第一篇：粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的研究與進展陳夢

粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的研究與進展

羅洪峰 符新 李粵 廖宇蘭

（海南大學 機電工程學院，海南 海口 570228）

摘要粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料因低廉的價格與優異的性能日益受到人們的關注。介紹了粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的常用制備方法如攪拌鑄造、壓力浸滲法以及粉末冶金法，指出了各種制備工藝的優缺點；闡述了粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料優良的性能，特別是其力學性能、耐磨性能、阻尼性能與電磁屏蔽性能；并展望了粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的發展趨勢。

關鍵詞粉煤灰 鋁基復合材料 制備工藝 性能 中圖分類號：TB333文獻標識碼：A

潛在應用前景。

0 前言

顆粒增強鋁基復合材料具有較高的比強度、比剛度和高溫力學性能，低的熱膨脹系數，良好的耐磨性和導熱性能，在航天、航空、汽車、電子、光學等工業領域具有相當廣泛的應用前景[1]，是目前應用最廣、開發前景最大的一種金屬基復合材料。SiC與Al2O3顆粒是鋁基復合材料中最常用的增強相顆粒，但其成本過高，導致鋁基復合材料的價格比其基體鋁合金要高出10多倍，限制了顆粒增強鋁基復合材料的使用范圍。因此，材料科學工作者一直致力尋求較為廉價的填充增強材料以降低鋁基復合材料的成本。

粉煤灰是發電廠煤燃燒后排放的工業廢料，我國粉煤灰排放量每年超過1億噸，占地面積近2.6 萬公頃，嚴重污染環境，成為一種社會公害[2]。粉煤灰的主要化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3 和CaO，是一種比較單一的固體陶瓷顆粒且部分呈空心顯微球狀[3]。與多角形的SiC增強顆粒相比，球形粒子能減小被強化鋁基復合材料的應力集中，此外，粉煤灰中SiO2在一定條件下能與鋁液反應原位生成Al2O3顆粒，獲得分布均勻的硬質相，并且顆粒與

[4]

基體結合良好。因此，用電廠排放粉煤灰來強化鋁合金，不僅找到了一種廉價、化學成分理想的鋁基復合材料的陶瓷增強顆粒，而且能為粉煤灰的處理與利用尋求新的途徑，緩解對環境的污染。近年來，粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的研究取得了一定的進展，作為一種新型的鋁基復合材料，粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料在保持一定性能或提高特定性能的基礎上不僅有著更低的密度，而且能夠極大地降低成本，在汽車工業、航空航天、電子工業，機械配件、體育用品工業等領域有著巨大的粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料制備工藝

粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料又被稱為飛灰鋁合金，其制備方法已有很多，分類方式也不盡相同。按粉煤灰顆粒加入的方式來分，最常用的制備方法有攪拌鑄造、壓力浸滲法以及粉末冶金法。

[5]

1.1攪拌鑄造法

攪拌鑄造法不需要大設備、工序少，對顆粒種類及尺寸適應范圍廣、操作簡單，是迄今為止制備鋁基復合材料最普遍的方法之一。攪拌鑄造法通常是在基體合金處于熔融狀態時，將增強顆粒在機械攪拌作用下混入基體合金中制取顆粒增強金屬基復合材料的一種方法。通過強烈攪動全液態合金，使之產生渦流，向渦流中加入顆粒，并使其分散，隨后凝固獲得所需復合材料[6]。

1994年美國密爾沃基大學Rohatgi等[7]首次利用攪拌鑄造法成功制備了不同體積分數的粉煤灰顆粒增強A356鋁基復合材料，結果表明，粉煤灰顆粒的加入導致復合材料的密度減小、模量增大、硬度增加、耐磨性提高。并在此基礎上進一步制得了粉煤灰沉珠顆粒增強鋁基復合材料與粉煤灰漂珠顆粒增強鋁基復合材料[8]。國內學者張雄飛等[9]也開展了攪拌鑄造法制備粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的研究工作，發現復合材料宏觀均勻但微觀上出現了粉煤灰顆粒團聚，并認為復合材料耐磨性提高的原因是粉煤灰與鋁基反應生成了硬的氧化鋁顆粒。吳林麗等[10]采用攪拌鑄造法制備粉煤灰顆粒增強6061鋁基復合材料發現同樣存在著粉煤灰顆粒團聚，并有氣孔產生，對復合材料的性能產生不利影響。為解決

