面向未来应用的金属基复合材料

规模化应用促使金属基复合材料研发向更高强度、良好塑韧性和工艺性的方向迈进。围绕该目标,近年来的研究重点主要以多尺度强化、纳米碳材料增强以及非均质构型设计等为特点。介绍了金属基复合材料相关的研究进展,指出超细晶、超细颗粒协同强化可以获得高强度与良好塑韧性,进一步通过双尺度增强相强化可以兼顾模量等综合性能;纳米碳材料综合性能极高,对金属的强化具有高效与多样化特性;非均质构型在充分发挥纳米碳和陶瓷相的增强作用、挖掘复合材料性能极限方面体现了极高的可行性。同时也指出了这些研究面临的挑战,以及未来开展构型仿真、纳米碳-金属界面模拟研究以及发展必须的宏量制备技术的必要性。可以预见,金属基复合材料的研发已经进入新阶段,并已成为高性能材料发展的一个重要方向。     

ECAP变形制备超细晶金属材料变形行为的研究进展

综述了等径弯曲通道变形制备超细晶金属材料变形行为的研究进展,重点介绍了等径弯曲通道变形制备的超细晶金属材料变形行为的研究方法及其不同于常规材料的力学行为、应变速率敏感性和超塑性,分析了超细晶金属材料的主要变形机理,进一步指出了变形行为及变形机理微观层次研究中存在的问题及发展趋势。     

大塑性变形制备铝、镁基颗粒增强复合材料的研究进展

综述了目前大塑性变形(SPD)制备铝、镁基颗粒增强复合材料工艺的研究进展;总结了在SPD过程中复合材料增强颗粒的细化、再分布及基体合金晶粒的超细化等组织演变特点;分析了经SPD加工后铝、镁基颗粒增强复合材料的强韧化机制以及其力学性能的提升空间。最后指出了SPD制备颗粒增强复合材料尚存在的问题及可能的发展方向。     

超细硫酸钡在聚合物基复合材料中的应用进展

超细硫酸钡(BaSO_4)具有优异的物理和力学性能,在复合材料中应用广泛。主要综述了近十年来有关超细BaSO_4在聚合物基复合材料中的研究进展,着重叙述了超细BaSO_4的表面改性方法,及其对聚合物基复合材料的强度、韧性、热稳定性及流变行为等性能的影响规律,并分析了相关作用机理。     

金属基混杂复合材料的研究进展

本文综述了金属基混杂复合材料的研究进展。着重介绍了各种金属基混杂复合材料的发展背景、组成、工艺方法和性能特点,并对其发展前景作了分析,认为纤维与颗粒混杂增强的金属基复合材料和树脂基复合材料与铝合金的超混杂复合材料是最具活力的品种。     

连续SiC纤维增强金属基复合材料研究进展

SiC纤维增强金属基复合材料具有高的比强度、比刚度、耐腐蚀、耐高温等优异的综合性能,在实际应用中具有广阔的前景。本文主要总结了SiC纤维增强金属基复合材料的研究进展,分别阐述了SiC纤维增强铝基、钛基、铜基、镍基复合材料存在的问题、解决办法及应用现状。最后指出了限制复合材料实际应用的几点因素,包括:成本问题、界面问题、各向异性以及缺少质量检测评估体系。     

粉末冶金法制备铝基复合材料的研究

论述了铝基复合材料研究和发展的概况,简要介绍了非连续增强铝基复合材料常用的几种制备方法,包括挤压铸造法、原位反应法、搅拌铸造法和粉末冶金法等,并重点针对粉末冶金法做了系统的阐述,包括这种方法的优势、具体的制备工艺、材料性能的影响因素及研究进展等。最后,展望了粉末冶金法进一步用于制备非连续增强铝基复合材料的前景。     

