鈦酸鉀晶須增強鋁基復合材料的研究現狀
時間:2005-07-05
摘 要：
對鈦酸鉀晶須增強鋁基復合材料的研究現狀進行了綜述，主要介紹了鈦酸鉀晶須的特性，鋁基復合材料的制備工藝、界面結構和性能，同時指出了目前存在的問題和進一步研究的方向。
1 前 言
晶須增強鋁基復合材料由于具有高的比強度、比模量，良好的熱穩定性，以及抗疲勞、耐磨損等性能而得到迅速發展，成為金屬基復合材料的一個重要分支。SiC和Si3N4晶須被認為是鋁基復合材料最好的增強體，但價格昂貴［1］。國外特別是日本已開發出廉價的鈦酸鉀晶須，價格僅為SiC或Si3N4晶須的1/10～1/20，且復合材料有良好的切削加工性［2］。用其增強的鋁合金已用于軸承滑動部件、活塞泵、發動機汽缸套的隔熱內襯等。
通常用K2O.nTiO2表示鈦酸鉀晶須的組成，n=1，2，4，6，8，它們在結構和性能上差異顯著。其中以n=4，6即聚四和聚六鈦酸鉀的實用價值最大。聚六鈦酸鉀屬單斜晶系(空間群C2/m)，晶格常數a=1.559 nm,b=0.382 nm,c=0.9112 nm,β=97.764°［3］，其特性見表1：
表1 鈦酸鉀晶須的特性
| 化學式 |
K2O.6TiO2 |
熱膨脹系數 |
6.8×10-6/℃ |
| 外觀形貌 |
白色針狀結晶 |
pH值 |
7～9(水中分散) |
| 晶須尺寸 |
直徑0.5～1.0 μm
長度10～40 μm |
熱導率 |
5.34 W/(m.℃)(25℃)
1.74 W/(m.℃)(760℃) |
| 耐熱溫度 |
1 200 ℃(在空氣中) |
比熱容 |
0.92 kJ/(kg.℃) |
| 真密度 |
3.3 g/cm3 |
電阻率 |
3.3×1013m.Ω(25℃) |
| 松密度 |
0.3 g/cm3 |
莫氏硬度 |
4 |
| 抗拉強度 |
7 GPa |
耐堿性 |
30%堿中，沸點下穩定 |
| 彈性模量 |
280 GPa |
耐酸性 |
10%酸中，室溫下穩定 |
2 復合材料的制備工藝
2.1 擠壓鑄造法［4］
將晶須、粘結劑和水混和，攪拌均勻后在模具中制成預制件，干燥后在900 ℃左右燒結；將預熱至800 ℃左右的預制件放入金屬模具，注入750 ℃左右的鋁液后加壓至50～100 MPa，保壓1 min左右脫模。擠壓鑄造法容易實現工業化生產，是快速生產復雜形狀復合材料零件的最有效的方法。但是，擠壓過程中易造成預制件壓縮變形，使復合材料中晶須的體積分數難以控制。不同文獻對晶須體積分數的報道差異較大，約在15%～55%之間［5，6］。同時，高溫下鈦酸鉀晶須會與鋁液發生界面反應，影響復合材料的性能。
2.2 粉末冶金法［2，7］
將晶須與鋁粉末充分混和，然后在模具中進行壓實，再將壓實坯進行熱壓；或晶須與鋁粉直接進行熱等靜壓。為提高材料性能，還可將材料進行后續加工，如熱擠壓等。粉末冶金法能準確地控制晶須的體積分數，減少晶須與基體之間的界面反應，但是粉末混和時間長，成本高。晶須在混粉時易抱團，不易和鋁粉混和均勻；軋制過程中造成晶須的破斷等因素對復合材料的性能有不良影響。
3復合材料的界面結構與界面反應