上述問題，蔣愛蓉等人[11]對粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的攪拌鑄造工藝參數進行了研究，發現對復合材料密度影響由大至小的工藝參數依次為：熔體溫度、粉煤灰微珠加入量、攪拌時間和攪拌速度，并確定了最佳工藝參數，復合材料的性能有所改善。

1997年Guo等[19]首次采用粉末冶金法成功制備了粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料，研究發現壓坯的壓制過程中粉煤灰漂珠出現破裂，燒結時間的延長和燒結溫度的升高有助于粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料性能的提升。為獲得致密的復合材料，Saheb等為進一步改善粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的性能，研究人員對攪拌鑄造法進行了改進。Rajan等[12]采用半固態攪拌后擠壓鑄造獲得了分布均勻、團聚和氣孔較少的粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料，粉煤灰顆粒與金屬基體界面反應生成物數量要少于普通重力鑄造。國內龍文元等人[13]的研究也得到了類似結果。

攪拌鑄造法工藝簡單，設備要求低，成本低，最有希望用于工業批量生產。受工藝自身特點所限，攪拌鑄造法主要適合制備低體積分數（最高約為30%）的粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料。

1.2壓力浸滲法

壓力浸滲法是預先把增強體做成相應形狀的預制件，隨后澆注金屬液，并加壓使金屬液滲入預制件間隙，凝固后得到金屬基復合材料。這種方法可減輕對增強物與金屬液結合有重要影響的潤濕性、反應性、比重差等重要因素的干擾作用，在預制件質量好并且浸滲參數控制得當的情況下，可成功地制得滿意的復合材料。

1998年Rohatgi等[14]首次嘗試液體加壓浸滲法制備粉煤灰空心微珠顆粒增強鋁基復合材料，粉煤灰空心微珠體積分數可達40%，但與鋁液潤濕性較差，導致兩者界面結合處出現大小不均的孔洞。進一步研究 [15-17]發現增大浸滲壓力可減小孔洞比例，但壓力過大容易導致粉煤灰空心微珠破裂，改用表面鍍鎳并氣體加壓浸滲后，增強相與鋁基的潤濕性得到改善，從而成功制備出粉煤灰空心微珠體積分數達60%以上的鋁基復合材料。

壓力浸滲法是制備致密高體積分數粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的良好方法，該工藝不但可克服粉煤灰顆粒與液態鋁合金潤濕性差的不足，同時由于浸滲時間短，凝固速度快而避免粉煤灰顆粒在制備復合材料的過程中與基體合金發生不良反應。壓力浸滲法適合制備高體積分數(可達60%以上)的粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料。

1.3粉末冶金法

粉末冶金法是制備鋁基復合材料最初采用的方法。該法先將增強顆粒和基體粉末均勻混合，經壓制、燒結及后續處理等工序制成成品[18]。

[20]

將粉煤灰顆粒與鋁粉球磨混合均勻后再單向冷等靜壓成形，隨后進行燒結，所得復合材料密度明顯增大。張雄飛等[21,22]對粉煤灰空心微珠顆粒增強鋁基復合材料在粉末冶金方法制備過程中的化學反應規律進行了研究，發現粉煤灰中的部分成分與液態鋁進行了反應，形成了單質Si、Fe、Ti 以及Al 和Si、Fe、Ti 的金屬間化合物，導致粉煤灰顆粒的非晶態及反應特性的改變。王慶平等[23,24]

在粉末冶金法制備煤粉灰顆粒增強鋁基復合材料的基礎上研究了粉煤灰在鋁合金基體內的分布狀況，發現存在顆粒團聚，并有少量氣孔產生。

粉末冶金法中增強體粒度和體積比可以大范圍調整，理論上可以任意的配比，而且粉末冶金工藝較為成熟，燒結后可進一步擠、鍛或熱等靜壓處理以提高致密化及復合材料的性能。但該方法工藝過于復雜，粉末難以混合均勻而致使成分不均，壓制過程中易產生氣孔，燒結溫度不易控制，材料最終微觀組織和力學性能難以保證。此外，該方法制備周期長，成本較高，常常需要二次成形，不利于規模工業生產。粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料性能