非连续物增强轻金属复合材料研究现状及展望

综述了非连续物增强轻金属复合材料的研究进展,着重介绍了各种非连续物增强铝、镁、钛基复合材料的发展背景、组成、工艺方法和性能特点,并对其发展前景进行了分析。     

SiC_P/Al基复合材料在等径角挤扭变形中的界面原子扩散行为

为了研究金属基复合材料在剧烈塑性变形(SPD)过程中增强颗粒与金属基体的界面连接机制,通过等径角挤扭(ECAP-T)工艺在较低温度下制备块状10wt%SiCP/Al基复合材料,并对经过1、2和4道次ECAP-T变形的SiC颗粒与纯Al之间的界面反应以及元素扩散进行了研究。通过TEM和XPS研究了界面和元素扩散,结果表明:即使在较低的外界制备温度下,Al和SiC颗粒表面的SiO2层也能够发生反应,形成主要由Al2O3组成的界面层。相比理论计算值,ECAP-T变形可以将Al的扩散系数提高约1016倍,增强扩散的原因主要是ECAP-T变形促使界面温度升高,且在铝基体内产生空位、位错和晶界等高密度晶格缺陷。     

金属基复合材料的发展及应用

本文主要论述了金属基复合材料 (MMCs)的类型、制备、发展、应用及其回收再生 ,目前 ,在MMCs发展和应用中 ,SiC和Al2 O3颗粒增强铝基复合材料仍占主要地位。本文着重介绍了颗粒增强铝基复合材料的性能及其成型加工特性。     

Load partitioning during creep of powder metallurgy metal matrix composites and Shear-Lag model predictions

It was shown in a previous work that the load transfer mechanism plays a relevant role during the high temperature deformation of discontinuously reinforced metal matrix composites, MMCs. This idea emerged from the comparison of the creep data of a powder metallurgy, PM, 6061Al–15vol%SiC_w composite and the corresponding un-reinforced 6061Al alloy. The idea was further supported by a qualitative analysis of the creep data of MMCs from a number of investigations reported in the literature, particularly of PM composites. In the present work a quantitative and more thorough study of the creep data of these PM composites is presented. Specifically, a well-known Shear-Lag model is used to compare the composites creep strength increment and the predicted load transferred to the reinforcement. These new results sustain more thoroughly the relevance of the load transfer mechanism during creep of MMCs.     

复合材料中启裂的微观力学分析与实验观察

建立了一个非连续体增强金属基复合材料微观单元的力学分析模型，并以此分析计算了复合材料中不同位置处的受力和断裂临界条件，对１５ｖ％ＳｉＣｐ／２０２４Ａ１，３．６ｖＣＦｓ／２０２４Ａｌ和４－５ｖ％ＣＦ－ｓ／６０６１Ａｌ的实验观察表明，该模型完全适全于金属基复合材料微区力分析，查判断裂纹萌生位置及临界条件。     

短纤维增强金属基复合材料基体中的应力分布及其变形特征

基体行为是影响随机分布短纤维增强金属基复合材料力学性能的一个重要因素。本文作者将在短纤维复合材料单纤维三维模型的基础上, 借助于弹塑性有限元分析方法, 研究在加载过程中, 不同纤维位向和界面结合状态下基体中的应力分布情况及基体的变形特征。研究表明, 该类复合材料中基体的应力分布情况和变形特征将受到纤维位向改变和界面结合强弱的显著影响。      

Effect of Particulate Silicon Carbide on Cyclic Plastic Strain Response and Fracture Behavior of 6061 Aluminum Alloy Metal Matrix Composites

In this paper, the cyclic stress response and cyclic stress–strain response characteristics, cyclic strain resistance and low-cycle fatigue life, and mechanisms governing the deformation and fracture behavior of aluminum alloy 6061 discontinuously reinforced with silicon carbide (SiC) particulates are presented and discussed. Two different volume fractions of the carbide particulate reinforcement phase in the aluminum alloy metal matrix are considered. The composite specimens were cyclically deformed using fully reversed tension–compression loading under total strain-amplitude-control. The stress response characteristic was observed to vary with strain amplitude. The plastic strain-fatigue life response was found to degrade with an increase in carbide particulate content in the metal matrix. The fracture behavior of the composite is discussed in light of the interactive influences of composite microstructural effects, cyclic strain amplitude and concomitant response stress, deformation characteristics of the composite constituents and cyclic ductility.     

Study on fracture strain of discontinuously reinforced metal matrix composites

The fracture strain of discontinuously reinforced metal matrix composites (DRMMCs) is studied according to a damage mechanics model proposed by McClintock, with a localized crack propagation hypothesis and particle-related crack initiation mechanism. An estimation equation is proposed. The estimated results are verified with the data available in the literature and those measured on some types of DRMMCs obtained by powder metallurgical techniques. The experimental results show good agreement with the estimation model.     

