低温球磨制备纳米晶铝/铝基复合材料的研究进展和应用前景
发布时间：2021-04-15 19:49
详细介绍了国内外采用低温球磨粉末冶金法制备纳米晶铝及其铝基复合材料的研究进展。通过对比分析国内外在材料研制和工装设备研发等方面存在的主要差距,提出了国内在纳米晶铝应用研究中存在的问题、解决措施及发展方向。最后,对纳米晶铝/铝基复合材料未来的应用前景进行了展望。
【文章来源】：材料导报. 2017,31(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
纳米晶铝材料(Al-5083/B4Cp)的TEM像及其SAD谱:(a)平行与挤压方向;(b)垂直于挤压方向
擅拙??芯?确植迹?缤?所示。图1纳米晶铝材料(Al-5083/B4Cp)的TEM像及其SAD谱:(a)平行与挤压方向;(b)垂直于挤压方向Fig．1TEMimagesandSADpatternofthebulknanos-tructuredaluminum-matrixcompositeAl-5083/B4Cp:(a)longitudinal;(b)transverse在纳米晶铝材料的应用研究方面，目前已将纳米晶铝合金成功地应用于制造飞行器紧固件、火箭发动机等部件。例如，美国DWA公司通过先进的低温球磨技术结合压力加工的方法制备出高性能的纳米晶铝基复合材料(B4C/5083Al)的锻饼和轧制板材等［15］，如图2所示。目前该公司生产的纳米晶铝材料已取代部分钛合金构件，并应用于航空航天和国图2块体纳米晶铝及铝基复合材料的制备路线图(美国DWA公司)Fig．2Preparationroutesofthebulknanostructuredaluminumalloysandaluminum-matrixcomposite(sourcefromDWAcompanyinUSA)防军工等高附加值领域，取得了良好的减重效果和显著的经济效益。此外，美国波音公司已研制出高强度的纳米晶铝的铆钉，这种铆钉即使在极低的温度下也能保持高的强度和韧性，目前已应用于使用液体燃料(液氧、液氢等)的火箭发动件各部件之间的连接，并形成一系列专利保护［4］。1．2国内研究进展我国对纳米晶铝的研究始于21世纪初，10多年来，国内科研院所对块状纳米晶铝合金进行了探索性研究，取得了一定的成果。由于大尺寸块体纳米晶铝合金制备困难，目前国内的科技工作者对纳米晶铝合金的研究主要集中于微观组织和热稳定性等机理层面，着重关注纳米晶的形成和组织演化机制，而对纳米晶铝合金的综合性能、构件成形和工程应用等方面的研究相对较少。例如，北京科技大学程军胜等利用液氮球磨和真空热压技术制备了块状纳米晶铝合金，分析了影响热稳
墨烯由于具有特殊的二维蜂窝和褶皱结构，使其在受力过程中存在一个褶皱舒展平铺的过程。将石墨烯作为铝基复合材料的增强相，对保持材料的塑性和韧性有一定的积极作用［26］。因此，铝基体中添加适量石墨烯，在提高材料强度的同时，不会降低材料的塑性、韧性。针对纳米晶铝中普遍存在的塑性差的问题，北京航空材料研究院以纯铝为基体，石墨烯纳米片为增强相，通过低温球磨结合热压等工艺制备了强韧性高匹配的纳米晶铝基复合材料［26］。微观组织透射照片表明，石墨烯纳米片在铝基体中均匀分布且界面结合良好，如图3(a)所示。石墨烯纳米片添加量对纳米晶铝基复合材料力学性能的影响如图3(b)所示。当石墨烯添加量为1．0%(质量分数)时，纳米晶铝基复合材料的强度(抗拉强度248MPa)达图3石墨烯增强纳米晶铝基复合材料的微观组织和力学性能:(a)透射照片;(b)拉伸性能随石墨烯含量的变化Fig．3Microstructureandtensilepropertiesofthenanos-tructuredaluminum-matrixcompositereinforcedwithgraphene:(a)bright-fieldTEMimage;(b)tensilepropertiesversegraphenecontent到极限值，与传统变形纯铝(1050)相比，抗拉强度提高了200%。与此同时，材料的断后伸长率为8．3%(通常情况下，满足工程应用需求的金属结构材料的断后伸长率至少为7%～8%)［12］，纳米晶铝基复合材料的强韧性匹配度较好。1．3国内外差距以纳米晶铝的设备条件和规格尺寸为例，我国自主研发的低温球磨试验装置(见图4)，单罐最大装粉量仅为1kg，可制备的块体纳米晶铝的尺寸小于Φ100mm×100mm［18］。而国外(美国洛克达因公司)设计制造的低温球磨设备(见图5)，单罐最大装粉量为20kg，可制备的纳米晶铝合金的尺寸达Φ500mm×500mm，单个坯料的质量达158kg［
