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小颗粒,大本领—陶瓷颗粒在金属基复合材料中的应用
2019年04月15日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:99
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金属基复合材料是以金属及其合金为基体,与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属,如陶瓷、碳、石墨及硼等,也可以用金属丝。颗粒增强金属基复合材料是金属基复合材料的一个分支,相比于纤维态的增强材料,颗粒增强体具有成本低、制备容易、易于二次加工、各向异性小等优点。陶瓷颗粒增强的金属基复合材料兼具了陶瓷材料的耐高温、高强度、高硬度和金属材料材料良好的韧性,可用于冲击和磨损,高温等苛刻环境中。

目前,金属基复合材料可供选择的陶瓷增强体颗粒颇多,如表1所示。

1 常见陶瓷增强体颗粒

在金属基复合材料的设计与制备中,基体和陶瓷增强体颗粒的选择都很重要。陶瓷颗粒增强体的选择应具备以下的条件:

1)具有高模量、高硬度、高强度等优异的性能;

2)具有化学稳定性;

3)能够与金属基体之间有良好的浸润性,界面结合良好;

4)在满足上述条件下,价格尽量低廉。

陶瓷颗粒+基体金属的组合并非随心所欲,其浸润性是制备复合材料需要考虑的前提。以铁基材料常见的颗粒增强体为例,研究人员对SiC,TiC,TiN,SiC+TiC,SiC+TiC,TiC+TiN六种颗粒增强铁基材料进行研究。1为颗粒体积分数为25%时,单一类型及混合类型颗粒增强铁基复合材料的显微组织形貌。图中c、e和f可明显看出SiC,SiC+TiN和SiN+TiC颗粒增强铁基复合材料中,部分颗粒与基体结合处有微裂纹产生,这是源于高体积分数下SiC颗粒与铁基体在烧结过程中产生了较为严重的界面反应,导致界面微空洞缺陷产生。而从a、b和d三图可发现,TiN,TiC和TiC+TiN颗粒增强的铁基材料,增强颗粒清晰可见,与铁基体的界面结合良好,界面缺陷相对较少,这说明对于铁基材料而言,这三种陶瓷颗粒组合可以与之较好结合。

1 颗粒体积分数为25%时,单一类型及混合类型颗粒增强铁基复合材料的显微形貌,其中(a)TiN;(b)TiC;(c)SiC;(d)TiC+TiN;(e)SiC+TiC;(f)SiC+TiN

(图片来源:不同类型颗粒混合增强铁基复合材料的磨损性能)

目前,国内外对于陶瓷颗粒和金属浸润性的研究一直在进行,但是其机理非常复杂。除此之外,陶瓷颗粒的粒径对复合材料功能性、可加工性、性能稳定等诸多方面影响很大。一般,我们总是希望能够获得足够小粒径的陶瓷颗粒,这样可以在不牺牲金属材料塑性韧性的前提下,获得增强后的复合材料。下面以陶瓷粒径对复合材料的摩擦性能影响为例简单说明。

2 不同粒径ATZ(纳米氧化铝增强的氧化锆)对A356铝体积磨损量及摩擦系数的影响(图片来源:不同粒径ATZ颗粒对ATZ/A356复合材料摩擦磨损性能的影响)

2是广东省工业技术研究院研究人员对颗粒增强铝合金摩擦机理的研究成果。结果表明,随着陶瓷粒径的减小,复合材料磨损时的体积损失量先增大后减小,但是在2-50um时有对材料耐磨性提升非常显著,并且低粒径时材料的摩擦系数明显降低。因此,高耐磨性+低摩擦系数的ATZ/A356材料非常适合作为活塞-缸套等耐磨系统。

除了陶瓷颗粒尺寸问题以外,另一个问题就是陶瓷和金属基体的混合及其制备工艺上。国际上传统方法是把制成颗粒之后的陶瓷,用搅拌铸造或粉末冶金方法混入金属基体中。物理方法从外往内朝金属基体里掺陶瓷的方法虽然提高了材料的强度和刚度,但塑性韧性会有一个明显的下降。

陶瓷颗粒和金属基体的有效结合一直是国际性难题。面对发达国家的技术封锁,上海交通大学的团队研究出一个非常巧妙的方法,其制备出的陶瓷颗粒能直接达到纳米级别,因而可以深度融入金属基体材料中。目前制备的陶瓷颗粒增强铝合金已经成功应用于天宫一号、天宫二号、风云四号上。

3 天宫二号是我国第一个真正的空间实验室

据了解,上海交通大学王浩伟团队避开了国际上传统的粉末冶金等方法,而是采用了利用化学反应,往金属基体中加入反应原料,使金属基体中“生长”出陶瓷,这种方法被称为“原位自生”法。通过原位自生法,可将陶瓷颗粒尺寸由外加的几十微米立马降到纳米级,突破了外加陶瓷铝基复合材料塑性低、加工难等应用瓶颈。

4 上海交大王浩伟教授展示纳米陶瓷铝合金材料模件

小小陶瓷颗粒,在科学家的巧夺天工下竟有如此大的用途。目前,陶瓷颗粒的用途仍在不断被挖掘。例如在气象卫星光学系统的框架结构上,这种框架结构除了需要质量轻(因为要上天)外,还需要不容易发生弹性变形。陶瓷材料弹塑性变形极小的特点(弹塑性变形小,韧性就不好,易于脆裂)反而成为其巨大优势,因为在离开地球几百公里的轨道上,其光学系统要探测地球上的目标,用于固定“镜头”的框架结构哪怕发生了极微小的变形,都可能“失之毫厘,谬之千里”了。国内,风云四号卫星已经采用了纳米陶瓷增强的铝合金框架结构,其图象定位精度能够达到1像元。

小颗粒,大本领。未来,陶瓷颗粒增强的复合材料还将有巨大前景,至于其还能在哪些领域大展宏图,这非常值得期待。

参考文献

不同类型颗粒混合增强铁基复合材料的磨损性能;东北大学,曹新建,金剑锋,曹敬祎,宗亚平。

不同粒径ATZ颗粒对ATZ/A356复合材料摩擦磨损性能的影响;广东省工业技术研究院材料加工研究所,王娟,郑开宏,谭俊。

SiCp/2024Al复合材料的精密车削工艺与刀具磨损研究;哈尔滨工业大学,刘汉中。

By:火宣


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