摘要：天问一号是我国第一个行星探测器,其核心祝融号火星车承担着星面巡视和探测重任,已圆满完成预定90个火星日的探测并进入拓展任务。火星车上使用了多种SiC颗粒增强铝基复合材料,分别满足承载结构、运动机构、探测器结构的轻量化、耐磨损、耐冲击、尺寸稳定等苛刻服役要求,用量刷新了我国航天器铝基复合材料占比记录。本文介绍了针对火星车需求的4种铝基复合材料的研发历程,尤其是性能仿真、材料成分设计与制备加工等。在此基础上,针对未来飞行器等先进装备更苛刻服役工况对材料性能的更高要求,对低成本、高效制备和快速响应的需求,介绍了基于材料基因工程思想与大科学装置的研发新模式,展望了铝基复合材料未来的发展方向。

摘要：将不同粒径(13μm和32μm)的Al粉在不同温度用粉末冶金加热挤压工艺制备出复合材料15%SiC/2009A1,用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)和电子万能试验机对其表征,研究了Al粉的粒径对其微观组织和力学性能的影响。结果表明,用小粒径Al粉在任一温度热压制备的复合材料其强塑性都优于用大粒径Al粉的材料。其原因有:一,大粒径Al粉使SiC颗粒分布不均匀;二,在用大粒径Al粉制备的复合材料中Cu、Mg元素扩散不均匀,与引入的Fe、O元素生成大尺寸难溶相;三,用大粒径Al粉制备的复合材料中SiC颗粒与铝基体的界面结合较弱(尤其是热压温度较低时),在拉伸变形过程中大量SiC颗粒与铝基体脱粘。用两种粒径Al粉制备的复合材料,随着热压温度的变化其断裂方式不同。用小粒径Al粉在不同温度热压制备的复合材料,其断裂方式均为铝基体的韧性撕裂和SiC颗粒断裂。用大粒径Al粉制备的复合材料低温热压时其断裂方式为SiC-Al界面脱粘,热压温度提高可改善界面结合,使断裂方式变为铝基体的韧性撕裂和SiC颗粒断裂。热压温度为580℃用两种粒径Al粉制备的复合材料力学性能最佳,尤其是用小粒径Al粉制备的材料其抗拉强度、屈服强度分别达到556 MPa、381 MPa,延伸率达到9.2%。

摘要：规模化应用促使金属基复合材料研发向更高强度、良好塑韧性和工艺性的方向迈进。围绕该目标,近年来的研究重点主要以多尺度强化、纳米碳材料增强以及非均质构型设计等为特点。介绍了金属基复合材料相关的研究进展,指出超细晶、超细颗粒协同强化可以获得高强度与良好塑韧性,进一步通过双尺度增强相强化可以兼顾模量等综合性能;纳米碳材料综合性能极高,对金属的强化具有高效与多样化特性;非均质构型在充分发挥纳米碳和陶瓷相的增强作用、挖掘复合材料性能极限方面体现了极高的可行性。同时也指出了这些研究面临的挑战,以及未来开展构型仿真、纳米碳-金属界面模拟研究以及发展必须的宏量制备技术的必要性。可以预见,金属基复合材料的研发已经进入新阶段,并已成为高性能材料发展的一个重要方向。

摘要：目的建立可靠的模拟方法,以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料(PRAMC)粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异,解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题,满足批量应用的需求。方法以45%(体积分数)SiCp/6092Al复合材料为研究对象,构建了能预测粉末热等静压成形过程的有限元模型。使用Gurson-Tvergard-Needleman(GTN)模型作为粉末本构模型,建立了粉末尺度的代表性体积单元(RVE)对GTN模型进行修正。结果通过对比GTN模型计算结果与实验结果,发现修正后的GTN模型能更准确地预测模型的最终变形尺寸,与修正前相比,相对误差降低了1.6%~2.9%。使用修正后的GTN模型对杯形回转体零件的热等静压成形过程进行预测,最终形状的计算结果与实验结果的相对误差仅为0.2%~3.1%,致密度分布的相对误差在0.5%以内。在探究包套厚度对热等静压过程的影响时发现,随着包套厚度的增大,热等静压过程中的屏蔽作用增强,内部粉体致密度下降。结论为PRAMC热等静压近终形制备的形状和致密度控制问题提供了有限元预测工具,辅助优化了热等静压工艺和包套设计,降低了颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形过程开发的试错成本。