國內外對鈦酸鉀晶須增強鋁基復合材料的界面反 應進行了廣泛研究，并提出了各自的理論觀點。土取功等用差熱分析法證明，鈦酸鉀晶須在610 ℃與鋁發生界面反應，生成α-Al2O3,在950℃生成α-Al2O3和Al3Ti［8］。但是，管沼克昭認為，鈦酸鉀晶須與基體在600～800 ℃左右反應生成γ-Al2O3和TiO;TiO在晶須表面內部形成，γ-Al2O3薄層覆蓋在晶須外表面［9］。最近，Li.J.H等使用高分辨率透射電鏡(HRTEM)的研究成果表明，用擠壓鑄造法制備的K2O.6TiO2W/ZL109復合材料在界面上生成TiO，MgTi2O4和MgAl2O4;T6處理會加重界面反應，Mg元素在界面處偏聚，使復合材料的強度有所下降。而對于K2O.6TiO2W/純Al復合材料，界面反應產物僅為TiO［3］。
沈保羅等研究了用擠壓鑄造法制備的K2O.8TiO2W/ZL109復合材料，發現晶須與基體之間存在著TiO非晶態過渡層，在制造過程中，晶須的表面與基體已經發生界面反應［10］。在熱暴露或熱循環條件下K2O.8TiO2W/ZL109復合材料在500 ℃熱暴露100 h以上或熱循環5次以上晶須與基體會發生嚴重的界面反應，并有Ti7Al5Si12新相生成。熱循環比熱暴露更明顯地促進了界面反應［11］。可見，晶須與基體的界面反應及其機理研究是這種材料的一個重點。
4 復合材料的性能
鈦酸鉀晶須增強鋁基復合材料的性能優異之處在于它的抗拉強度與熱膨脹系數，如圖1和圖2所示。可以看出，復合材料的常溫和高溫抗拉強度均高于基體；其熱膨脹系數比基體低得多，說明這種材料有較好的尺寸穩定性。同時，復合材料的硬度和彈性模量也有明顯的提高［4］。晶須的加入改變了鋁合金的凝固過程，細化了晶粒組織，同時在材料內部產生了眾多晶須與基體之間的界面。這些界面阻礙位錯的運動，使位錯產生塞積，從而使材料的性能得到了提高［12］。然而，過高的晶須體積分數(≥40%)反而會降低復合材料的力學性能。因此，如何將晶須的體積分數控制在適當的范圍成為控制復合材料性能的關鍵。
圖1 K2O.6TiO2W/Al復合材料的高溫抗拉強度
圖2 AC4C合金與K2O.6TiO2W/AC4C 復合材料的熱膨脹系數
復合材料的磨損性能與基體相比并無明顯的優勢。在油潤滑條件下，K2O.8TiO2W/ZL109復合材料與基體相比，低載荷時兩者耐磨性差不多；高載荷時復合材料比基體更耐磨。一般認為，低載荷下該復合材料的磨損機理是氧化-犁切-壓實，氧化膜達到臨界厚度就發生脆性破壞。由于大量晶須的存在，使氧化膜變得并不完整，復合材料并不比基體耐磨。高載荷下是嚴重的金屬磨損控制磨損過程，復合材料中由于晶須的存在，塑性變形抗力增大，故比基體更耐磨［13］。也有人認為復合材料的耐磨性差是因為鈦酸鉀晶須的硬度低［14］。從已有報道看，這方面的研究還不夠系統深入，晶須增強體的性能優勢尚未得到充分的發揮。
5 研究展望
(1) 預制件的制備工藝。使用表面活性劑、超聲波振動等方法使晶須團、塊分散開，從而使晶須分散均勻。采用合適的粘結劑提高預制件的強度，減輕擠壓鑄造過程中預制件的變形，使復合材料中晶須的體積分數能得到有效控制。
(2) 復合工藝和熱處理工藝。找出最佳工藝參數，盡可能地減輕晶須與基體合金的界面反應，提高復合材料的綜合性能。
(3) 混雜使用。將鈦酸鉀晶須與其他復合材料增強物混和使用，發揮各自的優勢，揚長避短。
(4) 失效機理，包括磨損、腐蝕、疲勞的研究。
