原位納米TiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

李源　張承聰　田潤東

摘要：隨著人們對輕質(zhì)高強材料得不斷探索，顆粒增強鋁基復(fù)合材料也得到了很好的發(fā)展。本文對原位TiC顆粒得合成方法進行了介紹，對原位TiC/Al的復(fù)合材料的影響因素進行了簡要的介紹。

關(guān)鍵詞：TiC顆粒;鋁合金;復(fù)合材料

簡介

鋁合金作為應(yīng)用最廣泛的金屬材料之一，鋁基復(fù)合材料既有重量輕，良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，優(yōu)異的耐蝕性與阻尼性能又能根據(jù)需要進行成分設(shè)計以滿足不同場合的應(yīng)用需要，顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有比強度高、耐磨、耐熱性好等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域被用于替代傳統(tǒng)的鋼鐵材料[1]。

目前顆粒增強金屬基復(fù)合材料方法為：外加法、原位內(nèi)生法、和中間合金法三種。①外加法雖工藝簡單、成本低、便于大量批量生產(chǎn)，但對顆粒尺寸限制較大，而且易受外界污染，因此基體與界面的結(jié)合性也不是很理想，易于產(chǎn)生團聚等缺陷。②原位內(nèi)生法作為新興的制備方法，很好的解決了外加法的表面污染、分布等問題，但是這種方法無法大批量生產(chǎn)，而且對反應(yīng)過程有一定的困難。③中間合金法也是近些年才發(fā)展起來的復(fù)合材料的制備方法，即將通過內(nèi)生法制備的含有原位內(nèi)生陶瓷顆粒引入金屬基體的目的。它集中外加法和內(nèi)生法共同的優(yōu)點，很好的解決了兩者存在的缺點，并且制備方法靈活，因此受到了廣大科研工作者的重視。

1 TiC增強顆粒

TiC顆粒是一種最為常見的增強金屬基復(fù)合材料的陶瓷顆粒。TiC顆粒不僅具有傳統(tǒng)陶瓷顆粒的熔點高、強度高、彈性模量高和熱穩(wěn)定性好的等優(yōu)點，而且TiC易于通過內(nèi)生法制備[2]。因此，TiC顆粒作為增強顆粒廣泛的用于鋁基、鐵基、銅基等復(fù)合材料中。

因中間合金制備法的獨特優(yōu)勢，Al-Ti-C體系中間合金制備TiC受到大多研究者的關(guān)注，合成TiC的方法主要有熔體反應(yīng)法，高溫自蔓延法，熱爆法三種。

（1）熔體反應(yīng)法與反應(yīng)機制

熔體反應(yīng)法原理是：將含有目標元素（Ti、C）的原料直接加入到Al熔體中發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)獲得TiC形核粒子。該類工藝采用的Ti源主要有3種：K₂TiF₆、Al-Ti合金和金屬鈦，C源則主要為石墨顆粒。

（2）高溫自蔓延法與反應(yīng)機制

自蔓延高溫合成法（SHS）原理是利用反應(yīng)物之間高化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用來合成目標材料，當(dāng)反應(yīng)物一旦被引燃，燃燒波便會自動向尚未反應(yīng)的區(qū)域傳播，直至反應(yīng)結(jié)束。有學(xué)者認為SHS技術(shù)制備Al-Ti-C中間合金的反應(yīng)過程分為2步，第一步：Al與Ti通過放熱反應(yīng)生成Al₃Ti;第二步：體系升溫后C粉被鋁液潤濕，并與溶質(zhì)Ti反應(yīng)生成TiC粒子。

