在本研究中，研究人员采用微波烧结和热挤压工艺相结合的方法合成了Al-BiSn复合材料。他们研究了结构、形态、力学和热性能，以阐明Bi60Sn40(BiSn)合金含量(5、10和15wt.%)对Al-BiSn复合材料性能的改性作用。X射线衍射(XRD)图案证实了铝和BiSn颗粒的存在。与能量色散X射线分析（FE-SEM-EDX）相关联的场发射扫描电子显微镜证实了BiSn颗粒在Al-BiSn复合材料中的分布。结果表明，热挤压的Al-(15 wt.% BiSn)复合材料表现出大的硬度(78±4 Hv)和拉伸强度(185±3 MPa)，与纯Al相比，分别提高了117%和58%。这种力学性能的改善可归因于BiSn颗粒的强化作用。随着BiSn颗粒量的增加，热膨胀系数(CTE)值的下降，反映了所研制的Al-BiSn复合材料的热稳定性增强。Al-BiSn复合材料的良好性能使其适用于许多工业应用。

　　在过去的几十年里，人们对具有优异机械性能的轻质材料的需求得到了全研究人员的高度关注。由于轻质材料与传统材料相比具有优越的性能，因此广泛的研究都集中在开发轻质材料上。在各种复合材料中，金属基复合材料(MMC)在汽车、国防、船舶和航空航天领域得到了广泛的关注。铝金属基复合材料(AMMCs)以其高性能著称，由于其具有较高的强度重量比、高硬度、良好的耐磨性、低密度和不错的耐腐蚀性等挑衅性的特性，吸引了大多数行业的关注。这些诱人的特性使其具有广泛的应用吸引力。近，AMMCs在上述领域的应用急剧增加，这些领域需要高强度重量比、低密度、高弹性模量、优良的热稳定性和耐磨性。为此，已经开发了许多采用各种增强材料的AMMCs，如氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、碳化钛(TiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)、Al-Cu-Li、镍钛(NiTi)等。氮化铝(AlN)、二氧化锆(ZrO2)、二氧化铈(CeO2)和二氧化钛(TiO2)，这些材料在增强AMMCs的结构、热、阻尼、机械和腐蚀性能方面表现出独特的贡献。但是，在选择制备方法的类型上存在一定的局限性。粉末冶金法、锻造法和搅拌铸造法是合成AMMCs的常用制造技术。其中，粉末冶金(PM)是一种简单而经济的合成技术，与其他工艺相比，其效果更好。此外，PM与混合微波烧结(HMWS)一起适用于Al基复合材料的发展，因为它可以控制粒径的增长和微观结构的变化以及增强体与基体之间的体积分数。本研究组通过PM技术与HMWS工艺相结合，成功地对Al2O3、TiC、Si3N4、B4C、BN、SiC进行了增强，开发了Al基纳米复合材料。

　　锡铋(BiSn)合金具有强度和硬度高、熔点低、抗蠕变性能优越、热膨胀系数低、成本低等特点，使其成为提高整体材料力学性能的优选增强材料。BiSn复合材料的开发已经通过各种技术证明了其性能的提高，如电化学沉积工艺，低温熔化的球磨工艺、定向凝固和水解工艺等；但是，目前还没有报道尝试利用BiSn增强剂来合成铝/锡铋(Al-BiSn)复合材料，采用微波辅助PM技术，然后进行热挤压工艺。因此，本工作重点是利用微波辅助PM技术和热挤压工艺开发铝铋复合材料，研究了不同重量百分比BiSn颗粒的Al-BiSn复合材料的结构、力学和热性能。

　　Al-BiSn复合材料的合成

　　在这项研究中，采用商业铝（Al）粉末（尺寸约45微米，纯度>99.7%）作为基体材料。添加Bi60Sn40（BiSn）合金颗粒（平均粒径约10-20微米，纯度>99%，由英国Phoenix Scientific Industries提供）作为增强颗粒，开发Al-BiSn复合材料。图1列出了接收的Al和BiSn粉末的扫描电子显微镜（SEM）图像和能量色散光谱（EDS）光谱。

　　

　　纯Al和（5，10和15wt.％）BiSn增强铝复合材料是使用PM技术辅助HMWS合成的。所需量的纯Al粉末和BiSn颗粒在RETSCH PM-400机械合金机(Haan，德国)中以200转/分的速度仔细称量并混合1小时。在混合步骤中没有使用球或过程控制剂，混合过程在没有任何保护气氛的情况下进行。然后将混合后的粉末混合物在1000psi的压力下进行单轴冷压，得到长度为40mm、直径为36mm的钢坯。同样的参数用于压制没有混合的纯铝。混合微波辅助双向烧结技术被用于烧结冷压坯。在900 W、2.45 GHz夏普微波炉中，以SiC为微波受体材料，在没有惰性气氛的情况下，将坯料加热到550℃。在微波烧结炉中使用假铝块和K型温度计测定烧结温度。制作了校准图（时间与温度的关系）。将压制好的坯体在微波炉中烧结一段预先校准的时间，对应的温度为550℃。在微波炉中的预定时间之后，让坯体在环境大气条件下冷却到室温，而不需要任何保温时间。微波被坯体内部吸收，而SiC基座加热，从外部向坯体提供辐射热。与传统烧结或仅用微波烧结相比，这有助于向坯体提供双向加热，烧结后的坯体然后用热挤压法进一步加工。

　　

　　Al-BiSn复合材料的密度和孔隙率

　　由于BiSn合金的密度较高(8.12-8.56 g/cm3)，几乎是纯Al(2.70 g/cm3)的3倍，因此，随着BiSn含量的递增，挤压后的Al-BiSn复合材料的平均测量密度值也随之增加。此外，随着Al-BiSn复合材料中BiSn含量的增加，孔隙率也随之增加。这种孔隙率的增量可以认为是由于Al基体和BiSn界面之间存在大量的强化和孔隙成核而导致的颗粒团聚效应明显。这些研究结果与以往的研究一致。

　　

　　Al-BiSn复合材料的断裂分析

　　为了了解拉伸试验样品的断裂机制，进行了断裂观察。图4a-d显示了含有5、10和15 wt.% BiSn颗粒的纯Al和Al-BiSn复合材料的挤压断裂表面。断裂表面中细小凹点的存在代表了断裂的延性模式。这一特征代表了Al-BiSn复合材料的延性和高塑性变形性质。Al-BiSn复合材料所有成分的断裂性质相似，说明Al-BiSn复合材料的断裂行为主要取决于Al基体的变形行为。作为比较，在Al-BiSn复合材料中发现了较多的、尺寸较小的凹点，解释了Al-BiSn复合材料的高UTS。

　　

　　结论

　　用BiSn合金颗粒增强的铝复合材料可以通过微波辅助PM，然后再进行热挤压工艺开发。研究人员研究了Al-BiSn复合材料的微观结构、力学和热性能。FE-SEM微观结构显示，BiSn颗粒在铝基体中分布均匀。拉伸结果显示，强度提高了58%，从纯铝的117±3 MPa提高到Al-(15 wt.% BiSn)复合材料的185±3 MPa。机械性能的增强归功于均匀分布的BiSn颗粒及其强化作用。随着BiSn含量的增加，Al-BiSn复合材料的CTE值下降。Al-BiSn复合材料良好的机械性能和热性能使其在航空航天、汽车、国防和电气工业中具有吸引力。从合成的角度来看，由于HMWS具有快速加热的能力，在开发Al基纳米复合材料方面具有广泛的潜在优势。

　　论文链接：

　　https://www.mdpi.com/2076-3417/10/8/2812/htm