粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的研究与进展陈梦

第一篇：粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的研究与进展陈梦

粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的研究与进展

罗洪峰 符新 李粤 廖宇兰

（海南大学 机电工程学院，海南 海口 570228）

摘要粉煤灰颗粒增强铝基复合材料因低廉的价格与优异的性能日益受到人们的关注。介绍了粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的常用制备方法如搅拌铸造、压力浸渗法以及粉末冶金法，指出了各种制备工艺的优缺点；阐述了粉煤灰颗粒增强铝基复合材料优良的性能，特别是其力学性能、耐磨性能、阻尼性能与电磁屏蔽性能；并展望了粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的发展趋势。

关键词粉煤灰 铝基复合材料 制备工艺 性能 中图分类号：TB333文献标识码：A

潜在应用前景。

0 前言

颗粒增强铝基复合材料具有较高的比强度、比刚度和高温力学性能，低的热膨胀系数，良好的耐磨性和导热性能，在航天、航空、汽车、电子、光学等工业领域具有相当广泛的应用前景[1]，是目前应用最广、开发前景最大的一种金属基复合材料。SiC与Al2O3颗粒是铝基复合材料中最常用的增强相颗粒，但其成本过高，导致铝基复合材料的价格比其基体铝合金要高出10多倍，限制了颗粒增强铝基复合材料的使用范围。因此，材料科学工作者一直致力寻求较为廉价的填充增强材料以降低铝基复合材料的成本。

粉煤灰是发电厂煤燃烧后排放的工业废料，我国粉煤灰排放量每年超过1亿吨，占地面积近2.6 万公顷，严重污染环境，成为一种社会公害[2]。粉煤灰的主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3 和CaO，是一种比较单一的固体陶瓷颗粒且部分呈空心显微球状[3]。与多角形的SiC增强颗粒相比，球形粒子能减小被强化铝基复合材料的应力集中，此外，粉煤灰中SiO2在一定条件下能与铝液反应原位生成Al2O3颗粒，获得分布均匀的硬质相，并且颗粒与

[4]

基体结合良好。因此，用电厂排放粉煤灰来强化铝合金，不仅找到了一种廉价、化学成分理想的铝基复合材料的陶瓷增强颗粒，而且能为粉煤灰的处理与利用寻求新的途径，缓解对环境的污染。近年来，粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的研究取得了一定的进展，作为一种新型的铝基复合材料，粉煤灰颗粒增强铝基复合材料在保持一定性能或提高特定性能的基础上不仅有着更低的密度，而且能够极大地降低成本，在汽车工业、航空航天、电子工业，机械配件、体育用品工业等领域有着巨大的粉煤灰颗粒增强铝基复合材料制备工艺

粉煤灰颗粒增强铝基复合材料又被称为飞灰铝合金，其制备方法已有很多，分类方式也不尽相同。按粉煤灰颗粒加入的方式来分，最常用的制备方法有搅拌铸造、压力浸渗法以及粉末冶金法。

[5]

1.1搅拌铸造法

搅拌铸造法不需要大设备、工序少，对颗粒种类及尺寸适应范围广、操作简单，是迄今为止制备铝基复合材料最普遍的方法之一。搅拌铸造法通常是在基体合金处于熔融状态时，将增强颗粒在机械搅拌作用下混入基体合金中制取颗粒增强金属基复合材料的一种方法。通过强烈搅动全液态合金，使之产生涡流，向涡流中加入颗粒，并使其分散，随后凝固获得所需复合材料[6]。

1994年美国密尔沃基大学Rohatgi等[7]首次利用搅拌铸造法成功制备了不同体积分数的粉煤灰颗粒增强A356铝基复合材料，结果表明，粉煤灰颗粒的加入导致复合材料的密度减小、模量增大、硬度增加、耐磨性提高。并在此基础上进一步制得了粉煤灰沉珠颗粒增强铝基复合材料与粉煤灰漂珠颗粒增强铝基复合材料[8]。国内学者张雄飞等[9]也开展了搅拌铸造法制备粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的研究工作，发现复合材料宏观均匀但微观上出现了粉煤灰颗粒团聚，并认为复合材料耐磨性提高的原因是粉煤灰与铝基反应生成了硬的氧化铝颗粒。吴林丽等[10]采用搅拌铸造法制备粉煤灰颗粒增强6061铝基复合材料发现同样存在着粉煤灰颗粒团聚，并有气孔产生，对复合材料的性能产生不利影响。为解决

