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一种氮化硼纳米管铝基复合材料,提升铝合金强度、减轻铝合金重量

发布日期:2022-08-05 作者:大连义邦科技 浏览数:233
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铝基复合材料具备高比强度、高模量、高导电性、膨胀系数小、耐磨性好、表面稳定性好和耐高温等优异性能。为满足这种对材料性能的要求,新型金属基复合材料的研究、开发和应用就显得日益重要。

 

金属基复合材料(MMCs)是由连续的金属或合金基体和增强体所构成。增强体一般都是具有高强度,高模量的非金属材料,如碳纤维,硼纤维或陶瓷材料等。不同金属及合金基体与不同增强体的优化组合,可使金属基复合材料具有各种特殊和优异的综合性能。

 

目前用作金属基复合材料基体的种类有铝基、镁基、钛基、钢基、铜基等多种,增强体主要有连续纤维、短纤维和晶须、颗粒。而其中铝基复合材料除了具备高强度、高模量等特点外,还具有密度低、重量轻、制造工艺设备相对简单、可大规模批量生产等优点。铝基复合材料作为一种区别于传统金属材料的新型材料,对于整个社会的进步都有着十分重要的作用。

 

在航空航天和军事领域有很多铝基复合材料应用的例子,比如Cercast公司采用熔模铸造工艺成功研制出了A357+20%SiC复合材料,用该材料代替钛合金制造直径达780mm,重17.3公斤的飞机摄像镜方向架,使其重量降低,导热性能提升。而纤维增强复合材料在美国也已成功应用于制造航天飞机机身框架、哈勃望远镜的长方形天线支架、发动机活塞等。

 

碳纤维因为成本相对低廉,应用最为广泛。硼纤维虽然制造成本相对较高,但其具有高弹性模量400Gpa、室温下断裂强度是2744~3430MP,与金属基体润湿性好,反应性较低的优点,因此在美国几乎全部应用于军用飞机和航天领域,如制造航天飞机的主隔板、翼肋构架支柱和管子。


氮化硼纳米管


氮化硼纳米管,其比强度是碳纤维3倍,弹性模量是硼纤维的3.25倍,室温下断裂强度是硼纤维的12倍,空气中的耐高温度高达900摄氏度,还具备优异的抗腐蚀性,用氮化硼纳米管所制成的铝基复合材料,具备更高弹性模量、更高强度,并能提升铝合金的耐高温性,且氮化硼纳米管同样具备与金属基体润湿性好,因其化学惰性较强与铝基体反应性低的优点。

 

而与碳化硅颗粒增强铝基复合材料在复合材料中占比为20%-35%相比,氮化硼纳米管在铝合金中的含量仅为0.4%,即可达到同等甚至更强的增强效果,碳化硅的密度为3.2g/cm3,氮化硼纳米管的密度为2.1g/cm3,含量低,密度小更能提升铝合金的减重效果。

 

大连义邦引入的氮化硼纳米管铝基母合金增强颗粒,已应用于国外铝基复合材料领域,尤其是汽车、航空航天以及军事等领域。  


大连义邦铝基母合金增强颗粒


该铝基母合金增强颗粒,采用氮化硼纳米管与金属铝混合,形成的铝基母合金增强颗粒复合材料,氮化硼纳米管在该复合材料中的占比为5wt%,纳米管直径60nm,长度20um,成功从微米级的增强体升级到纳米级增强体。

 

经国外ECK Industries军工企业验证,将氮化硼纳米管铝基复合材料颗粒,加入到一种先进铝合金铸件中,仅需0.4%的添加比例,即可实现铝合金机械强度70%,或同样的原始强度下,减重高达50%以上。目前该公司已将新技术,广泛应用于飞机纵向推力杆、飞机汽缸盖、防弹衣、战车机枪支架、转向节、电力汽车和混合动力汽车气缸外壳等。

 

根据实际测试反馈,同强度下实现减重,防弹背心的重量可由3公斤减少到1公斤,但防弹标准是一样的。

 

此增强产品适用于铸铝工艺,仅需在铸铝工序中的铝熔液状态下,添加其他金属和非金属元素时,将此颗粒于搅拌结束前的十分钟加入铝熔液即可,后面工序正常。

 

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