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能纳米晶Al-Mg合金的研究进展[J]. 李炯利,张坤,熊艳才. 材料工程. 2013(11)
[2]低温球磨制备超高强度块体纳米晶纯铝[J]. 李炯利,厉沙沙,樊振中,李伟,熊艳才. 中国有色金属学报. 2013(05)
[3]低温球磨制备纳米晶纯铝粉体[J]. 李炯利,厉沙沙,李伟,熊艳才. 航空材料学报. 2012(02)
[4]低温球磨制备块体纳米Al晶体材料的组织与性能[J]. 王德庆,张大伟. 大连交通大学学报. 2010(01)
[5]液氮球磨Al-Zn-Mg-Cu合金纳米晶粉末的室温稳定性研究[J]. 程军胜,杨滨,张济山,王秋良,王晖. 金属热处理. 2008(03)
[6]Bulk nanocrystalline Al prepared by cryomilling[J]. Junsheng Cheng1), Hua Cui2), Hanbin Chen1), Bin Yang1), Jianzhong Fan3), and Jishan Zhang1) 1) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Materials Science and Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Beijing General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China. Journal of University of Science and Technology Beijing. 2007(06)
[7]纳米晶Al的制备及拉伸性能（Ⅰ）[J]. 孙秀魁,丛洪涛,徐坚,卢柯. 材料研究学报. 1998(06)
[8]纳米晶Al的制备及拉伸性能（Ⅱ）[J]. 丛洪涛,孙秀魁,徐坚,卢柯. 材料研究学报. 1998(06)
[9]纳米晶体材料的研究现状[J]. 卢柯,周飞. 金属学报. 1997(01)
本文编号：3139984
【文章来源】：材料导报. 2017,31(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
纳米晶铝材料(Al-5083/B4Cp)的TEM像及其SAD谱:(a)平行与挤压方向;(b)垂直于挤压方向
擅拙??芯?确植迹?缤?所示。图1纳米晶铝材料(Al-5083/B4Cp)的TEM像及其SAD谱:(a)平行与挤压方向;(b)垂直于挤压方向Fig．1TEMimagesandSADpatternofthebulknanos-tructuredaluminum-matrixcompositeAl-5083/B4Cp:(a)longitudinal;(b)transverse在纳米晶铝材料的应用研究方面，目前已将纳米晶铝合金成功地应用于制造飞行器紧固件、火箭发动机等部件。例如，美国DWA公司通过先进的低温球磨技术结合压力加工的方法制备出高性能的纳米晶铝基复合材料(B4C/5083Al)的锻饼和轧制板材等［15］，如图2所示。目前该公司生产的纳米晶铝材料已取代部分钛合金构件，并应用于航空航天和国图2块体纳米晶铝及铝基复合材料的制备路线图(美国DWA公司)Fig．2Preparationroutesofthebulknanostructuredaluminumalloysandaluminum-matrixcomposite(sourcefromDWAcompanyinUSA)防军工等高附加值领域，取得了良好的减重效果和显著的经济效益。此外，美国波音公司已研制出高强度的纳米晶铝的铆钉，这种铆钉即使在极低的温度下也能保持高的强度和韧性，目前已应用于使用液体燃料(液氧、液氢等)的火箭发动件各部件之间的连接，并形成一系列专利保护［4］。1．2国内研究进展我国对纳米晶铝的研究始于21世纪初，10多年来，国内科研院所对块状纳米晶铝合金进行了探索性研究，取得了一定的成果。由于大尺寸块体纳米晶铝合金制备困难，目前国内的科技工作者对纳米晶铝合金的研究主要集中于微观组织和热稳定性等机理层面，着重关注纳米晶的形成和组织演化机制，而对纳米晶铝合金的综合性能、构件成形和工程应用等方面的研究相对较少。例如，北京科技大学程军胜等利用液氮球磨和真空热压技术制备了块状纳米晶铝合金，分析了影响热稳