上述问题，蒋爱蓉等人[11]对粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的搅拌铸造工艺参数进行了研究，发现对复合材料密度影响由大至小的工艺参数依次为：熔体温度、粉煤灰微珠加入量、搅拌时间和搅拌速度，并确定了最佳工艺参数，复合材料的性能有所改善。

1997年Guo等[19]首次采用粉末冶金法成功制备了粉煤灰颗粒增强铝基复合材料，研究发现压坯的压制过程中粉煤灰漂珠出现破裂，烧结时间的延长和烧结温度的升高有助于粉煤灰颗粒增强铝基复合材料性能的提升。为获得致密的复合材料，Saheb等为进一步改善粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的性能，研究人员对搅拌铸造法进行了改进。Rajan等[12]采用半固态搅拌后挤压铸造获得了分布均匀、团聚和气孔较少的粉煤灰颗粒增强铝基复合材料，粉煤灰颗粒与金属基体界面反应生成物数量要少于普通重力铸造。国内龙文元等人[13]的研究也得到了类似结果。

搅拌铸造法工艺简单，设备要求低，成本低，最有希望用于工业批量生产。受工艺自身特点所限，搅拌铸造法主要适合制备低体积分数（最高约为30%）的粉煤灰颗粒增强铝基复合材料。

1.2压力浸渗法

压力浸渗法是预先把增强体做成相应形状的预制件，随后浇注金属液，并加压使金属液渗入预制件间隙，凝固后得到金属基复合材料。这种方法可减轻对增强物与金属液结合有重要影响的润湿性、反应性、比重差等重要因素的干扰作用，在预制件质量好并且浸渗参数控制得当的情况下，可成功地制得满意的复合材料。

1998年Rohatgi等[14]首次尝试液体加压浸渗法制备粉煤灰空心微珠颗粒增强铝基复合材料，粉煤灰空心微珠体积分数可达40%，但与铝液润湿性较差，导致两者界面结合处出现大小不均的孔洞。进一步研究 [15-17]发现增大浸渗压力可减小孔洞比例，但压力过大容易导致粉煤灰空心微珠破裂，改用表面镀镍并气体加压浸渗后，增强相与铝基的润湿性得到改善，从而成功制备出粉煤灰空心微珠体积分数达60%以上的铝基复合材料。

压力浸渗法是制备致密高体积分数粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的良好方法，该工艺不但可克服粉煤灰颗粒与液态铝合金润湿性差的不足，同时由于浸渗时间短，凝固速度快而避免粉煤灰颗粒在制备复合材料的过程中与基体合金发生不良反应。压力浸渗法适合制备高体积分数(可达60%以上)的粉煤灰颗粒增强铝基复合材料。

1.3粉末冶金法

粉末冶金法是制备铝基复合材料最初采用的方法。该法先将增强颗粒和基体粉末均匀混合，经压制、烧结及后续处理等工序制成成品[18]。

[20]

将粉煤灰颗粒与铝粉球磨混合均匀后再单向冷等静压成形，随后进行烧结，所得复合材料密度明显增大。张雄飞等[21,22]对粉煤灰空心微珠颗粒增强铝基复合材料在粉末冶金方法制备过程中的化学反应规律进行了研究，发现粉煤灰中的部分成分与液态铝进行了反应，形成了单质Si、Fe、Ti 以及Al 和Si、Fe、Ti 的金属间化合物，导致粉煤灰颗粒的非晶态及反应特性的改变。王庆平等[23,24]

在粉末冶金法制备煤粉灰颗粒增强铝基复合材料的基础上研究了粉煤灰在铝合金基体内的分布状况，发现存在颗粒团聚，并有少量气孔产生。

粉末冶金法中增强体粒度和体积比可以大范围调整，理论上可以任意的配比，而且粉末冶金工艺较为成熟，烧结后可进一步挤、锻或热等静压处理以提高致密化及复合材料的性能。但该方法工艺过于复杂，粉末难以混合均匀而致使成分不均，压制过程中易产生气孔，烧结温度不易控制，材料最终微观组织和力学性能难以保证。此外，该方法制备周期长，成本较高，常常需要二次成形，不利于规模工业生产。粉煤灰颗粒增强铝基复合材料性能

