汽車行業(yè)推動輕量化材料發(fā)展
汽車行業(yè)對輕量化材料的高能量吸收和隔音性能提出了嚴(yán)格要求。由于鋁基合金及其復(fù)合材料具有出色的輕質(zhì)與高強度特性,成為該領(lǐng)域的研究重點。通過開發(fā)沖擊能量吸收能力更強的多孔鋁合金,能夠進一步減輕材料重量。多孔鋁的輕量特性使其可用于汽車零件填充,從而有效降低車輛整體重量,減少燃料消耗和碳排放,進而降低碳足跡。
此外,多孔鋁在吸收碰撞能量方面表現(xiàn)優(yōu)異,可減少對乘客及車輛關(guān)鍵部件的損害。然而,由于多孔結(jié)構(gòu),其物理和機械性能較傳統(tǒng)實心鋁有所降低。為此,研究人員通過在多孔鋁中引入高強度增強材料(如陶瓷和碳基材料)來提高其性能,這些增強材料在多孔鋁復(fù)合材料中展現(xiàn)出顯著的強化效果。
而金剛石作為一種碳基增強材料,具有極高的硬度和優(yōu)異的導(dǎo)熱性,被廣泛用于材料強化領(lǐng)域。雖然金剛石能夠顯著延長材料的使用壽命并提供強化作用,但因其與金屬基體的潤濕性較差,導(dǎo)致其在多孔鋁基體中難以形成理想的界面結(jié)合,而這一結(jié)合對于提升多孔鋁復(fù)合材料性能至關(guān)重要。
金剛石如何被利用于基體材料
為了解決這一問題,近日,研究人員引入了金屬涂層技術(shù),將金屬層涂覆于金剛石顆粒表面。該涂層不僅能在界面處形成碳化物,還可與鋁基體結(jié)合,從而改善界面結(jié)合性能。嘗試的涂層材料包括鉬、鎢和鈦,鈦涂層因其可生成碳化鈦(TiC)并與鋁基體形成新相,被廣泛采用。該碳化物層還能有效阻止金剛石中的碳與鋁反應(yīng)生成不良碳化物(如Al?C?),進一步改善金剛石與鋁基體的結(jié)合。
此外,基體合金化也是增強界面結(jié)合的一種方法。通過添加合金元素(如硅、鎂、錫、硼),可顯著提升鋁與金剛石之間的潤濕性,穩(wěn)定界面結(jié)構(gòu)并抑制過多Al?C?的生成。這種方法不僅高效且成本較低,是一種理想的界面修飾策略。
為了更好地控制多孔鋁材料的孔隙率和增強材料分布,粉末冶金法成為廣泛應(yīng)用的工藝。此方法可以精準(zhǔn)控制金剛石和鋁的重量比例,且低溫加工避免了不良碳化物的形成。間隙保持劑如氯化鈉、尿素、碳酸鹽顆粒和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)被用于調(diào)節(jié)孔隙結(jié)構(gòu)。相比其他間隙保持劑,PMMA在較低溫度下分解,幾乎不留殘渣,且反應(yīng)性低,還能改善材料的機械性能。
研究人員通過粉末冶金技術(shù)制備了含有不同金剛石含量(5%、10%、15%、20%)的多孔鋁復(fù)合材料,使用固定含量的PMMA顆粒(30 wt%)作為間隙保持劑形成孔隙。系統(tǒng)研究了不同金剛石含量對多孔鋁復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)、密度、孔隙率、壓縮性能和變形行為的影響。研究發(fā)現(xiàn),所制備的多孔鋁復(fù)合材料具有封閉的宏觀孔結(jié)構(gòu),金剛石增強材料均勻分布。宏觀孔隙的形狀和大小與PMMA顆粒相似。同時,形貌分析顯示,當(dāng)金剛石含量為10 wt%時,基體與鈦涂層金剛石之間具有較強的界面結(jié)合,但當(dāng)金剛石含量達到15 wt%和20 wt%時,界面處出現(xiàn)孔隙和間隙。
X射線衍射(XRD)分析表明,隨著金剛石含量的增加,復(fù)合材料中主要由鋁和金剛石組成的晶相峰變得更高更尖銳,表明鋁和金剛石的晶體相增加,反映出燒結(jié)工藝較為有效。此外,α-Ti和δ-TiC的衍射峰也顯示了鈦涂層在金剛石表面涂覆的效率。
隨著金剛石含量從5%增加到20%,多孔鋁復(fù)合材料的密度從2.20 g/cm3增加到2.37 g/cm3,孔隙率從33%增加到38%。盡管使用了30 wt%的PMMA作為間隙保持劑,金剛石含量較高時,復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了更多的微孔和間隙,從而導(dǎo)致孔隙率增加,尤其是在15 wt%和20 wt%的金剛石含量下。
金剛石含量對多孔鋁復(fù)合材料的壓縮性能有顯著影響。屈服強度、平臺應(yīng)力和能量吸收能力在金剛石含量達到10 wt%時達到最高,分別為29.46 MPa、20 MPa和2.95 MJ/m3,但在超過10 wt%后,這些性能有所下降。因此,10 wt%的金剛石含量是優(yōu)化多孔鋁復(fù)合材料性能的最佳配比,兼顧了密度、孔隙率、屈服強度和能量吸收能力的平衡。
由此可見,涂層金剛石的引入以及鋁基體的合金化顯著提高了多孔鋁復(fù)合材料的壓縮強度和能量吸收能力,適用于需要優(yōu)異性能的應(yīng)用場景。