金属/CFRP异种材料连接技术的研究进展及界面结合机理分析

碳纤维复合材料(CFRP)具有质轻高强、高模量和低膨胀优势，在“陆海空天”等领域应用潜力和需求极大.其中热塑性碳纤维复合材料(CFRTP)近年来快速发展，CFRP和CFRTP与金属结构件的连接技术受到国内外学者和工业界的广泛关注.文中综述了金属材料与CFRP连接的主要技术及界面的结合机理；对比分析了不同连接工艺的成形原理，总结了金属与CFRP连接界面的不同作用效果；结合发展现状及未来工程应用需求，对金属/CFRP高质量连接技术瓶颈的突破方向进行了展望.     

碳/金属复合材料界面结构优化及界面作用机制的研究进展

依赖于增强相的界面效应和尺寸效应,金属基复合材料不断向综合性能优异的方向发展。由于界面结构对金属基复合材料最终的综合性能起决定性作用,故通过工艺设计实现界面结构的优化成为金属基复合材料的重要研究方向。碳材料(金刚石、碳纳米管和石墨烯等)由于具有优异的本征力学与功能特性,作为金属基复合材料的增强相近年来受到研究者的广泛关注。本文总结了近年来碳/金属复合材料界面结构的不同优化手段,讨论了不同界面结构对碳/金属复合材料结构和功能性能的作用机制,并对未来碳/金属复合材料的界面研究方向进行了展望。     

高导热金刚石/铜复合材料的导热研究进展

金刚石/铜复合材料具有密度低、热导率高及热膨胀系数可调等优点,且与新一代芯片具有良好的热匹配性能,因此其在高热流密度电子封装领域具有非常广泛的应用前景。然而由于金刚石与铜界面润湿性差,界面热阻高,导致材料热导率比铜还低,限制了其应用。为了改善其界面润湿性,国内外通过在金刚石表面金属化或对铜基体预合金化等手段来修饰复合材料界面,以提高金刚石/铜复合材料的热导率。本文综述了表面改性、导热模型相关的界面理论以及有限元模拟的研究进展,讨论了制备工艺、导热模型和未来发展的关键方向,总结了金刚石添加量、颗粒尺寸等制备参数对其微观组织结构和导热性能的影响规律。     

体积分数和烧结温度对(AlSiTiCrNiCu)p/6061Al复合材料的热导率的影响

高熵合金具有高硬度、高强度、耐磨、耐腐蚀、高温热稳定等优异性能,源于金属-金属间天然的界面结合特性,高熵合金与铝合金有良好的界面润湿性。本文采用AlSiTiCrNiCu高熵合金颗粒作为增强相增强铝合金,研究高熵合金体积分数与烧结温度对复合材料导热性能的影响。结果表明,(AlSiTiCrNiCu)p/6061Al复合材料的导热率随着AlSiTiCrNiCu颗粒体积分数的增大而降低,20 vol.% (AlSiTiCrNiCu)p/6061Al复合材料的导热率为61.59 W/(m?K),相比于基体6061Al合金降低了52 %。当体积分数为10%时,随着烧结温度的升高,复合材料的导热率降低,烧结温度为540℃时,复合材料的导热率为65.80 W/(m?K)。TEM分析,高熵合金与铝合金的界面为扩散性界面,没有发生界面发应,有助于导热率的降低。     

锡铋/石墨烯复合材料的导热理论研究

石墨烯的尺寸会影响其导热性能,而复合材料的界面热导率也会影响石墨烯的导热增强作用,因此,制备高导热石墨烯复合材料时需要同时找到合适的石墨烯尺寸以及界面传热系数,以保证复合材料的导热效果。以锡铋/石墨烯复合材料为研究对象,基于有效平均场分析模型,研究了导热效果较好的石墨烯尺寸以及有利于锡铋/石墨烯复合材料热导率提升的界面传热系数范围。这为制备高导热的锡铋/石墨烯复合材料提供了一定的理论依据。     

铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术研究进展

铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术具有能量密度高、升温和冷却速度快、熔化位置控制精确、焊后变形小、自动化程度高等优势，特别适用于汽车制造行业。从铝合金与钢界面润湿铺展、界面微观调控、熔钎焊接头性能评价三个方面对国内外铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术的研究成果进行了综述，重点介绍了金属镀层、钎剂、母材热场对铝合金与钢激光熔钎焊过程中的界面润湿铺展的影响，归纳了界面热场、辅助能场、坡口面角度、合金元素对铝合金与钢激光熔钎焊过程中的界面微观调控作用，总结了铝合金与钢激光熔钎焊接头性能的评价方法。并指出优质、高效、高可靠的铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术仍需要解决以下四方面的问题：钢母材表面钎料润湿铺展的精准可控；铝合金/钢激光熔钎焊界面反应的精确可调；铝合金/钢激光熔钎焊接头的高强韧设计；铝合金/钢熔钎焊接头性能的可靠性评价。     

金刚石/Cu复合界面导热改性及其纳米化研究进展

金刚石/Cu复合材料以其高导热、低膨胀、耐热、耐蚀等优异特性,在热管理领域具有广泛的应用前景。但金刚石/Cu复合界面不相容限制了其性能水平。界面改性设计是改善界面结合、降低界面热阻的有效途径。本文以金刚石/Cu界面改性层的设计原理与主要因素为切入点,简述了金刚石/Cu复合材料界面设计的主要研究进展、存在的关键问题以及界面层厚小于200 nm的界面纳米化设计等几个方面的研究热点,并对其未来界面工程纳米化发展趋势予以展望。     

金属注射成型技术及其在不锈钢制品中的应用

在“碳达峰、碳中和”大背景下，工业领域要推进绿色制造，金属注射成型作为近净成形技术而倍受关注。介绍了金属注射成型技术的工艺过程，对比传统的切削加工、挤压、精密铸造、热锻等加工方法，分析了金属注射成型工艺优势。在材料利用率方面，金属注射成型可达98%，比切削加工高约50%；在能耗方面，金属注射成型每加工1 kg重量零件需要消耗29MJ能量，远低于切削加工的66 MJ；在设计自由度方面，金属注射成型可以像注塑成型一样，加工各种复杂结构零件，优于其他金属加工工艺；在加工精度方面，金属注射成型零件线性尺寸公差可控制在±0.05μm，粗糙度可达Ra0.8～1.6μm，优于精密铸造。并讲述了注射成型不锈钢制品在3C产品领域、汽车制造领域、医疗器械领域的应用，着重介绍了在电网二次插箱结构件中的应用。     

高导热金刚石/铜复合材料研究进展

金刚石 / 铜复合材料兼具低密度、高导热率数和可调热膨胀系数等优点,近年来成为新一代热管理材料的研究重点。 通过理论、试验及模拟三个方向对金刚石 / 铜复合材料进行综述。回顾金刚石 / 铜复合材料的发展历程,总结金刚石 / 铜复合材料重要的颗粒混合理论模型及“三明治”复合结构经验公式,研究影响热导率和热膨胀系数等两大热学性能指标的重要因素,简述有限元模拟在金刚石 / 铜复合材料中的相关应用。其中,重点分析界面改性(活性改性元素种类和改性层厚度)对金刚石 / 铜复合材料导热性的影响。结果表明,通过界面改性、增加接触面积以及在较高温度和压力机制驱动下制备的金刚石 / 铜复合材料具有优异的热物理性能。最后由所得结论提出双峰金刚石、渗碳、大尺寸金刚石自支撑膜表面织构化等方法, 可用来提升金刚石 / 铜复合材料界面结合强度和散热性能。     

含孔隙及界面热阻的复合材料有效导热系数

以最小热阻力法则及比等效导热系数法,通过修正串-并联模型,建立含界面热阻的固-固相复合材料等效导热模型,将固-固相复合材料转换为导热系数为等效热导率的单相固体材料,再利用含孔隙的单相材料导热系数模型推导含孔隙和界面热阻的复合材料有效导热系数。计算含孔隙及界面热阻的复合材料的有效导热系数并讨论气孔、分散相的含量及颗粒尺寸对其有效热导率的影响。将有效导热系数的理论值与相关实验数据进行比较。结果表明两者吻合较好,证明公式的准确性。     

