與傳統(tǒng)材料相比，顆粒增強金屬基復合材料不僅兼有金屬的高韌性、高塑性優(yōu)點和增強顆粒的高硬度、高模量優(yōu)點，而且材料各向同性，可采用傳統(tǒng)的金屬加工工藝進行加工。碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的密度僅為鋼的1/3，但其強度比純鋁和中碳鋼都高，且還具有較高的耐磨性，可以在300℃～350℃的高溫下穩(wěn)定工作。碳化硅顆粒增強鋁基復合材料由碳化硅粉體和顆粒狀的鋁復合而成，增強顆粒在基體中的分布狀態(tài)直接影響到鋁基復合材料的綜合性能。能否使增強顆粒均勻分散在熔液中是能否成功制備鋁基復合材料的關(guān)鍵,也是制備顆粒增強鋁基復合材料的難點所在。碳化硅顆粒分布的均勻與否與顆粒的大小、顆粒的密度、添加顆粒的體積分數(shù)、熔體的粘度、攪拌的方式和攪拌的速度等因素有關(guān)。

一、碳化硅增強鋁基復合材料制備

1. 壓力鑄造法。

壓力鑄造法制備碳化硅顆粒鋁基復合材料的過程，主要包括碳化硅顆粒預制塊的制備和液態(tài)鋁合金在一定壓力下滲入預制塊中兩部分。碳化硅顆粒在復合材料中分布的均勻性由預制塊中顆粒分布的均勻程度決定, 并取決于預制塊的制備工藝。復合材料的孔隙率和SiCp / Al 界面結(jié)合狀態(tài)則與壓鑄工藝參數(shù)密切相關(guān)。

2. 噴射共沉淀法。

噴射共沉積法具有碳化硅顆粒分布均勻、沒有嚴重的界面反應(yīng)、基體組織有快速凝固特征、呈細小等軸晶形態(tài)等優(yōu)點, 且產(chǎn)率高, 易于制備大件。因而, 該方法與鑄造法和粉末冶金法相比有更大的性能價格比, 受到材料工程專家的極大關(guān)注。

3. 液態(tài)法。 

液態(tài)法主要指鑄造法, 該法成本較低, 便于一次形成復雜工件, 所需設(shè)備相對簡單, 能適應(yīng)批量生產(chǎn), 是近年來研究較多、發(fā)展較快的復合材料制備方法。常用的鑄造法有浸滲法( 包括壓力浸滲法和自浸滲法) 、離心鑄造法、機械攪拌鑄造法和擠壓鑄造法。其中, 以攪拌鑄造法制備碳化硅增強鋁基復合材料最有希望實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

4.半固態(tài)攪熔復合法。

半固態(tài)攪熔復合法是在鋁合金處于半固態(tài)的, 通過攪拌使碳化硅顆粒和鋁合金液相互碰撞, 并進入到金屬熔體中, 起到增強的作用。半固態(tài)攪熔復合制備中能有效改善顆粒與基體的界面結(jié)合和顆粒分布均勻性。與全液態(tài)鑄造法和半固態(tài)鑄造法相比, 采用半固態(tài)攪熔鑄造制備的SiCp / Al 基復合材料, 其增強相SiC 顆粒分布均勻, 氣孔率較少；這表明半固態(tài)攪熔復合法是一種較理想的金屬基復合材料制備工藝。

二、碳化硅增強鋁基復合材料的機械加工性能。

碳化硅增強鋁基復合材料中的SIC顆粒硬度約為Hv2700 。并且sic顆粒的含量越高, 材料就會更硬而且變脆, 機加工的難度則會增大。用一般傳統(tǒng)的機械加工方法很容易使鋁合金基體局部熔化, 生成積屑瘤, 并使刀具磨損變鈍,造成粗糙度下降, 相應(yīng)的形位公差也就很難保證。因此，粗加工需選用耐磨性優(yōu)良、耐熱性比較好硬度和韌性比較好的超細顆粒硬質(zhì)合金刀具( 牌號為YM053) 。精加工則需選用天然單晶金鋼石刀具和人造多晶金鋼石刀具。由于人造多晶金鋼石刀具性價比高，使用這類刀具加工碳化硅鋁基復合材料，技術(shù)指標和經(jīng)濟指標都是比較理想的。