摘要：铝合金及其复合材料(铝基材料)具有低密度、高导热性、高比强度和高比刚度等一系列优点,被广泛应用在航空航天、交通运输以及军工等领域。目前,铝合金及其复合材料在室温力学性能方面和微观结构设计方面的研究已经取得了一定的进展,高温力学性能方面却表现得差强人意。近年来,随着航空航天、军工以及交通运输等领域的快速发展,高强耐热铝合金及其复合材料在实际应用中的需求快速增长。本文综述了耐热铝基材料的制备方法以及应用现状,阐述了现有制备方法的特点与不足之处,指出限制材料实际应用的几点关键因素,包括制备成本问题、工艺方法问题,并分析了耐热铝基材料的强化机制。最后提出设计耐热铝基材料的重点因素,并展望了耐热铝基材料的发展趋势。

摘要：目的研究双模CNT/Al复合材料在塑性加工过程中的微观结构演变行为。方法通过ABAQUS/Python二次开发,对双模CNT/Al复合材料代表性体积单元(RVE)进行参数化建模,并基于显式动力学求解器和欧拉-拉格朗日耦合技术,对双模CNT/Al复合材料RVE模型的单向压缩过程和挤压过程进行数值模拟分析。结果单向压缩模拟结果显示,结构心部异质区两侧的等效塑性应变较大,结构边缘基体区域的等效塑性应变相对较小;最大等效应力位于结构边角处的基体区域,而结构心部异质区的等效应力则相对较小。通过对异质区材料和形态的影响规律进行分析发现,当异质区为粗晶材料时,其变形后的形态更趋于扁平,而当异质区为细晶材料时,其变形后的形态更接近椭圆。通过挤压过程的模拟,实现了对变形过程中双模组织结构变化的分析,模拟结果显示,材料表面与模具贴合良好,异质区随变形的进行被不断拉长,部分异质区由于拉伸程度过大,甚至出现了分离的情况。结论提出的模拟方法为双模CNT/Al复合材料的挤压变形工艺设计和变形后组织结构预测提供了有效手段。

摘要：从铝基复合材料微观结构特征与性能关系角度,回顾了承载结构用典型铝基复合材料在体系设计、制备与成型加工研究方面的成果与进展,同时简要介绍了近期铝基复合材料为实现性能突破所开展的研究探索,最后根据铝基复合材料的发展历程与现有研究的特点对铝基复合材料今后的研究应用进行了展望。

摘要：目的研究双模铝基复合材料连续区(Continuous Region,CR)和非连续区(Discontinuous Region,DR)力学性能对材料整体力学性能的影响规律,以深入了解双模铝基复合材料的强韧化机理。方法基于Abaqus模拟软件,以双模CNT/Al为研究对象,建立了构型尺度的代表性体积单元(RVE)模型,采用GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型来描述双模CNT/Al中CR和DR的变形力学行为,通过定义力学性能参数来简化描述CR和DR复杂的力学性能。针对双模CNT/Al的CR和DR,分别设定力学性能参数HC和HD,并进行一系列的拉伸载荷模拟,研究HC和HD对双模复合材料整体力学性能的影响规律。通过与真实双模CNT/Al的力学性能进行对比,得到双模CNT/Al中CR和DR力学性能与均匀材料力学性能的差异,最后对双模CNT/Al在变形过程中的应力分布情况和断裂后的形貌进行分析。结果当HC小于4时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而下降;当HC大于5时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而增大;双模CNT/Al的屈服强度随着HD和HC的增大而增大,延伸率随着HD和HC的增大而降低。当HD或HC一定时,在HC=HD时,模型材料的延伸率最大。典型双模CNT/Al由“粗晶铝合金+CNT/超细晶Al复合材料”构成,与均匀结构的粗晶铝合金相比,其构型中粗晶铝合金的强度显著提升、塑韧性显著下降;与均匀结构的CNT/超细晶Al相比,其构型中的CNT/超细晶Al复合材料的强度小幅降低、塑韧性小幅提升。当HD大于HC时,裂纹优先在DR产生;当HD小于HC时,裂纹优先在CR区产生;当HD和HC接近时,裂纹产生的区域更加分散。结论建立了一种双模铝基复合材料的有限元模型,从数值上说明了双模CNT/Al复合材料微区与均匀材料的力学性能存在显著差异,为双模铝基复合材料的设计提供了参考。

摘要：碳/金属复合材料是极具发展潜力的高导热热沉材料,更高性能的突破并发展近终成型是适应未来高技术领域中大功率散热需求的必由之路。本文分别从碳/金属复合材料的传热理论计算、影响热导性能的关键因素及近终成型技术的发展现状进行了综述,指出未来碳/金属复合材料高导热发展一方面需要从界面导热理论计算上取得突破,对关键参量进行理论筛选和优化;另一方面,需要综合考虑界面、增强体尺寸、含量、分布,对多个参量进行集成调控,甚至进行构型化设计,实现更高热导率的突破;最后,还要发展近终成型的制备技术,从而摆脱现有金刚石/金属为代表的碳/金属复合材料加工难度极大、成本高昂的应用困境。