖D5所示。

3.2力學(xué)性能

PAMCs的性能受增強(qiáng)體的含量、尺寸等多種因素的影響[60-61]，這些因素的協(xié)同作用賦予了PAMCs的可設(shè)計(jì)性，使得PAMCs在多種工程應(yīng)用中成為較理想的選擇。目前，PAMCs性能研究及應(yīng)用最多的性能主要有硬度、抗拉強(qiáng)度及耐磨性能等。雖然，PAMCs力學(xué)性能取決于組分、制備工藝等因素，但陶瓷顆粒的加入普遍會(huì)使復(fù)合材料的硬度、抗拉強(qiáng)度及耐磨性能得到顯著提高[62-65]。

在對(duì)PAMCs力學(xué)性能進(jìn)行研究中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)優(yōu)化制備工藝可以得到增強(qiáng)體分散均勻，力學(xué)性能優(yōu)越的復(fù)合材料62。用鑄造法和粉末冶金法制備的不同體積分?jǐn)?shù)的TiC顆粒增強(qiáng)的Al-xCu基復(fù)合材料，復(fù)合材料的硬度大幅提高106%63。Singh？4采用攪拌鑄造工藝制備了混雜增強(qiáng)復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)混雜相的優(yōu)化提高了材料性能，抗拉強(qiáng)度從318 MPa升至385 MPa，提高21%。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的混雜復(fù)合材料，由于顆粒的團(tuán)聚導(dǎo)致硬度和拉伸強(qiáng)度都有所降低。在Kumar等66的研究中，在PAMCs中原位生成硬質(zhì)陶瓷相制備成的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料，性能改善明顯，尤其是耐磨性提高了33.07%。

不同的處理工藝對(duì)復(fù)合材料的性能也有顯著影響，尤其是熱處理工藝。比如，固溶工藝對(duì)原位合成TiB？-6061Al復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，復(fù)合材料經(jīng)固溶處理后（溫度為530℃，時(shí)間為10h），其硬度和耐磨性能顯著提高，與未處理的材料相比，硬度和耐磨性都得到大幅提高，分別為79.5%和59.1%67。

增強(qiáng)體的尺寸、配比等對(duì)復(fù)合材料的性能同樣影響顯著。Li等研究發(fā)現(xiàn)，納米SiCp可以作為Mg？Si的異質(zhì)形核質(zhì)心，從而使共晶Mg？Si被細(xì)化，抗拉強(qiáng)度比Al-Cu基體合金高33.5%。此外，Sharifi等也探究了混雜增強(qiáng)AMCs的摩擦磨損性能。采用B？C和粉煤灰顆粒進(jìn)行混雜增強(qiáng)，增強(qiáng)效果明顯，磨損性能得到了提高。這些研究為復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了有益的參考。

PAMCs由于顆粒的加入可以在基體中產(chǎn)生大量位錯(cuò)，從而強(qiáng)化復(fù)合材料提高其硬度，其硬度值在70～150 HV之間。硬度改善關(guān)鍵在于增強(qiáng)顆粒的選擇、熱處理工藝、以及界面結(jié)合等，通過(guò)合理調(diào)控這些因素，可以協(xié)同提高復(fù)合材料的硬度。磨損性能受到多種因素的影響，包括增強(qiáng)體的種類(lèi)、含量、分布，基體合金的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，以及外部摩擦條件等。在實(shí)際應(yīng)用中仍需通過(guò)優(yōu)化材料設(shè)計(jì)和制備工藝，進(jìn)一步提升PAMCs的耐磨性能，以滿(mǎn)足不同工況下的使用需求。PAMCs的強(qiáng)度并不是增強(qiáng)體含量越高越好，且其強(qiáng)度受增強(qiáng)體團(tuán)聚影響明顯，可進(jìn)一步探索減少顆粒團(tuán)聚的方法，提高增強(qiáng)顆粒的分散性，以獲得更高性能的復(fù)合材料。

綜上所述，PAMCs在力學(xué)性能方面所展現(xiàn)出的顯著優(yōu)勢(shì)和巨大潛力，為現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支撐。PAMCs不僅硬度高，抗拉強(qiáng)度強(qiáng)，而且具有良好的耐磨性，然而，隨著科技的進(jìn)步和工程需求的不斷提升，對(duì)PAMCs性能的要求也在日益提高。未來(lái)的研究需要不斷探索和創(chuàng)新，進(jìn)一步提升PAMCs的綜合力學(xué)性能。另外，PAMCs制備方法和界面結(jié)合狀態(tài)共同決定了其性能。制備過(guò)程中，增強(qiáng)體的分散性、顆粒大小、含量以及界面反應(yīng)等因素都會(huì)影響復(fù)合材料的性能。界面結(jié)合狀態(tài)的好壞直接影響復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。通過(guò)不斷優(yōu)化制備工藝、界面設(shè)計(jì)和功能開(kāi)發(fā)，可以推動(dòng)PAMCs在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

4結(jié)論與展望

1）復(fù)合材料的制備方法對(duì)增強(qiáng)體在基體中的分布、界面結(jié)合和性能產(chǎn)生顯著影響。選擇制備方法時(shí)需綜合考慮所需的材料性能、生產(chǎn)成本及工藝可行性。未來(lái)的研究應(yīng)致力于開(kāi)發(fā)低成本、綠色環(huán)保等新型高效的制備技術(shù)，優(yōu)化PAMCs的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和性能。

2）界面結(jié)合對(duì)PAMCs的整體性能至關(guān)重要，良好的界面結(jié)合能提高材料的強(qiáng)度和韌性。通過(guò)設(shè)計(jì)界面結(jié)構(gòu)并調(diào)控界面反應(yīng)等，可以進(jìn)一步提升PAMCs的性能。