粉煤灰作為增強顆粒，其價格遠低于鋁合金基體，所制得粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料具有輕量、節源、低成本、好的特定的力學性能特性，從而引起了材料研究者的廣泛興趣，應用前景十分廣闊。

2.1抗拉性能

均勻分布在鋁基體中的粉煤灰顆粒可以起到彌散強化的作用。李月英等人[25]的研究發現，粉煤灰顆粒增強 ZL109鋁基復合材料的抗拉強度高于基體，并且隨粉煤灰顆粒含量的逐漸增加，其抗拉強度略有提高，但提高的趨勢有所減緩，粉煤灰顆粒的存在阻礙了基體中晶面的滑移，提高了基體抗剪切應變的能力。其他研究人員[26,27]在粉煤灰顆粒增強 Al-4.5% Cu鋁基復合材料和粉煤灰顆粒增強Al-Si(12%)鋁基復合材料的研究中也發現，抗拉強度隨粉煤灰含量的增加而增加。

然而Liu等[28]在粉煤灰顆粒增強A380鋁基復合材料中發現，隨著粉煤灰顆粒體積分數的增加，粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的抗拉強度下降。Gikunoo等人

[29]

對粉煤灰顆粒增強A535鋁基復合材料的研究亦發現，粉煤灰含量的增加對復合材料的拉伸性能產生不利影響，復合材料的抗拉強度隨粉煤灰含量的增加而降低。造成此現象的原因在于粉煤灰顆粒和金屬基體之間潤濕性差，界面結合力小，出現界面脫粘，從而未能起到強化作用。

因此，分散均勻、潤濕性好及表面粗糙的粉煤灰顆粒有助于獲得抗拉強度更高的粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料，反之，則使復合材料的抗拉強度降低。

2.2抗壓性能

粉煤灰也被用于制備泡沫鋁基復合材料，粉煤灰的加入，不僅能夠提高泡沫鋁基復合材料的性能，而且能夠降低生產成本。

Rohatgia等[30]采用氣體加壓浸滲技術制備了粉煤灰空心微珠體積分數為20%~65%的A356泡沫鋁基復合材料，研究表明，復合材料的應力-應變曲線具有明顯的應力平坦區，抗壓強度隨密度的增加而增大，具有良好的緩沖吸能特性。

Mondal等[31]

制備了閉孔粉煤灰顆粒增強泡沫鋁基復合材料，研究結果表明，壓縮過程的應力-應變曲線具有四個特征：初始線彈性階段，屈服極限，應力平臺區以及致密化變形階段。其中致密化應力與相對密度和應變速率無關，而平臺應力主要取決于相對密度。

王永等人[32-34]利用粉煤灰顆粒增粘制得泡形分布較均勻的泡沫鋁。粉煤灰不但起到增黏作用，且部分粉煤灰與鋁液反應生成氧化物顆粒，與粉煤灰中原有的莫來石及其它氧化物顆粒一起，構成泡沫鋁的增強質點，起到顆粒增強作用。和傳統的泡沫鋁相比，粉煤灰顆粒增強的泡沫鋁具有更高的抗壓性能。

2.3耐磨性

粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料中粉煤灰的硬度和耐磨性遠高于鋁基體，在摩擦磨損中起到承受載荷，限制對磨材料與鋁基體直接接觸，從而使復合材料具有良好的耐磨性能。

吳林麗等人[10]對粉煤灰空心微珠體積分數為15%的顆粒增強鋁基復合材料與基體6061鋁合金的耐磨性進行比較，結果表明復合材料比6061合金的耐磨性要提高20倍以上。Ramachandra等[26]發現隨著粉煤灰顆粒數量的增加，復合材料的耐滑動磨損性能與耐沖蝕磨損性能隨之增加。Sudarshan等人

[35]

