SiC改性鋁基復合材料在體育器械中的應用性能分析*

李珈騏

（西安醫學院體育部，陜西西安710021）

能源問題的日益嚴峻逐漸提高工業設計、制造與應用對金屬材料性能所提的要求，基于密度低、機械性能好、兼具功能多[1]等優勢，金屬基復合材料（Metal Matrix Composites，MMCs）特別是以鋁等輕金屬為基體的復合材料現已發展為高技術領域如軍事國防、航天航空等不可或缺的輕量化結構與功能材料，且在國民經濟與高新技術領域的應用愈發廣泛。自行車骨架、網球拍、高爾夫球桿、雙體帆船交叉懸臂、滑板等都依靠人力來運動，故質量越輕越好，這推動現代化體育器械用材從傳統鋼鐵制品向密度輕、比強度高的鋁合金、鎂合金及鈦合金方向發展[2]。由于克服了鋁合金器械耐磨性不足的問題，具有高強度與高耐磨性能的鋁基復合材料在體育器材領域發展尤為迅速。

20 世紀80 年代起，國內外學者便開始圍繞顆粒增強鋁基復合材料展開一系列研究，制備工藝以粉末冶金與攪拌鑄造等為主[3]。文章采用傳統的粉末冶金方法，將霧化制得的鋁合金粉體作為基體，SiC 顆粒作為增強相，進行應用于體育器材中的顆粒增強鋁基復合材料的制備，并分析顆粒尺寸與體積分數對材料應用性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用基體材料為霧化制得的國標6061 鋁合金粉體，顆粒平均粒度為40μm，表1 所示為其材料成分。另外，通過對強度、硬度與熱膨脹系數的綜合考慮，采用SiC 作為復合材料增強相，平均粒徑尺寸分別為5μm、15μm、35μm 與50μm，基本物理性能亦如表1 所示。

表1 基體材料與增強相屬性Table 1 Properties of basis material and wild phase

1.2 制備流程

采用傳統粉末冶金方法（P/M）[4]進行SiC 增強鋁基復合材料的制備。具體地，根據體積分數稱取適量基體粉末與不同規格的增強相粉末，對它們進行混粉處理，經過冷壓成型、燒結以及熱壓成型等完成體育器械用復合材料試樣的制取工作，并對材料性能進行測試，圖1所示為復合材料制備流程。

圖1 SiC 增強鋁基復合材料制備工藝流程圖Fig.1 The flow diagram of SiC particle reinforced aluminum matrix composites preparation technology

（1）混粉。混粉方法會影響顆粒分布的均勻性，進而對復合材料的性能產生影響。采用Y 型混料機混粉，球料比為5:1，混粉時間為8h。

（2）冷壓成型。將粉體放入冷壓模中，施壓制成坯料。壓制設備選用YB32-100A 型液壓機。

（3）燒結。在低于主要組分熔點溫度下，通過原子遷移實現粉末（或壓坯）顆粒間的聯結。選用加熱精度為±1℃的自制管式燒結爐，爐內通入氬氣施以保護。

（4）熱擠壓。聯合擠壓加工與粉末冶金制坯兩種方法（PME 法），可將壞料致密度提高，優化其性能，得到高質量PRMMCs 毛坯。試驗先加熱保溫20min（490℃），之后采用正擠壓方法，YN32-100A 型液壓機執行熱擠壓操作。

（5）熱處理。采用固溶處理+ 時效處理（T6）方式進行熱處理，固溶溫度為530℃，保溫2h，之后設置溫度為175℃進行時效處理，再保溫6h，隨爐冷卻至室溫。

1.3 性能測試

采用標準阿基米德方法對制成的SiC 增強鋁基復合材料的密度進行測量，并分別用電子天平與游標卡尺測量其質量與邊長，根據邊長計算體積V，求得密度

根據GB6397-86《金屬拉伸實驗試樣》將SiC 增強鋁基復合材料制成拉伸試樣，直徑與長度分別為6mm 與40mm，并用萬能材料試驗機對其作拉伸試驗。在各試樣上分別打6 個點，利用布氏硬度計測量各個點的硬度，求得平均值，作為材料的布氏硬度。

2 試驗結果

2.1 顆粒尺寸影響試驗結果

采用體積分數都是20%，平均粒徑尺寸分別為5μm、15μm、3μm5 與50μm 的增強相 SiC 顆粒所制得的顆粒增強鋁基復合材料，對其密度與力學性能進行測量，得到表2 所示結果。

表2 不同粒徑SiC 制得的體育器材用復合材料性能表現Table 2 Sport equipments composite performance with different sizes of SiC

由表2 看出，SiC 增強鋁基復合材料的密度隨著SiC顆粒粒徑變大呈現出先增大后減小的變化趨勢，在SiC粒徑為35μm 時達到最大密度，為2.77g/cm3；比強度、抗拉強度與硬度均隨著SiC 顆粒粒徑變大逐漸減小。

2.2 體積分數影響試驗結果

選用平均粒徑為5μm 的SiC 顆粒，研究體積分數變化時顆粒增強鋁基復合材料的密度與力學性能變化情況，得到表3 所示結果。

表3 不同體積分數SiC 制得的體育器材用復合材料性能表現Table 3 Sport equipments composite performance with different volume fraction of SiC

由表3 看出，SiC 增強鋁基復合材料的抗拉強度與比強度均隨著SiC 體積分數變大呈現出先增大后減小的變化趨勢，且都在體積分數為15% 時達到最大值，分別為541MPa 與20.5N·m/kg；密度隨著SiC 體積分數而變大逐而漸減小；硬度則隨著SiC 體積分數的不斷變大逐漸增加。