粉煤灰作为增强颗粒，其价格远低于铝合金基体，所制得粉煤灰颗粒增强铝基复合材料具有轻量、节源、低成本、好的特定的力学性能特性，从而引起了材料研究者的广泛兴趣，应用前景十分广阔。

2.1抗拉性能

均匀分布在铝基体中的粉煤灰颗粒可以起到弥散强化的作用。李月英等人[25]的研究发现，粉煤灰颗粒增强 ZL109铝基复合材料的抗拉强度高于基体，并且随粉煤灰颗粒含量的逐渐增加，其抗拉强度略有提高，但提高的趋势有所减缓，粉煤灰颗粒的存在阻碍了基体中晶面的滑移，提高了基体抗剪切应变的能力。其他研究人员[26,27]在粉煤灰颗粒增强 Al-4.5% Cu铝基复合材料和粉煤灰颗粒增强Al-Si(12%)铝基复合材料的研究中也发现，抗拉强度随粉煤灰含量的增加而增加。

然而Liu等[28]在粉煤灰颗粒增强A380铝基复合材料中发现，随着粉煤灰颗粒体积分数的增加，粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的抗拉强度下降。Gikunoo等人

[29]

对粉煤灰颗粒增强A535铝基复合材料的研究亦发现，粉煤灰含量的增加对复合材料的拉伸性能产生不利影响，复合材料的抗拉强度随粉煤灰含量的增加而降低。造成此现象的原因在于粉煤灰颗粒和金属基体之间润湿性差，界面结合力小，出现界面脱粘，从而未能起到强化作用。

因此，分散均匀、润湿性好及表面粗糙的粉煤灰颗粒有助于获得抗拉强度更高的粉煤灰颗粒增强铝基复合材料，反之，则使复合材料的抗拉强度降低。

2.2抗压性能

粉煤灰也被用于制备泡沫铝基复合材料，粉煤灰的加入，不仅能够提高泡沫铝基复合材料的性能，而且能够降低生产成本。

Rohatgia等[30]采用气体加压浸渗技术制备了粉煤灰空心微珠体积分数为20%~65%的A356泡沫铝基复合材料，研究表明，复合材料的应力-应变曲线具有明显的应力平坦区，抗压强度随密度的增加而增大，具有良好的缓冲吸能特性。

Mondal等[31]

制备了闭孔粉煤灰颗粒增强泡沫铝基复合材料，研究结果表明，压缩过程的应力-应变曲线具有四个特征：初始线弹性阶段，屈服极限，应力平台区以及致密化变形阶段。其中致密化应力与相对密度和应变速率无关，而平台应力主要取决于相对密度。

王永等人[32-34]利用粉煤灰颗粒增粘制得泡形分布较均匀的泡沫铝。粉煤灰不但起到增黏作用，且部分粉煤灰与铝液反应生成氧化物颗粒，与粉煤灰中原有的莫来石及其它氧化物颗粒一起，构成泡沫铝的增强质点，起到颗粒增强作用。和传统的泡沫铝相比，粉煤灰颗粒增强的泡沫铝具有更高的抗压性能。

2.3耐磨性

粉煤灰颗粒增强铝基复合材料中粉煤灰的硬度和耐磨性远高于铝基体，在摩擦磨损中起到承受载荷，限制对磨材料与铝基体直接接触，从而使复合材料具有良好的耐磨性能。

吴林丽等人[10]对粉煤灰空心微珠体积分数为15%的颗粒增强铝基复合材料与基体6061铝合金的耐磨性进行比较，结果表明复合材料比6061合金的耐磨性要提高20倍以上。Ramachandra等[26]发现随着粉煤灰颗粒数量的增加，复合材料的耐滑动磨损性能与耐冲蚀磨损性能随之增加。Sudarshan等人

[35]