發現粉煤灰顆粒增強A356鋁基復合材料的耐滑

動磨損性能與SiC和Al2O3顆粒增強鋁基復合材料的十分接近，并發現粉煤灰顆粒尺寸以及體積分數對復合材料的摩擦系數有著顯著影響，粉煤灰顆粒尺寸越小、體積分數越大，復合材料耐磨性越好。

多數研究[36-38]

認為粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的摩擦磨損機理如下：在摩擦磨損過程中，除了微剪切作用，復合材料的摩擦表面還形成一穩定的摩擦轉移層，該轉移層的存在可以起到降低摩擦因數的作用。載荷較高時該摩擦轉移層因裂紋擴展而被破壞，使其減摩作用降低。鑲嵌在基體中的粉煤灰顆粒在摩擦過程中承受載荷、限制對磨材料與鋁基體直接接觸。脫落的粉煤灰顆粒起到“滾珠”的作用，在摩擦表面形成“三體”摩擦，從而起到減摩的作用。

2.4阻尼性能

粉煤灰的阻尼性能很低，在室溫下約為1×10-5，但粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料卻具有優良的阻尼性能。Zuoyong Dou等人[39,40]的研究發現，孔隙度為40%的粉煤灰空心微珠顆粒增強6061鋁基復合材料，相較于基體其阻尼性能獲得了極為明顯的提高，已屬于高阻尼材料范疇。其中200目以上粉煤灰所制得6061鋁基復合材料在彎曲-振動模式下的阻尼性能可達(2~3)×10-2，相當于基體材料的4倍，并隨粉煤灰顆粒直徑減小而增大。李月英等[41]對粉煤灰含量20%的粉煤灰顆粒增強6063鋁基復合材料研究發現，其阻尼內耗值達1.11×10-2~0.175，亦遠大于基體鋁合金，并隨粉煤灰含量增加及粉煤灰顆粒直徑減小而增加。

粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的阻尼性能遠高于粉煤灰顆粒與鋁基體，其原因在于粉煤灰顆粒的加入使鋁基體的微觀結構發生改變并存在大量界面。在交變應力作用下，界面通過界面處不連貫的微觀組織流動和界面滑動對內耗做貢獻。粉煤灰含量的增加和顆粒直徑的減小使復合材料內部界面面積增加，界面引起的內耗隨之增加，從而導致粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的內耗值增加。其內耗機制主要有本征內耗、位錯內耗和界面內耗[42]。

2.5電磁屏蔽性能

泡沫鋁是近年來興起的一種新型電磁屏蔽材

料，其屏蔽效能高，能滿足精密儀器和設備的屏蔽需要，但是諸如孔洞的大小以及均勻性的問題限制了其在結構件上的應用。將粉煤灰空心微珠添加進入鋁合金基體中，空心微珠的空腔所起作用和泡沫

鋁中閉孔類似，因此不但可以制得和閉孔泡沫鋁結構類似的粉煤灰空心微珠顆粒增強鋁基復合材料，而且均勻分布在鋁基體中的粉煤灰空心微珠還可以起到彌散強化的作用。

Zuoyong Dou等人[43]采用壓力浸滲技術制得了體積分數為70%的粉煤灰空心微珠顆粒增強2024鋁基復合材料，并對其電磁屏蔽性能進行研究，結果表明，在30.0 kHz~600.0 MHz頻率范圍內，粉煤灰顆粒的添加使得復合材料的電磁屏蔽性能提高，但隨頻率的增加，電磁屏蔽性能的增量呈下降趨勢，而在600.0 MHz~1.0 GHz頻率范圍內，復合材料的電磁屏蔽性能和鋁基體十分接近，粉煤灰顆粒的加入對復合材料的電磁屏蔽性能基本無影響。因此，在1.0~600.0 MHz 頻率范圍內，粉煤灰空心微珠顆粒增強2024鋁基復合材料是一種密度小、性能優異、成本低廉的電磁屏蔽材料，其電磁屏蔽效果主要來源于電磁波在粉煤灰顆粒增強鋁基界面間的多重反射導致的反射損耗以及粉煤灰中Fe2O3組分的吸收損耗。結束語

