层状结构铝基复合材料近终形制备技术基础的研究

由陶瓷颗粒增强铝基复合材料和铝合金组成的具有层状结构的复合材料（简称：MMC/Al），可以充分发挥两种材料各自具有的热物理性能、力学性能、摩擦磨损性能和可加工性能等优异的特性，同时克服各自的缺点并保留金属铝轻量化的优势，在车辆、航空航天、电子等高技术领域具有广阔的应用前景，已成为高性能材料发展的重要方向之一。本项目以解决MMC/Al材料难加工成形问题为目标，以"粉末注射成形－熔浸铸造"为技术途径，重点研究陶瓷粉末喂料流变行为与注射充模规律、陶瓷增强坯体孔隙和尺寸精度控制、铝合金熔体改性及其在多孔陶瓷增强体中的熔浸动力学与界面控制等关键科学和技术问题，为建立层状结构复合材料零件的近终形制造技术奠定理论和技术基础。

刹车鼓材料的轻量化是实现车辆有效减重的重要途径之一。目前各种中型、重型车辆，特种轮式车辆的刹车鼓大多采用铸铁材料。由于铸铁材料散热差，连续制动使刹车鼓温度大幅升高引起刹车失灵，常常导致车毁人亡的灾难性事故，而且该材料比重大，不符合车辆轻量化要求。将高强高导热的轻质铝合金与耐磨陶瓷相增强铝基复合材料通过组合结构设计构成的层状结构铝基复合材料（MMC/Al）可以充分结合各自在密度、力学、导热、摩擦磨损等方面的性能优势，用其替换铸铁材质具有显著的降低刹车温升和减重效果。本项目针对重型车辆对车辆轻量化的迫切要求，创立了“粉末注射成形-压力熔浸新技术” 近净成形制备层状结构铝基复合材料刹车鼓（缩比件）的技术原型。基于刹车鼓实际工况的计算机模拟结果，对刹车鼓材料进行了结构设计；通过系统研究陶瓷增强相成形过程中石墨填充剂的作用机理，突破了低体积分数陶瓷坯体成形坯后脱脂易开裂、熔渗过程界面不良反应、熔渗材料不易致密等关键技术难题，实现了层状结构铝基复合材料刹车鼓（缩比件）的一体化近终形成形制备，刹车鼓中铝基体层的屈服强度σ0.2大于179MPa，抗拉强度大于250MPa，延伸率大于5%，热导率K大于150W·m-1·K-1；复合材料曾的屈服强度σ0.2大于290MPa，抗拉强度大于320MPa，延伸率大于0.6%，热导率K大于110W·m-1·K-1； 摩擦系数0.3-0.5。项目先后申请国家发明专利4项，发表学术论文6篇。.层状结构铝基复合材料（MMC/Al）的制备技术提供了一种获得高强度-高导热-高耐磨的轻型零部件的方法，为军用和民用车辆零部件的减重开辟了一条道路，可以节约燃料和减少排放，具有重要的意义。MMC/Al刹车鼓作为该技术应用的一个代表性产品已经展示出很大的优势，其减重效果非常显著。MMC/Al复合材料适于制备刹车组件和发动机组件，如刹车鼓、离合器片、制动盘和制动钳以及铝合金活塞、气缸套或连杆。此外，高磨损场合下使用的其它一些组件也能应用这种新型复合材料，如装甲车的负重轮。我国陆军拥有数量可观的各种类型的轮式装甲车家族，这为该技术的推广应用提供了广阔的市场前景。此外，该技术的应用还能拓展到民用领域，以实现对中型或重型车辆的轻量化，如大型汽车起重机、混凝土搬运车和垃圾搬运车。可见，该技术在军工领域和民用工业领域都具有非常广阔的应用前景。