SiC改性鋁基復(fù)合材料在體育器械中的應(yīng)用性能分析*

李珈騏

（西安醫(yī)學(xué)院體育部，陜西西安710021）

能源問題的日益嚴(yán)峻逐漸提高工業(yè)設(shè)計、制造與應(yīng)用對金屬材料性能所提的要求，基于密度低、機(jī)械性能好、兼具功能多[1]等優(yōu)勢，金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix Composites，MMCs）特別是以鋁等輕金屬為基體的復(fù)合材料現(xiàn)已發(fā)展為高技術(shù)領(lǐng)域如軍事國防、航天航空等不可或缺的輕量化結(jié)構(gòu)與功能材料，且在國民經(jīng)濟(jì)與高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。自行車骨架、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿、雙體帆船交叉懸臂、滑板等都依靠人力來運動，故質(zhì)量越輕越好，這推動現(xiàn)代化體育器械用材從傳統(tǒng)鋼鐵制品向密度輕、比強(qiáng)度高的鋁合金、鎂合金及鈦合金方向發(fā)展[2]。由于克服了鋁合金器械耐磨性不足的問題，具有高強(qiáng)度與高耐磨性能的鋁基復(fù)合材料在體育器材領(lǐng)域發(fā)展尤為迅速。

20 世紀(jì)80 年代起，國內(nèi)外學(xué)者便開始圍繞顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料展開一系列研究，制備工藝以粉末冶金與攪拌鑄造等為主[3]。文章采用傳統(tǒng)的粉末冶金方法，將霧化制得的鋁合金粉體作為基體，SiC 顆粒作為增強(qiáng)相，進(jìn)行應(yīng)用于體育器材中的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備，并分析顆粒尺寸與體積分?jǐn)?shù)對材料應(yīng)用性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用基體材料為霧化制得的國標(biāo)6061 鋁合金粉體，顆粒平均粒度為40μm，表1 所示為其材料成分。另外，通過對強(qiáng)度、硬度與熱膨脹系數(shù)的綜合考慮，采用SiC 作為復(fù)合材料增強(qiáng)相，平均粒徑尺寸分別為5μm、15μm、35μm 與50μm，基本物理性能亦如表1 所示。

表1 基體材料與增強(qiáng)相屬性Table 1 Properties of basis material and wild phase

1.2 制備流程

采用傳統(tǒng)粉末冶金方法（P/M）[4]進(jìn)行SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備。具體地，根據(jù)體積分?jǐn)?shù)稱取適量基體粉末與不同規(guī)格的增強(qiáng)相粉末，對它們進(jìn)行混粉處理，經(jīng)過冷壓成型、燒結(jié)以及熱壓成型等完成體育器械用復(fù)合材料試樣的制取工作，并對材料性能進(jìn)行測試，圖1所示為復(fù)合材料制備流程。

圖1 SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備工藝流程圖Fig.1 The flow diagram of SiC particle reinforced aluminum matrix composites preparation technology

（1）混粉?；旆鄯椒〞绊戭w粒分布的均勻性，進(jìn)而對復(fù)合材料的性能產(chǎn)生影響。采用Y 型混料機(jī)混粉，球料比為5:1，混粉時間為8h。

（2）冷壓成型。將粉體放入冷壓模中，施壓制成坯料。壓制設(shè)備選用YB32-100A 型液壓機(jī)。

（3）燒結(jié)。在低于主要組分熔點溫度下，通過原子遷移實現(xiàn)粉末（或壓坯）顆粒間的聯(lián)結(jié)。選用加熱精度為±1℃的自制管式燒結(jié)爐，爐內(nèi)通入氬氣施以保護(hù)。

（4）熱擠壓。聯(lián)合擠壓加工與粉末冶金制坯兩種方法（PME 法），可將壞料致密度提高，優(yōu)化其性能，得到高質(zhì)量PRMMCs 毛坯。試驗先加熱保溫20min（490℃），之后采用正擠壓方法，YN32-100A 型液壓機(jī)執(zhí)行熱擠壓操作。

（5）熱處理。采用固溶處理+ 時效處理（T6）方式進(jìn)行熱處理，固溶溫度為530℃，保溫2h，之后設(shè)置溫度為175℃進(jìn)行時效處理，再保溫6h，隨爐冷卻至室溫。