三、碳化硅增強鋁基復合材料的特點及應(yīng)用

1、碳化硅顆粒增強鋁基復合材料具特點

A、可以利用傳統(tǒng)的金屬材料加工技術(shù)和設(shè)備來制造和進行二次加工，因而可以降低成本；

B、復合材料各向同性，因此可以套用傳統(tǒng)金屬材料的設(shè)計理論進行結(jié)構(gòu)設(shè)計；

C、復合材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性，可以在溫度變化劇烈的環(huán)境中使用，這個特性對于航天航空技術(shù)、核能技術(shù)等高科技領(lǐng)域尤為重要；

D、所制備的復合材料可以進一步實現(xiàn)熱處理強化；

E、復合材料具有較高的強度、模量、硬度、優(yōu)良的耐磨性和耐腐蝕性、優(yōu)秀的高溫性能。目前，碳化硅顆粒增強鋁基復合材料主要應(yīng)用于汽車、航空航天和軍事等高科技領(lǐng)域。

2、碳化硅增強鋁基復合材料應(yīng)用實例

A、電子級高體分(60%～70%)碳化硅顆粒鋁基復合材料,作為新型輕質(zhì)電子封裝及熱控元件在先進航空航天器上獲得了正式應(yīng)用。例如,在F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機的遙控自動駕駛儀、電子計數(shù)測量陣列等關(guān)鍵電子系統(tǒng)上,碳化硅增強鋁基復合材料替代包銅的鉬及包銅的殷鋼作為印刷電路板板芯,取得了減重70%的顯著效果。由于此種材料的導熱率可高達180W(m?K),從而降低了電子模塊的工作溫度,減少了冷卻的需要。除印刷電路板板芯外,這種材料還被用于F-22戰(zhàn)斗機的電子元器件基座及外殼等熱控結(jié)構(gòu)。

B、在我國自行研制的諸多型號機載、彈載慣性導航系統(tǒng)中, 不同程度地存在著現(xiàn)用的鑄造鋁合金結(jié)構(gòu)件比剛度不足、熱膨脹系數(shù)與軸承材料嚴重不匹配以及固有頻率偏高、阻尼性能不理想等問題。改用低體分(～20% ) 的碳化硅顆粒增強鑄造基復合材料,材料的剛度提高40%～50% ，上述大部分材料性能導致的隱患迎刃而解。

C、碳化硅顆粒增強鋁基復合材料在大型客機上也已經(jīng)獲得正式應(yīng)用。普惠公司從PW4084發(fā)動機開始,將以擠壓態(tài)碳化硅顆粒增強變形鋁合金基復合材料作為風扇出口導流葉片,用于所有采用PW4000系發(fā)動機的波音777上。使用風扇出口導流葉片或壓氣機靜子葉片鋁基復合材料耐沖擊(冰雹、鳥撞等外物打傷)能力比樹脂基(石墨纖維\環(huán)氧)復合材料好,且任何損傷易于發(fā)現(xiàn)。此外,還具有七倍于樹脂基復合材料的抗沖蝕(沙子、雨水等)能力,并使成本下降三分之一以上。

小結(jié)：碳化硅其實是一種非常傳統(tǒng)的超硬材料。前幾年隨著太陽能發(fā)電硅晶片產(chǎn)業(yè)的大熱，碳化硅微粉的形象瞬間隨著太陽能發(fā)電項目的爆發(fā)式增長而變得高大上起來。其實太陽能行業(yè)使用的碳化硅微粉主要是用于脆性的硅晶片切割，并未超脫出磨料、超硬材料的傳統(tǒng)應(yīng)用范疇。碳化硅粉體在復合陶瓷、金屬基復合材料中的應(yīng)用才是真正超越了傳統(tǒng)磨料應(yīng)用的高科技新材料應(yīng)用。隨著制備工藝的改進和生產(chǎn)成本的降低，碳化硅顆粒增強鋁基復合材料必將因其耐高溫、抗磨損及優(yōu)良的力學性能和成分可設(shè)計性而得到廣泛的應(yīng)用。隨著應(yīng)用的普及和制備成本的降低，顆粒增強金屬基復合材料必將從軍用轉(zhuǎn)向民用，從高技術(shù)構(gòu)件轉(zhuǎn)向普通構(gòu)件，從單功能材料轉(zhuǎn)向多功能材料，市場前景非常廣闊。

(粉體圈 作者：沐恩)