SiC改性铝基复合材料在体育器械中的应用性能分析*

李珈骐

（西安医学院体育部，陕西西安710021）

能源问题的日益严峻逐渐提高工业设计、制造与应用对金属材料性能所提的要求，基于密度低、机械性能好、兼具功能多[1]等优势，金属基复合材料（Metal Matrix Composites，MMCs）特别是以铝等轻金属为基体的复合材料现已发展为高技术领域如军事国防、航天航空等不可或缺的轻量化结构与功能材料，且在国民经济与高新技术领域的应用愈发广泛。自行车骨架、网球拍、高尔夫球杆、双体帆船交叉悬臂、滑板等都依靠人力来运动，故质量越轻越好，这推动现代化体育器械用材从传统钢铁制品向密度轻、比强度高的铝合金、镁合金及钛合金方向发展[2]。由于克服了铝合金器械耐磨性不足的问题，具有高强度与高耐磨性能的铝基复合材料在体育器材领域发展尤为迅速。

20 世纪80 年代起，国内外学者便开始围绕颗粒增强铝基复合材料展开一系列研究，制备工艺以粉末冶金与搅拌铸造等为主[3]。文章采用传统的粉末冶金方法，将雾化制得的铝合金粉体作为基体，SiC 颗粒作为增强相，进行应用于体育器材中的颗粒增强铝基复合材料的制备，并分析颗粒尺寸与体积分数对材料应用性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用基体材料为雾化制得的国标6061 铝合金粉体，颗粒平均粒度为40μm，表1 所示为其材料成分。另外，通过对强度、硬度与热膨胀系数的综合考虑，采用SiC 作为复合材料增强相，平均粒径尺寸分别为5μm、15μm、35μm 与50μm，基本物理性能亦如表1 所示。

表1 基体材料与增强相属性Table 1 Properties of basis material and wild phase

1.2 制备流程

采用传统粉末冶金方法（P/M）[4]进行SiC 增强铝基复合材料的制备。具体地，根据体积分数称取适量基体粉末与不同规格的增强相粉末，对它们进行混粉处理，经过冷压成型、烧结以及热压成型等完成体育器械用复合材料试样的制取工作，并对材料性能进行测试，图1所示为复合材料制备流程。

图1 SiC 增强铝基复合材料制备工艺流程图Fig.1 The flow diagram of SiC particle reinforced aluminum matrix composites preparation technology

（1）混粉。混粉方法会影响颗粒分布的均匀性，进而对复合材料的性能产生影响。采用Y 型混料机混粉，球料比为5:1，混粉时间为8h。

（2）冷压成型。将粉体放入冷压模中，施压制成坯料。压制设备选用YB32-100A 型液压机。

（3）烧结。在低于主要组分熔点温度下，通过原子迁移实现粉末（或压坯）颗粒间的联结。选用加热精度为±1℃的自制管式烧结炉，炉内通入氩气施以保护。

（4）热挤压。联合挤压加工与粉末冶金制坯两种方法（PME 法），可将坏料致密度提高，优化其性能，得到高质量PRMMCs 毛坯。试验先加热保温20min（490℃），之后采用正挤压方法，YN32-100A 型液压机执行热挤压操作。

（5）热处理。采用固溶处理+ 时效处理（T6）方式进行热处理，固溶温度为530℃，保温2h，之后设置温度为175℃进行时效处理，再保温6h，随炉冷却至室温。

1.3 性能测试

采用标准阿基米德方法对制成的SiC 增强铝基复合材料的密度进行测量，并分别用电子天平与游标卡尺测量其质量与边长，根据边长计算体积V，求得密度

根据GB6397-86《金属拉伸实验试样》将SiC 增强铝基复合材料制成拉伸试样，直径与长度分别为6mm 与40mm，并用万能材料试验机对其作拉伸试验。在各试样上分别打6 个点，利用布氏硬度计测量各个点的硬度，求得平均值，作为材料的布氏硬度。

2 试验结果

2.1 颗粒尺寸影响试验结果

采用体积分数都是20%，平均粒径尺寸分别为5μm、15μm、3μm5 与50μm 的增强相 SiC 颗粒所制得的颗粒增强铝基复合材料，对其密度与力学性能进行测量，得到表2 所示结果。

表2 不同粒径SiC 制得的体育器材用复合材料性能表现Table 2 Sport equipments composite performance with different sizes of SiC

由表2 看出，SiC 增强铝基复合材料的密度随着SiC颗粒粒径变大呈现出先增大后减小的变化趋势，在SiC粒径为35μm 时达到最大密度，为2.77g/cm3；比强度、抗拉强度与硬度均随着SiC 颗粒粒径变大逐渐减小。

2.2 体积分数影响试验结果

选用平均粒径为5μm 的SiC 颗粒，研究体积分数变化时颗粒增强铝基复合材料的密度与力学性能变化情况，得到表3 所示结果。

表3 不同体积分数SiC 制得的体育器材用复合材料性能表现Table 3 Sport equipments composite performance with different volume fraction of SiC

由表3 看出，SiC 增强铝基复合材料的抗拉强度与比强度均随着SiC 体积分数变大呈现出先增大后减小的变化趋势，且都在体积分数为15% 时达到最大值，分别为541MPa 与20.5N·m/kg；密度随着SiC 体积分数而变大逐而渐减小；硬度则随着SiC 体积分数的不断变大逐渐增加。