1.3 性能測試

采用標(biāo)準(zhǔn)阿基米德方法對制成的SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的密度進(jìn)行測量，并分別用電子天平與游標(biāo)卡尺測量其質(zhì)量與邊長，根據(jù)邊長計算體積V，求得密度

根據(jù)GB6397-86《金屬拉伸實驗試樣》將SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成拉伸試樣，直徑與長度分別為6mm 與40mm，并用萬能材料試驗機(jī)對其作拉伸試驗。在各試樣上分別打6 個點，利用布氏硬度計測量各個點的硬度，求得平均值，作為材料的布氏硬度。

2 試驗結(jié)果

2.1 顆粒尺寸影響試驗結(jié)果

采用體積分?jǐn)?shù)都是20%，平均粒徑尺寸分別為5μm、15μm、3μm5 與50μm 的增強(qiáng)相 SiC 顆粒所制得的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，對其密度與力學(xué)性能進(jìn)行測量，得到表2 所示結(jié)果。

表2 不同粒徑SiC 制得的體育器材用復(fù)合材料性能表現(xiàn)Table 2 Sport equipments composite performance with different sizes of SiC

由表2 看出，SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的密度隨著SiC顆粒粒徑變大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，在SiC粒徑為35μm 時達(dá)到最大密度，為2.77g/cm3；比強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與硬度均隨著SiC 顆粒粒徑變大逐漸減小。

2.2 體積分?jǐn)?shù)影響試驗結(jié)果

選用平均粒徑為5μm 的SiC 顆粒，研究體積分?jǐn)?shù)變化時顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的密度與力學(xué)性能變化情況，得到表3 所示結(jié)果。

表3 不同體積分?jǐn)?shù)SiC 制得的體育器材用復(fù)合材料性能表現(xiàn)Table 3 Sport equipments composite performance with different volume fraction of SiC

由表3 看出，SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與比強(qiáng)度均隨著SiC 體積分?jǐn)?shù)變大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，且都在體積分?jǐn)?shù)為15% 時達(dá)到最大值，分別為541MPa 與20.5N·m/kg；密度隨著SiC 體積分?jǐn)?shù)而變大逐而漸減?。挥捕葎t隨著SiC 體積分?jǐn)?shù)的不斷變大逐漸增加。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 顆粒尺寸對體育器材用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的影響

增強(qiáng)相顆粒在基體中的分散性會對復(fù)合材料的密度產(chǎn)生很大的影響。Bhanu 等[5]指出，基體粒徑同增強(qiáng)相粒徑之間的比值（PSR）會改變增強(qiáng)相的分布均勻性，若PSR 與1 相近，則SiC 顆粒在鋁合金基體中的分布會比較均勻，可保證微觀組織的致密性。若增強(qiáng)相與基體粒徑相差比較大，SiC 顆粒同鋁基體之間結(jié)合界面的面積會比較小，均勻分布難度會較大，此時SiC 顆粒容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，大塊硅顆粒會造成材料孔隙或疏松，進(jìn)而對材料致密性產(chǎn)生影響[6]。

SiC 顆粒尺寸減小能將體育器材用SiC 鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)化，原因在于增強(qiáng)相粒徑的減小可將顆粒間的距離縮小，這會增大復(fù)合材料的界面面積，使更多的載荷由基體傳至SiC 顆粒[7]，同時，基體在出現(xiàn)形變之時的位錯阻力也會更大，由此發(fā)揮較好的強(qiáng)化效果；而尺寸較大的SiC 顆粒會同基體有較大面積的接觸，在擠壓或拉伸變形中的應(yīng)力相對集中，容易發(fā)生斷裂現(xiàn)象，這也是復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度隨SiC 粒徑變大而逐漸降低的原因。

抗拉強(qiáng)度與密度兩者的比值決定復(fù)合材料比強(qiáng)度的大小，根據(jù)表2，SiC 鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度隨SiC 顆粒尺寸的增大而減小（密度先增大后減?。?，由此，復(fù)合材料的比強(qiáng)度也會隨SiC 顆粒尺寸的增大而減小。在體育器材方面，比強(qiáng)度這一指標(biāo)十分重要，在同樣性能條件下，比強(qiáng)度越大，體育器材的重量越小，運動人員的負(fù)擔(dān)也會越小，以此為視角，粒徑為5μm 的SiC 最適合作為增強(qiáng)相進(jìn)行體育器材用鋁基復(fù)合材料的制備。