3）強(qiáng)化機(jī)制包括顆粒承載強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、奧羅萬(wàn)強(qiáng)化等，它們共同決定材料的特性。通過(guò)成分設(shè)計(jì)、微觀(guān)結(jié)構(gòu)調(diào)控以及制備工藝優(yōu)化等手段，實(shí)現(xiàn)多種強(qiáng)化機(jī)制的協(xié)同作用，可最大限度地提升材料的性能?？刂平缑娣磻?yīng)也是PAMCs關(guān)鍵發(fā)展方向之一。

PAMCs因其低密度及出色的韌性、延展性、耐磨性和熱穩(wěn)定性而在工程技術(shù)領(lǐng)域中占有重要地位。盡管對(duì)其研究已取得進(jìn)展，但仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵在于優(yōu)化復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)制備工藝使其效率高、成本低，以及提高基體材料與增強(qiáng)相之間的相容性和增強(qiáng)相的分散性。此外，通過(guò)優(yōu)化制備工藝、界面調(diào)控及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使PAMCs同時(shí)擁有高強(qiáng)度和塑性是其未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵。

利益沖突聲明（Conflict of Interests）

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)（Author's Contributions）

唐彬彬和馮思雨主導(dǎo)了論文結(jié)構(gòu)與主題設(shè)計(jì)，其中馮思雨負(fù)責(zé)資料搜集與文章撰寫(xiě)，唐彬彬和金培鵬參與論文的審閱與修改，段君元審閱了論文。所有作者均閱讀并同意提交稿件。

The topic and structure of the paper were conceived by FENG Siyu and TANG Binbin.FENG Siyu wasresponsible for reference collection and manuscript preparation.TANG Binbin and JIN Peipeng reviewed andrevised the paper.DUANJunyuan reviewed the paper.All authors have read the last version of paper andconsented to its submission.

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Preparation and interfacial behavior ofparticle-reinforced aluminum matrix composites

TANG Binbin1，F(xiàn)ENG Siyu1，DUAN Junyuan2，JIN PeiPeng1

1.School of Mechanical Engineering，Qinghai Provincial Key Laboratory of New Light Alloys，QinghaiUniversity，Xining 810016，China;

2.School of Materials Science and Engineering，Hubei Key Laboratory of Plasma Chemistry and Advanced Materials，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430025，China

Abstract

Significance Particle-reinforced aluminum matrix composites（PAMCs）have the advantages of low density and high specificstrength.In the field of engineering and technology，PAMCs have attracted significant attention due to their superior mechanicalproperties and dimensional stability.However，challenges with particle dispersion and interfacial bonding limit further improve-ment in their properties.To solve these problems in the process of PAMC preparation and bonding，it is necessary to seek moresuitable composite preparation processes and interfacial bonding methods.Therefore，this paper focuses on the preparation meth-ods and interfacial bonding of PAMCs.

Progress At present，the research on PAMCs mainly includes preparation technologies and interfacial bonding.Differentprepa-ration methods exhibit different characteristics and applicability，but no single preparation method has been widely recognizedamongresearchers.The preparation methods and processes of PAMCs are still being explored.The selection of suitable prepara-tion methods and processes must consider the characteristics，requirements，and actual conditions of the matrix and reinforce-mentmaterials.Interfacial bonding is an important theoretical basis for developing new materials，devices，andtechnologies.Studies have shown that the strengthening mechanism of PAMCs largely depends on the interfacial bonding strength between thematrix and the reinforcement.ForPAMCs，there are stll many problems related to interface structure that need to be solved.The paper offered an overview of the main methods used to fabricate PAMCs，including powder metllurgy，stircasting，in-situsynthesis，spraydeposition，extrusioncasting，directoxidation，high-temperature hydrothermal synthesis.It also highlightedthe distinctive features and potential applications of these methods.Interfaces of PAMCs were introduced from the aspects ofbindingmodes，bindingstrength，and interface characterization.It further explored the vital role of interfacial bonding strengthin composite performance and explained the three primary interfacial mechanisms：mechanical，physical，and chemical bond-ing.Additionally，recent research progress in PAMCs was summarized，with a focus on mechanical strength，corrosionresis-tance，and dimensional stability.

Conclusions and Prospects The preparation methods of composite materials have a significant impact on the distribution of rein-forcements in the matrix，interfacialbonding，and material performance.The choice of preparation methods should comprehen-sively consider the required material properties，productioncosts，and technological feasibility.Interfacial bonding is crucial tothe overall performance of PAMCs，and good interfacial bonding can improve the strength and toughness of the material.Overthe past few decades，significant progress has been made in composite material preparation technologies，mainly including pow-der metallurgy，stircasting，spraydeposition，and in-situ synthesis.Amongthese，spray deposition technology produces com-posites with unique advantages，such as uniform particle distribution and fine grains，and shows great potential for future appli-cations and development.However，to prepare PAMCs with good comprehensive properties and stability，improving the prepara-tion process to achieve high efficiency，lowcost，stability，andreliability，as well as enhancing the compatibility between thematrix material and the reinforcement phase and the dispersion of the phase，remains key to solving the preparation challenges.Some breakthroughs have also been made in the study of interfacial bonding.The degree of interfacial reaction hinders the fur-ther development of the comprehensive mechanical properties of PAMCs.Controlling the interfacial reaction is one of the maindirections for future research.Furthermore，the significant mismatch between the plasticity and strength of PAMCs poses amajor challenge to their development.Further progress in PAMCs lies in the meticulous regulation of interfaces and optimizationofpreparation techniques to fabricate materials with both high strength and satisfactory plasticity.

Keywords：aluminum matrix composites;preparationprocess;particle-reinforced;interfacial behavior

（責(zé)任編輯：吳敬濤）