石墨烯增强铝基复合材料的制备及热变形研究

为了探究石墨烯增强铝基复合材料的制备工艺及其热变形行为,本文采用湿混球磨结合真空热压烧结法制备了0.5wt.％石墨烯增强铝基复合材料,并利用场发射扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪对其进行微观组织观察、成分和物相分析,用Gleeble 3800热模拟机对复合材料进行等温压缩试验,建立了材料的本构方程并分析其热变形机理...     

Commercial Viability of Al-Based MMCs in the Automotive Segment

Based on the cost-to-quality ratio evaluation related to automotive applications of discontinuously reinforced aluminum-based composites, R & D efforts, directed toward a further lowering of the cost of composite material, are considered. The results of the study indicate that a viable business concept for applications of discontinuously reinforced metal matrix composites (MMCs) in the automotive segment should be built up on the development of an end user-friendly and preferably one step production technology. This should be capable of producing near net-shaped automotive parts in MMC grade consisting of fine ceramic particles of average particle size around 1 μm or less and keeping the production cost at the current level.     

镁基复合材料高温变形研究进展

自20世纪80年代以来,不同类型(颗粒、晶须、纤维等)的增强镁基复合材料日益增多并得到了广泛的研究。镁基复合材料可设计性较强,且具备突出的力学性能与物理性能,包括低密度、高比刚度、较低的热膨胀系数、良好的阻尼性能、优异的抗震降噪能力及优良的电磁屏蔽性能等,在航空航天、军工制造、汽车电子、建筑用材及生物医用等各领域有着巨大的发展前景,被视作在先进技术领域颇具竞争力的一种轻质金属基复合材料。然而,镁及镁合金的晶体结构为密排六方型,室温下独立的滑移系相对较少,相应地,镁及镁合金具备较差的塑性加工能力。同时,作为硬质相的增强相,与基体镁合金之间的物理化学性能相差较大,存在一定的不兼容性。增强相的添入进一步恶化了镁基复合材料的塑性加工能力,这在很大程度上限制了镁基复合材料的使用。因而,开展关于镁基复合材料在高温变形等方面的研究工作十分重要。国内外关于镁基复合材料高温变形行为方面的科研工作大部分聚焦于不同的工艺参数对高温变形行为的影响、高温变形时发生的加工硬化及动态再结晶现象、建立相应的本构模型等方面。镁基复合材料常见的高温变形方式主要有五种,分别为超塑性变形、高温压缩、热循环变形、高温蠕变及高温二次变形。研究者们针对不同的高温变形方式开展了大量的研究工作,并取得了较为显著的研究成果。其中,高温压缩由于变形工艺相对简单而得到了更为广泛深入的研究。近年来,研究者们不仅探究了不同高温变形方式对镁基复合材料微观组织与性能的影响,还探究了应变量、温度、应变速率等变形条件对镁基复合材料高温变形行为的影响,更深入地探究了镁基复合材料在高温变形过程中的微观组织演变规律与相应的变形机制,结合数值分析构建了相应的本构模型,为镁基复合材料高温变形工艺的制定与优化提供了强有力的理论支持,有助于实现对镁基复合材料微观组织与性能的有效调控。本文综述了镁基复合材料高温变形的不同类型,阐释了镁基复合材料高温变形的本构方程及软化机理,并展望了今后镁基复合材料在高温变形方面的发展方向。     

冲击剪切载荷下SiCP/6151Al复合材料变形局部化及增强颗粒尺寸效应

利用特殊设计的"hat shape"试样,在分离式Hopkinson压杆和MTS通用材料试验机上实验研究了颗粒尺寸和应变率对颗粒增强金属基复合材料(SiC_P/6151Al)变形局部化行为的影响。结果表明:颗粒尺寸对复合材料的变形强化与变形局部化行为有显著影响。具体表现为:颗粒越小,复合材料流动应力越高,即强化效果越好;另一方面,对受载试样的微观检测发现,颗粒越小,复合材料剪切变形局部化越明显。同时发现,冲击载荷(高应变率)下复合材料更容易发生变形局部化。