與傳統的顆粒增強鋁基復合材料相比，粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料最大的優勢在于密度小、成本低。本文總結了國內外粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的3種制備方法，其中攪拌鑄造法工藝簡單而且成本低廉，最有希望用于工業化生產。目前，國內對粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料的研究主要還處于實驗室研究階段，國外已成功在實驗室用粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料制備了發動機安裝環、制動鼓、吸水歧管等配件并進行了大規模的試生產。如同其它陶瓷顆粒增強鋁基復合材料，在工業化生產并應用于實際之前，粉煤灰顆粒增強鋁基復合材料中的增強相顆粒團聚、增強相與鋁基的潤濕性以及界面反應等問題尚待解決，此外，復合材料的熱處理工藝及再生與回收等問題的研究也值得關注。

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Luo HongfengFu XinLi YueLiao Yulan

(School of Mechanical & Electrical Engineering, Hainan University, Haikou, 570228, China)AbstractFly ash particle reinforced aluminum matrix composites receive more and more attention because of low price and excellent performance.In this paper, the most common preparation technologies such as stirring casting, pressure infiltration method and powder metallurgy are briefly reviewed, and

merits and demerits of each technology are indicated;Some excellent performances especially mechanical property, wear resistance, damping capacity and electromagnetic shielding effectiveness are introduced;And the future researchs of this aluminum matrix composite are suggested.Key wordsfly ash , aluminum matrix composites, preparation technology, property.

第二篇：scripta materialia中科院上海硅酸鹽所李江課題組在新型鋱鋁石榴石基磁光陶瓷研究方面取得系列進展

scripta materialia中科院上海硅酸鹽所李江課題組在新型鋱鋁石榴石基磁光陶瓷研究方面取得系列進展

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所李江研究員帶領的透明與光功能陶瓷研究課題組在新型鋱鋁石榴石基磁光陶瓷研究中取得重要進展。該團隊采用共沉淀法合成了0.5at% Ho:TAG納米粉體，再結合真空燒結及熱等靜壓后處理（HIP）技術制備得到了具有優異光學質量和磁光性能的Ho:TAG透明陶瓷，該材料在1064 nm波長處的直線透過率達到81.9%，在632.8 nm處的Verdet常數為-183.1 rad·T-1·m-1，比商用TGG單晶高36%。相關研究成果發表于國際著名期刊Scripta Materialia上，論文第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生戴佳衛，通訊作者為李江研究員。（DOI：10.1016/j.scriptamat.2018.03.021）

該工作獲得了審稿人的高度評價，審稿人認為“This is a novel paper on magneto-optical Verdet constant data on a transparent ceramic material that is quite hard to grow as a single crystal”。鑒于該工作的影響力，研究團隊隨后受Scripta Materialia期刊主編Subhash H.Risbud博士（美國加州大學戴維斯分校教授）邀請撰寫了關于磁光陶瓷領域的觀點類文章“Promising Magneto-optical Ceramics for High Power Faraday Isolators”，并以Viewpoint Paper的形式發表在Scripta Materialia上。（DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.06.031）?? ? 近期，該研究團隊又通過順磁性稀土離子摻雜對TAG陶瓷進行了性能調控，并取得了新的研究進展。他們以離子半徑和Tb3+接近的Ce3+和Pr3+為改性離子，成功制備了高光學質量的Ce:TAG和Pr:TAG磁光陶瓷。研究發現，由于摻雜離子對晶體場的影響以及和Tb3+之間存在超交換作用，摻雜后TAG磁光陶瓷的Verdet常數均有所提升，其中2.0at% Ce:TAG透明陶瓷在632.8 nm處的Verdet常數達到-196.2 rad·T-1·m-1，比TAG陶瓷和商業TGG晶體分別提高了9%和46%。相關成果發表在Scripta Materialia上。（DOI：10.1016/j.scriptamat.2018.06.023）??

以上研究工作得到中國科學院前沿科學重點研究計劃項目（院青年拔尖人才項目）、國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃項目、中國科學院上海硅酸鹽研究所重點學科建設項目等資助。原文鏈接：http://www.tmdps.cn/zixun/23354看更多新鮮資訊，搜ChemBeanGo！下載APP進入ChemBeanGo化學信息及科研用品交易平臺