发现粉煤灰颗粒增强A356铝基复合材料的耐滑

动磨损性能与SiC和Al2O3颗粒增强铝基复合材料的十分接近，并发现粉煤灰颗粒尺寸以及体积分数对复合材料的摩擦系数有着显著影响，粉煤灰颗粒尺寸越小、体积分数越大，复合材料耐磨性越好。

多数研究[36-38]

认为粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的摩擦磨损机理如下：在摩擦磨损过程中，除了微剪切作用，复合材料的摩擦表面还形成一稳定的摩擦转移层，该转移层的存在可以起到降低摩擦因数的作用。载荷较高时该摩擦转移层因裂纹扩展而被破坏，使其减摩作用降低。镶嵌在基体中的粉煤灰颗粒在摩擦过程中承受载荷、限制对磨材料与铝基体直接接触。脱落的粉煤灰颗粒起到“滚珠”的作用，在摩擦表面形成“三体”摩擦，从而起到减摩的作用。

2.4阻尼性能

粉煤灰的阻尼性能很低，在室温下约为1×10-5，但粉煤灰颗粒增强铝基复合材料却具有优良的阻尼性能。Zuoyong Dou等人[39,40]的研究发现，孔隙度为40%的粉煤灰空心微珠颗粒增强6061铝基复合材料，相较于基体其阻尼性能获得了极为明显的提高，已属于高阻尼材料范畴。其中200目以上粉煤灰所制得6061铝基复合材料在弯曲-振动模式下的阻尼性能可达(2~3)×10-2，相当于基体材料的4倍，并随粉煤灰颗粒直径减小而增大。李月英等[41]对粉煤灰含量20%的粉煤灰颗粒增强6063铝基复合材料研究发现，其阻尼内耗值达1.11×10-2~0.175，亦远大于基体铝合金，并随粉煤灰含量增加及粉煤灰颗粒直径减小而增加。

粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的阻尼性能远高于粉煤灰颗粒与铝基体，其原因在于粉煤灰颗粒的加入使铝基体的微观结构发生改变并存在大量界面。在交变应力作用下，界面通过界面处不连贯的微观组织流动和界面滑动对内耗做贡献。粉煤灰含量的增加和颗粒直径的减小使复合材料内部界面面积增加，界面引起的内耗随之增加，从而导致粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的内耗值增加。其内耗机制主要有本征内耗、位错内耗和界面内耗[42]。

2.5电磁屏蔽性能

泡沫铝是近年来兴起的一种新型电磁屏蔽材

料，其屏蔽效能高，能满足精密仪器和设备的屏蔽需要，但是诸如孔洞的大小以及均匀性的问题限制了其在结构件上的应用。将粉煤灰空心微珠添加进入铝合金基体中，空心微珠的空腔所起作用和泡沫

铝中闭孔类似，因此不但可以制得和闭孔泡沫铝结构类似的粉煤灰空心微珠颗粒增强铝基复合材料，而且均匀分布在铝基体中的粉煤灰空心微珠还可以起到弥散强化的作用。

Zuoyong Dou等人[43]采用压力浸渗技术制得了体积分数为70%的粉煤灰空心微珠颗粒增强2024铝基复合材料，并对其电磁屏蔽性能进行研究，结果表明，在30.0 kHz~600.0 MHz频率范围内，粉煤灰颗粒的添加使得复合材料的电磁屏蔽性能提高，但随频率的增加，电磁屏蔽性能的增量呈下降趋势，而在600.0 MHz~1.0 GHz频率范围内，复合材料的电磁屏蔽性能和铝基体十分接近，粉煤灰颗粒的加入对复合材料的电磁屏蔽性能基本无影响。因此，在1.0~600.0 MHz 频率范围内，粉煤灰空心微珠颗粒增强2024铝基复合材料是一种密度小、性能优异、成本低廉的电磁屏蔽材料，其电磁屏蔽效果主要来源于电磁波在粉煤灰颗粒增强铝基界面间的多重反射导致的反射损耗以及粉煤灰中Fe2O3组分的吸收损耗。结束语

