增强体纳米化对铝基复合材料的重要意义

铝基复合材料因其密度低，机械性能优异，还兼具多种功能特性，己成为军事国防、航天航空以及其它高新技术领域不可缺少的轻量化结构材料和功能材料。然而，由于铝基体与增强体的性质差异，导致了铝基复合材料塑韧性差、制备过程难以控制、二次加工成型困难等一系列问题。

研究表明，增强体纳米化对于改善铝基复合材料的综合性能具有重要作用。与传统的增强体相比，纳米增强体与基体中的位错、晶界、析出相等微结构的尺寸接近，能通过相互作用产生很多在传统增强体中少见的新现象。首先，在晶粒中的纳米弥散增强体既能够作为位错源产生位错，又能阻碍位错运动，起到强化作用，其高的比表面积为材料提供了高的位错容量，能同时提高材料的强度和韧性。其次，在相同体积分数下，纳米增强体尺寸远小于传统增强体，造成的硬化区域小而分散，能够减小复合材料中的应力集中。此外，在较高的温度下还能起到钉扎晶界、阻碍晶界迁移的作用，有利于复合材料的高温力学性能和蠕变性能。

在增强体纳米化的研究工作中，目前发展前景最为看好的增强体是碳纳米管，其密度约为铝的60%，而模量、强度、热导率等性质远远高于铝基体和各种传统增强体。研究证明，仅仅2%(质量分数)的结构完好、界面结合良好、均匀分散的碳纳米管，就可以提高铝基复合材料的强度超过200MPa，提高模量约20GPa，还能保持材料较高的断裂应变。这是由于碳纳米管不仅力学性能优异，还具有很高的长径比，有利于载荷的传递；同时，碳纳米管的存在能够约束晶粒尺寸，起到细晶强化的效果。

由于碳纳米管增强体在铝基复合材料中的界面体积分数非常高，具有很高的总表面能，易于团聚，因此，如何实现碳纳米管在基体中的充分分散，避免团聚所造成的缺陷；如何对界面进行严格的控制；如何尽可能地保持碳纳米管几何形态和结构的完整性，以获得最好的增强效果，给该材料的制备技术提出了高难度的研究课题。从目前的研究成果看，为了防止碳纳米管和铝熔体发生严重的界面反应生成大量脆性的Al4C3相，必须要使用粉末冶金等能够在相对较低的温度下控制界面反应的固相方法；同时，必须引入合适的分散工艺，或者通过在铝基体中均匀地原位合成，来保证碳纳米管在铝基体中的分散性。目前，能够获得高性能碳纳米管增强铝基复合材料的方法主要包括高能球磨、溶液辅助分散法、片状粉末冶金等外加碳纳米管方法，和化学气相沉积、聚合物热解等原位合成碳纳米管方法。

除了碳纳米管之外，纳米尺度下的传统增强体，如纳米Al2O3、纳米SiC等也受到广泛关注。通过原位反应形成的纳米Al3Ti等金属间化合物增强体，因其优异的刚度、硬度和热稳定性，也成为研究的热点。