镀硼金刚石-金属基复合材料的制备及其性能研究

为了得到高导热、高结合力的金刚石-金属基复合材料,解决金刚石与金属之间浸润性差的关键问题,本文首先通过高温盐浴法对金刚石粉体表面进行硼改性处理,然后将金刚石粉体与金属粉体通过真空热压制备得到改性后的金刚石-金属基复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM),能谱仪(EDS),排水法密度测试仪,激光热导仪(LFA),热膨胀系数测定仪,X射线衍射仪(XRD)一系列的方法分别探究了镀硼对材料的形貌,元素种类,复合材料的密度,热导性能,热膨胀系数和物相成分的影响。结果表明,金刚石粉体经硼化处理后,制备得到的金刚石-金属基复合材料界面粘结能力强,界面层与层之间为化学键结合。相比未前处理过的金刚石压制得到的复合材料,表现出高导热、高结合力的优异性能。镀硼金刚石-铝复合材料无水解性Al4C3生成,且材料热导率达到560 W/(m·K)。     

Pb,Zn和Al在熔点附近的导热系数测试

采用数值方法模拟金属的相变过程、得到了一系列不同热系数下的相界面移动，将实测是面移动曲线与理论相界面移动曲线相对比，以此确定被测金属在熔点温度下的导热系数，用此方法测试了Ｐｂ，Ｚｎ和Ａｌ三种金属的导热系数，所得结果与文献数据吻合较好，一雇中用于测量熔点介于Ｐｂ、Ａｌ之间的金属在熔点导热系数。     

变形温度对不锈钢复合近界面特征和协调变形的影响

为适应混凝土结构以提高建筑物长寿命要求，迫切需要制备一种具有耐蚀性、耐候性的建筑用材。不锈钢/碳钢复合材料完全满足复杂腐蚀环境的苛刻要求，还可以有效降低经济成本。本文基于Gleeble-3800热模拟机对不锈钢/碳钢复合材料进行高温压缩实验，研究温度950～1 150℃,应变速率0.1 s^-1、1 s^-1条件下近界面微观组织演变规律、近界面孔洞及过渡层特征；基于电子背散射衍射技术(EBSD),对不同温度和应变速率条件下的双金属变形协调性进行了研究。结果表明，当应变速率为1 s^-1,温度为1 100℃,近界面不锈钢侧和碳钢侧晶粒计算平均尺寸分别为11.38μm和13.54μm,再结晶晶粒体积分数分别为31.2%和39.3%;界面两侧晶粒发生动态再结晶比例相当，协调变形最佳。     

铝/镍层状复合材料研究进展

近几十年来,铝/镍层状复合材料作为一种质轻高强、耐高温、耐腐蚀且能量密度高的新型复合材料,已经成为金属层状复合材料的研究热点之一,在高温结构材料、电池制造和武器装备等领域有着广阔的前景.综述了铝/镍层状复合材料的发展背景及现状,从热力学和动力学两方面分析了复合界面处不同种类铝/镍系金属间化合物的形成规律;讨论了铝/镍层...     

镁及其合金导热研究进展

本文简要回顾了国内外镁合金导热行为和导热机制的研究工作，梳理了影响镁合金导热的因素，如固溶原子、变形和温度等。在此基础上，归纳总结了高导热镁合金的发展，并讨论了导热与力学性能之间的倒置关系，最后提出高导热镁合金的设计思路和发展方向。主要结论如下：固溶原子会导致晶格畸变而降低镁合金热导率，与其化合价、原子半径和原子核额外电子有关；第二相与Mg基体的界面会对电子运动产生阻碍作用，进而削弱热导性能，具体与其形貌、尺寸、分布和含量相关；对于变形镁合金，沿径向或法向方向的导热性能往往优于挤压或轧制方向；温度是影响镁合金热导率的重要因素，在不同的温度区间内，热导率的主要散射机制不同，一般需要对各温度区间分开讨论。未来关于导热镁合金的研究仍有必要继续深入，可以重点聚焦于以下方面：镁合金显微组织与其导热性能的关系量化；多元镁合金的导热行为及其导热模型的建立；高导热镁合金成分设计与组织控制；镁合金导热行为的物理本质探究。     

铝基复合材料凝固与成形一体化技术

针对铝基复合材料塑性成形困难、增强相与基体金属界面相容性差的问题,提出铝基复合材料凝固与成形一体化技术,实现了铝基复合材料管材、线材和型材的连续近终形成形,并改善粒子相与铝界面相容性和强化作用,达到短流程,低能耗成形的目的.研究了铝基复合材料连续凝固与成形过程的组织演化规律和制品性能,优化了凝固成形条件.     