（3）熱爆合成法及反應(yīng)機制

熱爆合成法通常是將反應(yīng)物制成壓坯，直接加入到鋁熔體中，借助熔體溫度引發(fā)反應(yīng)物之間以及反應(yīng)物與熔體間的放熱反應(yīng)過程，促進目標產(chǎn)物生成。有學(xué)者認為形成TiC的過程可以分為3個階段：預(yù)制塊中鋁粉的熔化，Al₃Ti相的形成和分解，TiC顆粒的形成。張二林[3]提出生成TiC的反應(yīng)機理是“溶解—析出”，認為Ti溶解后擴散到碳顆粒周圍形成富Ti層，富Ti層中的Ti與C發(fā)生反應(yīng)生成TiC，并從鋁液中析出。李元元[4]對Al-Ti-C體系熱爆反應(yīng)的熱力學(xué)與動力學(xué)過程進行研究，認為Al的加入可以降低Ti和C的反應(yīng)溫度，初始階段副反應(yīng)所放出的熱量促使Ti和C合成反應(yīng)的發(fā)生，隨后體系溫度的急劇升高有利于Ti與C的合成反應(yīng)以及副產(chǎn)物Al₄C₃、Al₃Ti向TiC的轉(zhuǎn)變。

2 TiC納米顆粒對鋁基復(fù)合材料性能的影響

影響原位合成TiC/Al復(fù)合材料性能的因素很多，包括TiC粒子尺寸、體積分數(shù)、分部狀況、顆粒形貌等。

當(dāng)顆粒尺寸到達納米尺寸（<100nm），奧羅萬強化對復(fù)合材料力學(xué)性能的提高起到了很大的作用。同時，奧羅萬強化也可以提高抗蠕變性能和熱力學(xué)穩(wěn)定性。根據(jù)奧羅萬強化機理可知納米顆粒尺寸越小，含量越多，復(fù)合材料的強度增加的就越大。Tong[5]等人通過控制變量方法研究了TiC顆粒的尺寸與含量對鋁基復(fù)合材料的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TiC顆粒尺寸為40nm，含量從15vol.%提高到30vol.%時，屈服強度從200MPa提高到350MPa。同樣的，當(dāng)納米TiC含量都為15vol.%，尺寸由80nm減小到40nm后，屈服強度從120MPa提高到200MPa。

對于TiC顆粒在鋁基體中的形貌轉(zhuǎn)變，吉林大學(xué)周東帥[6]采用第一原理計算和實驗驗證，提出了TiC_x顆粒從八面體到球形的轉(zhuǎn)變機制：當(dāng)x=0.5時，{111}面的表面能低于{100}面的表面能，TiC_x顆粒的生長形狀為八面體;隨著x值的增加，{100}面的表面能下降速度比{111}面的快，當(dāng)x>0.625時，{100}面的表面能低于{111}面的表面能，TiC_x顆粒的生長形狀開始向球形轉(zhuǎn)變。

3 總結(jié)與展望

雖然TiC顆粒作為Al基復(fù)合材料的增強顆粒具有可原位生成，與鋁晶格點數(shù)相似，顆粒細小等優(yōu)點，但對TiC/Al復(fù)合材料性能的研究也在不斷深入過程中仍存在不少需要有待攻克的難題，如納米尺寸的TiC顆粒容易偏聚，不易分散，現(xiàn)今有研究人員將超聲引入電磁攪拌法分散TiC顆粒，雖然有所改善，但是效果仍然不是很顯著。且應(yīng)用Al-Ti-C體系制備TiC顆粒時的副產(chǎn)物也會對基體材料的性能有所降低，所以如何控制降低副產(chǎn)物的生成也是需要有待討論的方向。

參考文獻

[1]袁煥龍，周澤華，王澤華，仲召軍，張欣.原位合成TiC/Al復(fù)合材料研究現(xiàn)狀[J].鑄造技術(shù)，2014，35（02）：250-252.

[2]Xiaofan Du，Tong Gao，DaKui Li，Yuying Wu，Xiangfa Liu. A novel approach to synthesize SiC particles by in situ reaction in Al–Si–C alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds，2014，588.

[3]張二林，楊波，曾松巖，李慶春，馬明臻.Al-Ti-C系中反應(yīng)生成TiC機理研究[J].材料工程，1998（02）：4-6.

[4]李元元，項品峰，龍雁，瞿全炎.熱爆反應(yīng)原位生成TiC的熱力學(xué)和動力學(xué)探討[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1999（12）：8-11.

[5]Tong X C，Ghosh A K. Fabrication of in situ TiC reinforced aluminum matrix composites[J]. Journal of Materials Science，2001，36：4059-4069.

[6]周東帥.納米TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料制備和組織與力學(xué)性能的研究[D].吉林大學(xué)，2014.