對于體育器材而言，材料的硬度也非常重要，表2所示SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的硬度隨SiC 顆粒尺寸增加而減少，原因在于小尺寸顆粒的界面結(jié)合面積較大，可更多地將基體載荷向SiC 傳遞。另外，大顆粒復(fù)合材料有較高的延伸率，抵抗壓痕變形的性能會比較弱，因此，5μm SiC 制得的復(fù)合材料硬度最大為75HB，對于多數(shù)體育器材而言是適用的。

3.2 體積分?jǐn)?shù)對體育器材用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的影響

采用粉末冶金法進(jìn)行燒結(jié)處理時溫度一般都不高，不容易發(fā)生界面反應(yīng)。與SiC 顆粒加入量的不斷增加相伴隨，部分SiC 顆粒會有團(tuán)聚現(xiàn)象出現(xiàn)，對它們進(jìn)行擠壓，壓實難度比較大，這會引起材料中孔洞問題出現(xiàn)，由此使材料密度減小。在沒有摻入SiC 顆粒時，鋁合金基體的抗拉強(qiáng)度為407HB，對應(yīng)的比強(qiáng)度為14.6N·m/kg。而在SiC 顆粒摻加量不斷增加的過程中，抗拉強(qiáng)度與比強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先上升后降低的變化趨勢，究其原因，主要在于SiC 顆粒會對鋁基復(fù)合材料產(chǎn)生兩方面的增強(qiáng)作用：（1）顆粒增強(qiáng)；（2）界面增強(qiáng)。在SiC 顆粒摻入量還比較少之時，SiC 顆粒同基體的界面也不會大，這時發(fā)揮的界面增強(qiáng)作用相對較弱，以顆粒增強(qiáng)作用的發(fā)揮為主，因而會在一定程度上增加抗拉強(qiáng)度與比強(qiáng)度；當(dāng)SiC 顆粒摻入量不斷增加并達(dá)到一定量時，顆粒增強(qiáng)與界面增強(qiáng)作用均發(fā)揮出來，在體積分?jǐn)?shù)為15%時，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與比強(qiáng)度均上升至最大值；若進(jìn)一步將SiC 顆粒的摻入量增加，會加大SiC 顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象的可能性，此時，復(fù)合材料內(nèi)部又會有孔洞出現(xiàn)，這既無法為基體分擔(dān)載荷，還存在成為斷裂源的可能，將斷裂速度加快，進(jìn)而使SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與比強(qiáng)度減小。增強(qiáng)相與基體兩者的性能共同決定復(fù)合材料硬度的大小，SiC 的硬度通常都比較高，故與SiC 顆粒含量的增加相伴隨，SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的硬度也會逐漸增加。此外，由于加入SiC 顆粒，復(fù)合材料中還會有增強(qiáng)相同基體之間的界面生成，這些界面會對位錯運動產(chǎn)生抑制作用，以此增大變形抗力，在宏觀層面以硬度的增加為表現(xiàn)形式。

4 結(jié)論

基于同時具備鋁合金與復(fù)合增強(qiáng)體各自優(yōu)勢的特點，鋁基復(fù)合材料相較于單一材料綜合性能更好。目前，該材料吸引了國內(nèi)外很多科研人員及相關(guān)工程技術(shù)人員的興趣，他們對此展開了一系列研究，并取得了較為豐富的研究成果[8-9]?，F(xiàn)階段，航空、航天、汽車與光學(xué)儀器等領(lǐng)域均對鋁基復(fù)合材料有較多的應(yīng)用，在體育器材方面，鋁基復(fù)合材料同樣展示出獨特優(yōu)勢，應(yīng)用也較為廣泛[10]。文章研究了SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備及其在體育器材領(lǐng)域的應(yīng)用性能，得到以下結(jié)論：

（1）SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的比強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與硬度均隨著SiC 顆粒粒徑的變大逐漸減小。

（2）SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與比強(qiáng)度均在SiC 體積分?jǐn)?shù)為15% 時達(dá)到最大值；硬度隨著SiC 體積分?jǐn)?shù)的變大逐漸增加。

（3）粒徑為5μm 的SiC 最適合作為增強(qiáng)相進(jìn)行體育器材用鋁基復(fù)合材料的制備。