3 试验结果分析

3.1 颗粒尺寸对体育器材用颗粒增强铝基复合材料的影响

增强相颗粒在基体中的分散性会对复合材料的密度产生很大的影响。Bhanu 等[5]指出，基体粒径同增强相粒径之间的比值（PSR）会改变增强相的分布均匀性，若PSR 与1 相近，则SiC 颗粒在铝合金基体中的分布会比较均匀，可保证微观组织的致密性。若增强相与基体粒径相差比较大，SiC 颗粒同铝基体之间结合界面的面积会比较小，均匀分布难度会较大，此时SiC 颗粒容易出现团聚现象，大块硅颗粒会造成材料孔隙或疏松，进而对材料致密性产生影响[6]。

SiC 颗粒尺寸减小能将体育器材用SiC 铝基复合材料的力学性能优化，原因在于增强相粒径的减小可将颗粒间的距离缩小，这会增大复合材料的界面面积，使更多的载荷由基体传至SiC 颗粒[7]，同时，基体在出现形变之时的位错阻力也会更大，由此发挥较好的强化效果；而尺寸较大的SiC 颗粒会同基体有较大面积的接触，在挤压或拉伸变形中的应力相对集中，容易发生断裂现象，这也是复合材料抗拉强度与屈服强度随SiC 粒径变大而逐渐降低的原因。

抗拉强度与密度两者的比值决定复合材料比强度的大小，根据表2，SiC 铝基复合材料的抗拉强度随SiC 颗粒尺寸的增大而减小（密度先增大后减小），由此，复合材料的比强度也会随SiC 颗粒尺寸的增大而减小。在体育器材方面，比强度这一指标十分重要，在同样性能条件下，比强度越大，体育器材的重量越小，运动人员的负担也会越小，以此为视角，粒径为5μm 的SiC 最适合作为增强相进行体育器材用铝基复合材料的制备。

对于体育器材而言，材料的硬度也非常重要，表2所示SiC 增强铝基复合材料的硬度随SiC 颗粒尺寸增加而减少，原因在于小尺寸颗粒的界面结合面积较大，可更多地将基体载荷向SiC 传递。另外，大颗粒复合材料有较高的延伸率，抵抗压痕变形的性能会比较弱，因此，5μm SiC 制得的复合材料硬度最大为75HB，对于多数体育器材而言是适用的。

3.2 体积分数对体育器材用颗粒增强铝基复合材料的影响

采用粉末冶金法进行烧结处理时温度一般都不高，不容易发生界面反应。与SiC 颗粒加入量的不断增加相伴随，部分SiC 颗粒会有团聚现象出现，对它们进行挤压，压实难度比较大，这会引起材料中孔洞问题出现，由此使材料密度减小。在没有掺入SiC 颗粒时，铝合金基体的抗拉强度为407HB，对应的比强度为14.6N·m/kg。而在SiC 颗粒掺加量不断增加的过程中，抗拉强度与比强度均呈现出先上升后降低的变化趋势，究其原因，主要在于SiC 颗粒会对铝基复合材料产生两方面的增强作用：（1）颗粒增强；（2）界面增强。在SiC 颗粒掺入量还比较少之时，SiC 颗粒同基体的界面也不会大，这时发挥的界面增强作用相对较弱，以颗粒增强作用的发挥为主，因而会在一定程度上增加抗拉强度与比强度；当SiC 颗粒掺入量不断增加并达到一定量时，颗粒增强与界面增强作用均发挥出来，在体积分数为15%时，复合材料的抗拉强度与比强度均上升至最大值；若进一步将SiC 颗粒的掺入量增加，会加大SiC 颗粒发生团聚现象的可能性，此时，复合材料内部又会有孔洞出现，这既无法为基体分担载荷，还存在成为断裂源的可能，将断裂速度加快，进而使SiC 增强铝基复合材料的抗拉强度与比强度减小。增强相与基体两者的性能共同决定复合材料硬度的大小，SiC 的硬度通常都比较高，故与SiC 颗粒含量的增加相伴随，SiC 增强铝基复合材料的硬度也会逐渐增加。此外，由于加入SiC 颗粒，复合材料中还会有增强相同基体之间的界面生成，这些界面会对位错运动产生抑制作用，以此增大变形抗力，在宏观层面以硬度的增加为表现形式。

4 结论

基于同时具备铝合金与复合增强体各自优势的特点，铝基复合材料相较于单一材料综合性能更好。目前，该材料吸引了国内外很多科研人员及相关工程技术人员的兴趣，他们对此展开了一系列研究，并取得了较为丰富的研究成果[8-9]。现阶段，航空、航天、汽车与光学仪器等领域均对铝基复合材料有较多的应用，在体育器材方面，铝基复合材料同样展示出独特优势，应用也较为广泛[10]。文章研究了SiC 增强铝基复合材料的制备及其在体育器材领域的应用性能，得到以下结论：

（1）SiC 增强铝基复合材料的比强度、抗拉强度与硬度均随着SiC 颗粒粒径的变大逐渐减小。

（2）SiC 增强铝基复合材料的抗拉强度与比强度均在SiC 体积分数为15% 时达到最大值；硬度随着SiC 体积分数的变大逐渐增加。

（3）粒径为5μm 的SiC 最适合作为增强相进行体育器材用铝基复合材料的制备。