鋁基復合材料具備高比強度、高模量、高導電性、膨脹系數小、耐磨性好、表面穩定性好和耐高溫等優異性能。為滿足這種對材料性能的要求,新型金屬基復合材料的研究、開發和應用就顯得日益重要。
金屬基復合材料(MMCs)是由連續的金屬或合金基體和增強體所構成。增強體一般都是具有高強度,高模量的非金屬材料,如碳纖維,硼纖維或陶瓷材料等。不同金屬及合金基體與不同增強體的優化組合,可使金屬基復合材料具有各種特殊和優異的綜合性能。
目前用作金屬基復合材料基體的種類有鋁基、鎂基、鈦基、鋼基、銅基等多種,增強體主要有連續纖維、短纖維和晶須、顆粒。而其中鋁基復合材料除了具備高強度、高模量等特點外,還具有密度低、重量輕、制造工藝設備相對簡單、可大規模批量生產等優點。鋁基復合材料作為一種區別于傳統金屬材料的新型材料,對于整個社會的進步都有著十分重要的作用。
在航空航天和軍事領域有很多鋁基復合材料應用的例子,比如Cercast公司采用熔模鑄造工藝成功研制出了A357+20%SiC復合材料,用該材料代替鈦合金制造直徑達780mm,重17.3公斤的飛機攝像鏡方向架,使其重量降低,導熱性能提升。而纖維增強復合材料在美國也已成功應用于制造航天飛機機身框架、哈勃望遠鏡的長方形天線支架、發動機活塞等。
碳纖維因為成本相對低廉,應用最為廣泛。硼纖維雖然制造成本相對較高,但其具有高彈性模量400Gpa、室溫下斷裂強度是2744~3430MP,與金屬基體潤濕性好,反應性較低的優點,因此在美國幾乎全部應用于軍用飛機和航天領域,如制造航天飛機的主隔板、翼肋構架支柱和管子。
氮化硼納米管,其比強度是碳纖維3倍,彈性模量是硼纖維的3.25倍,室溫下斷裂強度是硼纖維的12倍,空氣中的耐高溫度高達900攝氏度,還具備優異的抗腐蝕性,用氮化硼納米管所制成的鋁基復合材料,具備更高彈性模量、更高強度,并能提升鋁合金的耐高溫性,且氮化硼納米管同樣具備與金屬基體潤濕性好,因其化學惰性較強與鋁基體反應性低的優點。
而與碳化硅顆粒增強鋁基復合材料在復合材料中占比為20%-35%相比,氮化硼納米管在鋁合金中的含量僅為0.4%,即可達到同等甚至更強的增強效果,碳化硅的密度為3.2g/cm3,氮化硼納米管的密度為2.1g/cm3,含量低,密度小更能提升鋁合金的減重效果。
大連義邦引入的氮化硼納米管鋁基母合金增強顆粒,已應用于國外鋁基復合材料領域,尤其是汽車、航空航天以及軍事等領域。
該鋁基母合金增強顆粒,采用氮化硼納米管與金屬鋁混合,形成的鋁基母合金增強顆粒復合材料,氮化硼納米管在該復合材料中的占比為5wt%,納米管直徑60nm,長度20um,成功從微米級的增強體升級到納米級增強體。
經國外ECK Industries軍工企業驗證,將氮化硼納米管鋁基復合材料顆粒,加入到一種先進鋁合金鑄件中,僅需0.4%的添加比例,即可實現鋁合金機械強度70%,或同樣的原始強度下,減重高達50%以上。目前該公司已將新技術,廣泛應用于飛機縱向推力桿、飛機汽缸蓋、防彈衣、戰車機槍支架、轉向節、電力汽車和混合動力汽車氣缸外殼等。
根據實際測試反饋,同強度下實現減重,防彈背心的重量可由3公斤減少到1公斤,但防彈標準是一樣的。
此增強產品適用于鑄鋁工藝,僅需在鑄鋁工序中的鋁熔液狀態下,添加其他金屬和非金屬元素時,將此顆粒于攪拌結束前的十分鐘加入鋁熔液即可,后面工序正常。
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