铝碳化硅的应用与发展
在金属基复合材料中 ， 铝基复合材料无疑是被研究及应用得最多的复合材料 。 自20世纪50年代开始 ， 各国家针对铝基复合材料的研究从未间断过 ， 无论是理论还是技术都取得了相当大的进展 。 其中鑫腾辉数控这些年也在一直研发铝碳化硅复合材料的CNC加工机床 。 铝碳化硅雕铣机是一款专门针对陶瓷复合材料开发的专用CNC ， 目前已成为加工铝碳化硅的理想机床 。
铝基复合材料的增强材料主要有纤维、晶须和颗粒 ， 其中以颗粒增强铝基复合材料是最为成熟的 。 由于具有高比强度、高比刚度、高比模量、低密度及良好的高温性能、耐疲劳耐磨等优良的力学性能和使用性能 ， 颗粒增强铝基复合材料在航空航天、先进武器系统、汽车、电子封装等领域都有着广阔的应用前景 。 比如说EC-135直升机 ， 它的旋翼系统就采用了颗粒增强铝基材料 ， 大幅提高了构件刚度和寿命 。
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对于增强体的选择 ， 首先要考虑的是所需铝基复合材料的性能和用途 ， 同时也要综合考虑增强体和基体材料之间各方面的因素 ， 如结合状态、界面反应和润湿性等 。 一般情况下 ， 增强体材料的选择需具备基体材料不具备的特殊性能 ， 如高强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨性、低密度和良好的化学稳定性 ， 或者选择具有探索研究价值的增强体 。
最早的时候 ， 针对铝基复合材料的研究更多集中在连续纤维增强上 ， 目的是为了解决航空航天等关键技术领域所使用结构材料的性能问题 ， 以聚合物类纤维材料为主 。 但该类纤维材料成本高 ， 不耐高温 ， 高温工作时会发生蠕变现象导致复合材料性能不够稳定 ， 因此其发展和应用受到一定限制 ， 侧面促进了颗粒增强铝基复合材料的发展 。
总的来说 ， 颗粒增强铝基复合材料的制备成本相对较低 ， 工艺简单 ， 制得的铝基复合材料具有各向同性、微观结构无差别和易于二次加工 ， 因此颗粒增强铝基复合材料的研究成为研究工作者的首选 。 目前 ， 采用较多的颗粒增强陶瓷颗粒有ZrO2、Al2O3、Cr7C3、TiO2、SiC、TiC、Si3N4、WC等；硬质金属颗粒如Mo、Cr、W等；非金属颗粒C、轻石等 ， 其中以Al2O3和SiC为增强颗粒的复合材料中发展较快、较成熟 。 选择增强体的标准包括增强体材料的抗拉强度、熔点、密度、弹性模量、热稳定性、热膨胀系数、形状、尺寸及其与其他合金基体的相容性 。 因此 ， 复合材料的工艺特点、使用性能和生产成本等因素是选择基体与增强颗粒的主要考虑方向 。
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一般随着载荷的增加 ， 基体材料的磨损量迅速增大 ， 但与氧化铝颗粒复合后 ， 其磨损量增加会缓慢许多 ， 这是由于氧化铝颗粒具有很好的耐磨性 ， 其弥散分布于铝基体中 ， 能明显地提高铝材料的耐磨性 。 付高峰等向铸铝ADC12熔体中添加硫酸铝铵,由反应分解的Al2O3原位生成了颗粒增强铝基复合材料 。 与基材相比 ， Al2O3颗粒增强铝基复合材料的耐磨性较基材的提高了1~2倍 ， 硬度提高了15% 。
经过复合后 ， 除抗磨性卓越外 ， 氧化铝颗粒增强铝基复合材料（Al-MMCs）还具有质量轻、比强度与比刚度高、耐高温性能好 ， 以及可用常规工艺和设备进行成型与处理等很多优良性能 。 目前除可用于航空航天工业和军事工业外 ， 还可用于制造汽车的汽缸体、活塞、刹车摩擦件上 。 如日本丰田公司首次成功地用Al2O3/Al复合材料制备发动机的活塞 ， 重量减轻了5%~10% ， 导热性提高4倍左右 。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究已有40余年的历史 ， 其密度仅为钢的1/3 ， 但其强度比纯铝和中碳钢都高 ， 且还具有较高的耐磨性 ， 可以在300℃~350℃的高温下稳定工作 。 研究表明 ， 随着SiC增强颗粒的加入及其体积含量的增加 ， 复合材料的屈服强度、抗拉强度、弹性模量均有明显的提高 ， 延伸率则有所下降 。 通过调节基体合金的成分和增强颗粒的体积分数还可以获得需要的物理性能 ， 这些物理性能有望在光学仪器和精密仪表等领域获得应用 。
目前 ， 碳化硅颗粒增强铝基复合材料主要应用于汽车、航空航天和军事等高科技领域 ， 如发动机活塞、连杆和刹车片等 。 国外比较有名的生产金属基复合材料的公司有：美国的DWA复合材料公司、ACMC（先进复合材料公司）和Dural铝基复合材料公司等 ， 普惠公司从PW4084发动机开始 ， 就采用了DWA公司生产的挤压态碳化硅颗粒增强变形铝合金基复合材料来制作风扇出口导流叶片 ， 最后被用于采用PW4000系列发动机的波音777客机上 。
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【铝碳化硅的应用与发展】颗粒增强铝基复合材料经过几十年的研究发展后 ， 正逐步迈向商业化和民用化 ， 制约其发展的关键因素正逐步被解决 ， 而且有几种颗粒的研究已趋向成熟 ， 稳步发展 ， 应用也非常广泛 。 不过与机遇一同到来的还有挑战 ， 随着铝基复合材料的进一步发展 ， 对其配套的相关材料也会提出更高的要求 ， 或许在将来还会有更多性能优越的增强材料出现在世人面前 。
在航空航天领域中 ， 有很多的配件需要采用铝碳化硅来做 ， 其加工加工精度要求较高 ， 加工难度大 。 很多企业为了节约成本 ， 选择了传统CNC机床来加工 ， 结果导致机床磨损快 ， 加工精度无法保障等问题 。 鑫腾辉开发的铝碳化硅雕铣机就是专用于铝碳化硅加工的机床 ， 该机具有良好的防尘功能以及优秀的加工能力 。 目前该机以被包括中国航天在内的多家企业采购 。
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