金剛石有望與多孔鋁結合成為下一代汽車工業(yè)基體材料

汽車行業(yè)推動輕量化材料發(fā)展

汽車行業(yè)對輕量化材料的高能量吸收和隔音性能提出了嚴格要求。由于鋁基合金及其復合材料具有出色的輕質(zhì)與高強度特性，成為該領域的研究重點。通過開發(fā)沖擊能量吸收能力更強的多孔鋁合金，能夠進一步減輕材料重量。多孔鋁的輕量特性使其可用于汽車零件填充，從而有效降低車輛整體重量，減少燃料消耗和碳排放，進而降低碳足跡。

此外，多孔鋁在吸收碰撞能量方面表現(xiàn)優(yōu)異，可減少對乘客及車輛關鍵部件的損害。然而，由于多孔結構，其物理和機械性能較傳統(tǒng)實心鋁有所降低。為此，研究人員通過在多孔鋁中引入高強度增強材料（如陶瓷和碳基材料）來提高其性能，這些增強材料在多孔鋁復合材料中展現(xiàn)出顯著的強化效果。

而金剛石作為一種碳基增強材料，具有極高的硬度和優(yōu)異的導熱性，被廣泛用于材料強化領域。雖然金剛石能夠顯著延長材料的使用壽命并提供強化作用，但因其與金屬基體的潤濕性較差，導致其在多孔鋁基體中難以形成理想的界面結合，而這一結合對于提升多孔鋁復合材料性能至關重要。

金剛石如何被利用于基體材料

為了解決這一問題，近日，研究人員引入了金屬涂層技術，將金屬層涂覆于金剛石顆粒表面。該涂層不僅能在界面處形成碳化物，還可與鋁基體結合，從而改善界面結合性能。嘗試的涂層材料包括鉬、鎢和鈦，鈦涂層因其可生成碳化鈦（TiC）并與鋁基體形成新相，被廣泛采用。該碳化物層還能有效阻止金剛石中的碳與鋁反應生成不良碳化物（如Al?C?），進一步改善金剛石與鋁基體的結合。

此外，基體合金化也是增強界面結合的一種方法。通過添加合金元素（如硅、鎂、錫、硼），可顯著提升鋁與金剛石之間的潤濕性，穩(wěn)定界面結構并抑制過多Al?C?的生成。這種方法不僅高效且成本較低，是一種理想的界面修飾策略。

為了更好地控制多孔鋁材料的孔隙率和增強材料分布，粉末冶金法成為廣泛應用的工藝。此方法可以精準控制金剛石和鋁的重量比例，且低溫加工避免了不良碳化物的形成。間隙保持劑如氯化鈉、尿素、碳酸鹽顆粒和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）被用于調(diào)節(jié)孔隙結構。相比其他間隙保持劑，PMMA在較低溫度下分解，幾乎不留殘渣，且反應性低，還能改善材料的機械性能。

研究人員通過粉末冶金技術制備了含有不同金剛石含量（5%、10%、15%、20%）的多孔鋁復合材料，使用固定含量的PMMA顆粒（30 wt%）作為間隙保持劑形成孔隙。系統(tǒng)研究了不同金剛石含量對多孔鋁復合材料微觀結構、密度、孔隙率、壓縮性能和變形行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)，所制備的多孔鋁復合材料具有封閉的宏觀孔結構，金剛石增強材料均勻分布。宏觀孔隙的形狀和大小與PMMA顆粒相似。同時，形貌分析顯示，當金剛石含量為10 wt%時，基體與鈦涂層金剛石之間具有較強的界面結合，但當金剛石含量達到15 wt%和20 wt%時，界面處出現(xiàn)孔隙和間隙。

X射線衍射（XRD）分析表明，隨著金剛石含量的增加，復合材料中主要由鋁和金剛石組成的晶相峰變得更高更尖銳，表明鋁和金剛石的晶體相增加，反映出燒結工藝較為有效。此外，α-Ti和δ-TiC的衍射峰也顯示了鈦涂層在金剛石表面涂覆的效率。

隨著金剛石含量從5%增加到20%，多孔鋁復合材料的密度從2.20 g/cm3增加到2.37 g/cm3，孔隙率從33%增加到38%。盡管使用了30 wt%的PMMA作為間隙保持劑，金剛石含量較高時，復合材料的微觀結構中出現(xiàn)了更多的微孔和間隙，從而導致孔隙率增加，尤其是在15 wt%和20 wt%的金剛石含量下。

金剛石含量對多孔鋁復合材料的壓縮性能有顯著影響。屈服強度、平臺應力和能量吸收能力在金剛石含量達到10 wt%時達到最高，分別為29.46 MPa、20 MPa和2.95 MJ/m3，但在超過10 wt%后，這些性能有所下降。因此，10 wt%的金剛石含量是優(yōu)化多孔鋁復合材料性能的最佳配比，兼顧了密度、孔隙率、屈服強度和能量吸收能力的平衡。

由此可見，涂層金剛石的引入以及鋁基體的合金化顯著提高了多孔鋁復合材料的壓縮強度和能量吸收能力，適用于需要優(yōu)異性能的應用場景。