3 試驗結果分析

3.1 顆粒尺寸對體育器材用顆粒增強鋁基復合材料的影響

增強相顆粒在基體中的分散性會對復合材料的密度產生很大的影響。Bhanu 等[5]指出，基體粒徑同增強相粒徑之間的比值（PSR）會改變增強相的分布均勻性，若PSR 與1 相近，則SiC 顆粒在鋁合金基體中的分布會比較均勻，可保證微觀組織的致密性。若增強相與基體粒徑相差比較大，SiC 顆粒同鋁基體之間結合界面的面積會比較小，均勻分布難度會較大，此時SiC 顆粒容易出現團聚現象，大塊硅顆粒會造成材料孔隙或疏松，進而對材料致密性產生影響[6]。

SiC 顆粒尺寸減小能將體育器材用SiC 鋁基復合材料的力學性能優化，原因在于增強相粒徑的減小可將顆粒間的距離縮小，這會增大復合材料的界面面積，使更多的載荷由基體傳至SiC 顆粒[7]，同時，基體在出現形變之時的位錯阻力也會更大，由此發揮較好的強化效果；而尺寸較大的SiC 顆粒會同基體有較大面積的接觸，在擠壓或拉伸變形中的應力相對集中，容易發生斷裂現象，這也是復合材料抗拉強度與屈服強度隨SiC 粒徑變大而逐漸降低的原因。

抗拉強度與密度兩者的比值決定復合材料比強度的大小，根據表2，SiC 鋁基復合材料的抗拉強度隨SiC 顆粒尺寸的增大而減小（密度先增大后減小），由此，復合材料的比強度也會隨SiC 顆粒尺寸的增大而減小。在體育器材方面，比強度這一指標十分重要，在同樣性能條件下，比強度越大，體育器材的重量越小，運動人員的負擔也會越小，以此為視角，粒徑為5μm 的SiC 最適合作為增強相進行體育器材用鋁基復合材料的制備。

對于體育器材而言，材料的硬度也非常重要，表2所示SiC 增強鋁基復合材料的硬度隨SiC 顆粒尺寸增加而減少，原因在于小尺寸顆粒的界面結合面積較大，可更多地將基體載荷向SiC 傳遞。另外，大顆粒復合材料有較高的延伸率，抵抗壓痕變形的性能會比較弱，因此，5μm SiC 制得的復合材料硬度最大為75HB，對于多數體育器材而言是適用的。

3.2 體積分數對體育器材用顆粒增強鋁基復合材料的影響

采用粉末冶金法進行燒結處理時溫度一般都不高，不容易發生界面反應。與SiC 顆粒加入量的不斷增加相伴隨，部分SiC 顆粒會有團聚現象出現，對它們進行擠壓，壓實難度比較大，這會引起材料中孔洞問題出現，由此使材料密度減小。在沒有摻入SiC 顆粒時，鋁合金基體的抗拉強度為407HB，對應的比強度為14.6N·m/kg。而在SiC 顆粒摻加量不斷增加的過程中，抗拉強度與比強度均呈現出先上升后降低的變化趨勢，究其原因，主要在于SiC 顆粒會對鋁基復合材料產生兩方面的增強作用：（1）顆粒增強；（2）界面增強。在SiC 顆粒摻入量還比較少之時，SiC 顆粒同基體的界面也不會大，這時發揮的界面增強作用相對較弱，以顆粒增強作用的發揮為主，因而會在一定程度上增加抗拉強度與比強度；當SiC 顆粒摻入量不斷增加并達到一定量時，顆粒增強與界面增強作用均發揮出來，在體積分數為15%時，復合材料的抗拉強度與比強度均上升至最大值；若進一步將SiC 顆粒的摻入量增加，會加大SiC 顆粒發生團聚現象的可能性，此時，復合材料內部又會有孔洞出現，這既無法為基體分擔載荷，還存在成為斷裂源的可能，將斷裂速度加快，進而使SiC 增強鋁基復合材料的抗拉強度與比強度減小。增強相與基體兩者的性能共同決定復合材料硬度的大小，SiC 的硬度通常都比較高，故與SiC 顆粒含量的增加相伴隨，SiC 增強鋁基復合材料的硬度也會逐漸增加。此外，由于加入SiC 顆粒，復合材料中還會有增強相同基體之間的界面生成，這些界面會對位錯運動產生抑制作用，以此增大變形抗力，在宏觀層面以硬度的增加為表現形式。

4 結論

基于同時具備鋁合金與復合增強體各自優勢的特點，鋁基復合材料相較于單一材料綜合性能更好。目前，該材料吸引了國內外很多科研人員及相關工程技術人員的興趣，他們對此展開了一系列研究，并取得了較為豐富的研究成果[8-9]。現階段，航空、航天、汽車與光學儀器等領域均對鋁基復合材料有較多的應用，在體育器材方面，鋁基復合材料同樣展示出獨特優勢，應用也較為廣泛[10]。文章研究了SiC 增強鋁基復合材料的制備及其在體育器材領域的應用性能，得到以下結論：

（1）SiC 增強鋁基復合材料的比強度、抗拉強度與硬度均隨著SiC 顆粒粒徑的變大逐漸減小。

（2）SiC 增強鋁基復合材料的抗拉強度與比強度均在SiC 體積分數為15% 時達到最大值；硬度隨著SiC 體積分數的變大逐漸增加。

（3）粒徑為5μm 的SiC 最適合作為增強相進行體育器材用鋁基復合材料的制備。