增強(qiáng)體納米化對鋁基復(fù)合材料的重要意義

鋁基復(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，己成為軍事國防、航天航空以及其它高新技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的輕量化結(jié)構(gòu)材料和功能材料。然而，由于鋁基體與增強(qiáng)體的性質(zhì)差異，導(dǎo)致了鋁基復(fù)合材料塑韌性差、制備過程難以控制、二次加工成型困難等一系列問題。

研究表明，增強(qiáng)體納米化對于改善鋁基復(fù)合材料的綜合性能具有重要作用。與傳統(tǒng)的增強(qiáng)體相比，納米增強(qiáng)體與基體中的位錯、晶界、析出相等微結(jié)構(gòu)的尺寸接近，能通過相互作用產(chǎn)生很多在傳統(tǒng)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)體既能夠作為位錯源產(chǎn)生位錯，又能阻礙位錯運(yùn)動，起到強(qiáng)化作用，其高的比表面積為材料提供了高的位錯容量，能同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和韌性。其次，在相同體積分?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，在較高的溫度下還能起到釘扎晶界、阻礙晶界遷移的作用，有利于復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能和蠕變性能。

在增強(qiáng)體納米化的研究工作中，目前發(fā)展前景最為看好的增強(qiáng)體是碳納米管，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。研究證明，僅僅2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的結(jié)構(gòu)完好、界面結(jié)合良好、均勻分散的碳納米管，就可以提高鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度超過200MPa，提高模量約20GPa，還能保持材料較高的斷裂應(yīng)變。這是由于碳納米管不僅力學(xué)性能優(yōu)異，還具有很高的長徑比，有利于載荷的傳遞；同時(shí)，碳納米管的存在能夠約束晶粒尺寸，起到細(xì)晶強(qiáng)化的效果。

由于碳納米管增強(qiáng)體在鋁基復(fù)合材料中的界面體積分?jǐn)?shù)非常高，具有很高的總表面能，易于團(tuán)聚，因此，如何實(shí)現(xiàn)碳納米管在基體中的充分分散，避免團(tuán)聚所造成的缺陷；如何對界面進(jìn)行嚴(yán)格的控制；如何盡可能地保持碳納米管幾何形態(tài)和結(jié)構(gòu)的完整性，以獲得最好的增強(qiáng)效果，給該材料的制備技術(shù)提出了高難度的研究課題。從目前的研究成果看，為了防止碳納米管和鋁熔體發(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較低的溫度下控制界面反應(yīng)的固相方法；同時(shí)，必須引入合適的分散工藝，或者通過在鋁基體中均勻地原位合成，來保證碳納米管在鋁基體中的分散性。目前，能夠獲得高性能碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法主要包括高能球磨、溶液輔助分散法、片狀粉末冶金等外加碳納米管方法，和化學(xué)氣相沉積、聚合物熱解等原位合成碳納米管方法。

除了碳納米管之外，納米尺度下的傳統(tǒng)增強(qiáng)體，如納米Al2O3、納米SiC等也受到廣泛關(guān)注。通過原位反應(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)。