与传统的颗粒增强铝基复合材料相比，粉煤灰颗粒增强铝基复合材料最大的优势在于密度小、成本低。本文总结了国内外粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的3种制备方法，其中搅拌铸造法工艺简单而且成本低廉，最有希望用于工业化生产。目前，国内对粉煤灰颗粒增强铝基复合材料的研究主要还处于实验室研究阶段，国外已成功在实验室用粉煤灰颗粒增强铝基复合材料制备了发动机安装环、制动鼓、吸水歧管等配件并进行了大规模的试生产。如同其它陶瓷颗粒增强铝基复合材料，在工业化生产并应用于实际之前，粉煤灰颗粒增强铝基复合材料中的增强相颗粒团聚、增强相与铝基的润湿性以及界面反应等问题尚待解决，此外，复合材料的热处理工艺及再生与回收等问题的研究也值得关注。

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Luo HongfengFu XinLi YueLiao Yulan

(School of Mechanical & Electrical Engineering, Hainan University, Haikou, 570228, China)AbstractFly ash particle reinforced aluminum matrix composites receive more and more attention because of low price and excellent performance.In this paper, the most common preparation technologies such as stirring casting, pressure infiltration method and powder metallurgy are briefly reviewed, and

merits and demerits of each technology are indicated;Some excellent performances especially mechanical property, wear resistance, damping capacity and electromagnetic shielding effectiveness are introduced;And the future researchs of this aluminum matrix composite are suggested.Key wordsfly ash , aluminum matrix composites, preparation technology, property.

第二篇：scripta materialia中科院上海硅酸盐所李江课题组在新型铽铝石榴石基磁光陶瓷研究方面取得系列进展

scripta materialia中科院上海硅酸盐所李江课题组在新型铽铝石榴石基磁光陶瓷研究方面取得系列进展

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员带领的透明与光功能陶瓷研究课题组在新型铽铝石榴石基磁光陶瓷研究中取得重要进展。该团队采用共沉淀法合成了0.5at% Ho:TAG纳米粉体，再结合真空烧结及热等静压后处理（HIP）技术制备得到了具有优异光学质量和磁光性能的Ho:TAG透明陶瓷，该材料在1064 nm波长处的直线透过率达到81.9%，在632.8 nm处的Verdet常数为-183.1 rad·T-1·m-1，比商用TGG单晶高36%。相关研究成果发表于国际著名期刊Scripta Materialia上，论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生戴佳卫，通讯作者为李江研究员。（DOI：10.1016/j.scriptamat.2018.03.021）

该工作获得了审稿人的高度评价，审稿人认为“This is a novel paper on magneto-optical Verdet constant data on a transparent ceramic material that is quite hard to grow as a single crystal”。鉴于该工作的影响力，研究团队随后受Scripta Materialia期刊主编Subhash H.Risbud博士（美国加州大学戴维斯分校教授）邀请撰写了关于磁光陶瓷领域的观点类文章“Promising Magneto-optical Ceramics for High Power Faraday Isolators”，并以Viewpoint Paper的形式发表在Scripta Materialia上。（DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.06.031）?? ? 近期，该研究团队又通过顺磁性稀土离子掺杂对TAG陶瓷进行了性能调控，并取得了新的研究进展。他们以离子半径和Tb3+接近的Ce3+和Pr3+为改性离子，成功制备了高光学质量的Ce:TAG和Pr:TAG磁光陶瓷。研究发现，由于掺杂离子对晶体场的影响以及和Tb3+之间存在超交换作用，掺杂后TAG磁光陶瓷的Verdet常数均有所提升，其中2.0at% Ce:TAG透明陶瓷在632.8 nm处的Verdet常数达到-196.2 rad·T-1·m-1，比TAG陶瓷和商业TGG晶体分别提高了9%和46%。相关成果发表在Scripta Materialia上。（DOI：10.1016/j.scriptamat.2018.06.023）??

以上研究工作得到中国科学院前沿科学重点研究计划项目（院青年拔尖人才项目）、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、中国科学院上海硅酸盐研究所重点学科建设项目等资助。原文链接：https://www.xiexiebang.com/zixun/23354看更多新鲜资讯，搜ChemBeanGo！下载APP进入ChemBeanGo化学信息及科研用品交易平台