金剛石有望與多孔鋁結(jié)合成為下一代汽車工業(yè)基體材料

汽車行業(yè)推動(dòng)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(qiáng)度特性，成為該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。通過開發(fā)沖擊能量吸收能力更強(qiáng)的多孔鋁合金，能夠進(jìn)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(jìn)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(jī)械性能較傳統(tǒng)實(shí)心鋁有所降低。為此，研究人員通過在多孔鋁中引入高強(qiáng)度增強(qiáng)材料（如陶瓷和碳基材料）來提高其性能，這些增強(qiáng)材料在多孔鋁復(fù)合材料中展現(xiàn)出顯著的強(qiáng)化效果。

而金剛石作為一種碳基增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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?jiān)?，且反?yīng)性低，還能改善材料的機(jī)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(qiáng)材料均勻分布。宏觀孔隙的形狀和大小與PMMA顆粒相似。同時(shí)，形貌分析顯示，當(dāng)金剛石含量為10 wt%時(shí)，基體與鈦涂層金剛石之間具有較強(qiáng)的界面結(jié)合，但當(dāng)金剛石含量達(dá)到15 wt%和20 wt%時(shí)，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(shí)，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(qiáng)度、平臺(tái)應(yīng)力和能量吸收能力在金剛石含量達(dá)到10 wt%時(shí)達(dá)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(qiáng)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(qiáng)度和能量吸收能力，適用于需要優(yōu)異性能的應(yīng)用場景。