墨烯由于具有特殊的二维蜂窝和褶皱结构，使其在受力过程中存在一个褶皱舒展平铺的过程。将石墨烯作为铝基复合材料的增强相，对保持材料的塑性和韧性有一定的积极作用［26］。因此，铝基体中添加适量石墨烯，在提高材料强度的同时，不会降低材料的塑性、韧性。针对纳米晶铝中普遍存在的塑性差的问题，北京航空材料研究院以纯铝为基体，石墨烯纳米片为增强相，通过低温球磨结合热压等工艺制备了强韧性高匹配的纳米晶铝基复合材料［26］。微观组织透射照片表明，石墨烯纳米片在铝基体中均匀分布且界面结合良好，如图3(a)所示。石墨烯纳米片添加量对纳米晶铝基复合材料力学性能的影响如图3(b)所示。当石墨烯添加量为1．0%(质量分数)时，纳米晶铝基复合材料的强度(抗拉强度248MPa)达图3石墨烯增强纳米晶铝基复合材料的微观组织和力学性能:(a)透射照片;(b)拉伸性能随石墨烯含量的变化Fig．3Microstructureandtensilepropertiesofthenanos-tructuredaluminum-matrixcompositereinforcedwithgraphene:(a)bright-fieldTEMimage;(b)tensilepropertiesversegraphenecontent到极限值，与传统变形纯铝(1050)相比，抗拉强度提高了200%。与此同时，材料的断后伸长率为8．3%(通常情况下，满足工程应用需求的金属结构材料的断后伸长率至少为7%～8%)［12］，纳米晶铝基复合材料的强韧性匹配度较好。1．3国内外差距以纳米晶铝的设备条件和规格尺寸为例，我国自主研发的低温球磨试验装置(见图4)，单罐最大装粉量仅为1kg，可制备的块体纳米晶铝的尺寸小于Φ100mm×100mm［18］。而国外(美国洛克达因公司)设计制造的低温球磨设备(见图5)，单罐最大装粉量为20kg，可制备的纳米晶铝合金的尺寸达Φ500mm×500mm，单个坯料的质量达158kg［
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能纳米晶Al-Mg合金的研究进展[J]. 李炯利,张坤,熊艳才. 材料工程. 2013(11)
[2]低温球磨制备超高强度块体纳米晶纯铝[J]. 李炯利,厉沙沙,樊振中,李伟,熊艳才. 中国有色金属学报. 2013(05)
[3]低温球磨制备纳米晶纯铝粉体[J]. 李炯利,厉沙沙,李伟,熊艳才. 航空材料学报. 2012(02)
[4]低温球磨制备块体纳米Al晶体材料的组织与性能[J]. 王德庆,张大伟. 大连交通大学学报. 2010(01)
[5]液氮球磨Al-Zn-Mg-Cu合金纳米晶粉末的室温稳定性研究[J]. 程军胜,杨滨,张济山,王秋良,王晖. 金属热处理. 2008(03)
[6]Bulk nanocrystalline Al prepared by cryomilling[J]. Junsheng Cheng1), Hua Cui2), Hanbin Chen1), Bin Yang1), Jianzhong Fan3), and Jishan Zhang1) 1) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Materials Science and Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Beijing General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China. Journal of University of Science and Technology Beijing. 2007(06)
[7]纳米晶Al的制备及拉伸性能（Ⅰ）[J]. 孙秀魁,丛洪涛,徐坚,卢柯. 材料研究学报. 1998(06)
[8]纳米晶Al的制备及拉伸性能（Ⅱ）[J]. 丛洪涛,孙秀魁,徐坚,卢柯. 材料研究学报. 1998(06)
[9]纳米晶体材料的研究现状[J]. 卢柯,周飞. 金属学报. 1997(01)
本文编号：3139984
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