高导热高绝缘导热硅脂的制备及性能表征

高导热硅脂作为一种热界面材料,可以显著地减小因接触空隙而产生的热阻,提高散热效果。通过采用自制的氮化硅、氮化铝、氧化铝等陶瓷粉体来代替传统的金属粉体作为导热填料,制备出高绝缘高导热的导热硅脂。研究了陶瓷粉体种类、添加量以及表面改性剂对导热硅脂热导率的影响规律。采用热阻测试仪、AMD、Inter主板测试平台、耐压测试仪等表征了导热硅脂的导热和绝缘性能。并对实验结果进行了理论分析。     

SCS—6 SiC／Ti2AlNb复合材料的界面反应及机理

运用量子化学计算理论，求出了有关化合物的热化学参数，并根据有关热力学模型，计算了金属间化合物Ti2AlNb中元素的活度，由此计算了SCS－6 SiC长纤维增强Ti2AlNb金属间化合物复合材料界面反应的Gibbs函数变值△rG,用△rG判据推测了界面反应产物并与透射电镜实验结果进行了对比分析。研究表明，由于Ti2AlNb中原子结合力较Ti3Al强，因而SCS－6 SiC/Ti2AlNb复合材料的界面反应较SCS－6 SiC/Ti3Al轻。反应初期形成晶粒非常细上的TiC,Ti5Si3,晶粒较大的TiC和Ti3Si是由于元素扩散和反应所形成。在对复合材料的热暴露中，这些反应产物均进一步长大，并由于反应Ti3Al C→Ti3AlC，在Ti2AlNb基体中形成一些三元反应产物Ti3AlC晶粒。     

基体碳对C/CF/Cu复合材料的影响

采用树脂碳化和碳气相沉积相结合的方法制备了碳/碳纤维(C/CF)先驱丝,用压力浸渗凝固成型方法制备了碳/碳纤维/铜(C/CF/Cu)复合材料,借助于扫描电镜下复合材料界面和相分布观察以及显微硬度和滑动摩擦磨损测试,探讨了基体碳(树脂碳化碳和沉积碳)对C/CF/Cu复合材料成型、显微硬度及摩擦磨损的影响.结果表明,碳化和碳气相沉积处理的C/CF先驱丝相对致密并阻碍铜液的压力浸渗成型,但该先驱丝硬度高于碳化处理的C/CF先驱丝.碳化和碳气相沉积处理的C/CF/Cu复合材料滑动摩擦磨损耐磨性高于纯铜,而且滑动摩擦系数也高于纯铜.C/CF/Cu复合材料是一种具有摩阻功能的复合材料.     

C/CF/Cu复合材料界面和抗拉强度研究

采用树脂碳化方法制备了碳/碳纤维(C/CF)先驱丝,用压力浸渗凝固成型方法制备了碳/碳纤维/铜(C/CF/Cu)复合材料,借助抗拉强度测试及扫描电镜下复合材料界面和相组成物分布观察,探讨了C、CF和Cu三组元复合界面特性以及碳纤维丝类型和C/CF先驱丝体积分数对C/CF/Cu复合材料抗拉强度的影响.结果表明,C/CF/Cu复合材料的微观界面是碳纤维单丝-树脂碳化碳-铜双复合界面,此界面属于无化学反应的弱复合界面,铜对C/CF先驱丝的机械锁紧力是提高界面强度和复合材料强度的关键因素.当凝固成型压力为28.5MPa时,1k碳纤维丝的C/CF先驱丝体积分数为25%和3k碳纤维丝的C/CF先驱丝体积分数为44.7%的复合材料的抗拉强度达到较高值,分别为595MPa和587MPa,均为纯铜抗拉强度的3倍以上.3k丝制成的一次C/CF先驱丝内碳纤维丝的数量较多,影响复合材料的界面强度,而选用1k碳纤维丝比较有利.