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摘要：随着人们对轻质高强材料得不断探索，颗粒增强铝基复合材料也得到了很好的发展。本文对原位TiC颗粒得合成方法进行了介绍，对原位TiC/Al的复合材料的影响因素进行了简要的介绍。
关键词：TiC颗粒;铝合金;复合材料
简介
铝合金作为应用最广泛的金属材料之一，铝基复合材料既有重量轻，良好的导电导热性能，优异的耐蚀性与阻尼性能又能根据需要进行成分设计以满足不同场合的应用需要，颗粒增强铝基复合材料具有比强度高、耐磨、耐热性好等优点，在许多领域被用于替代传统的钢铁材料[1]。
目前颗粒增强金属基复合材料方法为：外加法、原位内生法、和中间合金法三种。①外加法虽工艺简单、成本低、便于大量批量生产，但对颗粒尺寸限制较大，而且易受外界污染，因此基体与界面的结合性也不是很理想，易于产生团聚等缺陷。②原位内生法作为新兴的制备方法，很好的解决了外加法的表面污染、分布等问题，但是这种方法无法大批量生产，而且对反应过程有一定的困难。③中间合金法也是近些年才发展起来的复合材料的制备方法，即将通过内生法制备的含有原位内生陶瓷颗粒引入金属基体的目的。它集中外加法和内生法共同的优点，很好的解决了两者存在的缺点，并且制备方法灵活，因此受到了广大科研工作者的重视。
1 TiC增强颗粒
TiC颗粒是一种最为常见的增强金属基复合材料的陶瓷颗粒。TiC颗粒不仅具有传统陶瓷颗粒的熔点高、强度高、弹性模量高和热稳定性好的等优点，而且TiC易于通过内生法制备[2]。因此，TiC颗粒作为增强颗粒广泛的用于铝基、铁基、铜基等复合材料中。
因中间合金制备法的独特优势，Al-Ti-C体系中间合金制备TiC受到大多研究者的关注，合成TiC的方法主要有熔体反应法，高温自蔓延法，热爆法三种。
（1）熔体反应法与反应机制
熔体反应法原理是：将含有目标元素（Ti、C）的原料直接加入到Al熔体中发生物理化学反应获得TiC形核粒子。该类工艺采用的Ti源主要有3种：K2TiF6、Al-Ti合金和金属钛，C源则主要为石墨颗粒。
（2）高温自蔓延法与反应机制
自蔓延高温合成法（SHS）原理是利用反应物之间高化学反应热的自加热和自传导作用来合成目标材料，当反应物一旦被引燃，燃烧波便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应结束。有学者认为SHS技术制备Al-Ti-C中间合金的反应过程分为2步，第一步：Al与Ti通过放热反应生成Al3Ti;第二步：体系升温后C粉被铝液润湿，并与溶质Ti反应生成TiC粒子。
（3）热爆合成法及反应机制
热爆合成法通常是将反应物制成压坯，直接加入到铝熔体中，借助熔体温度引发反应物之间以及反应物与熔体间的放热反应过程，促进目标产物生成。有学者认为形成TiC的过程可以分为3个阶段：预制块中铝粉的熔化，Al3Ti相的形成和分解，TiC颗粒的形成。张二林[3]提出生成TiC的反应机理是“溶解—析出”，认为Ti溶解后扩散到碳颗粒周围形成富Ti层，富Ti层中的Ti与C发生反应生成TiC，并从铝液中析出。李元元[4]对Al-Ti-C体系热爆反应的热力学与动力学过程进行研究，认为Al的加入可以降低Ti和C的反应温度，初始阶段副反应所放出的热量促使Ti和C合成反应的发生，随后体系温度的急剧升高有利于Ti与C的合成反应以及副产物Al4C3、Al3Ti向TiC的转变。
2 TiC纳米颗粒对铝基复合材料性能的影响
影响原位合成TiC/Al复合材料性能的因素很多，包括TiC粒子尺寸、体积分数、分部状况、颗粒形貌等。
当颗粒尺寸到达纳米尺寸（<100nm），奥罗万强化对复合材料力学性能的提高起到了很大的作用。同时，奥罗万强化也可以提高抗蠕变性能和热力学稳定性。根据奥罗万强化机理可知纳米颗粒尺寸越小，含量越多，复合材料的强度增加的就越大。Tong[5]等人通过控制变量方法研究了TiC颗粒的尺寸与含量对铝基复合材料的影响发现，当TiC颗粒尺寸为40nm，含量从15vol.%提高到30vol.%时，屈服强度从200MPa提高到350MPa。同样的，当纳米TiC含量都为15vol.%，尺寸由80nm减小到40nm后，屈服强度从120MPa提高到200MPa。
对于TiC颗粒在铝基体中的形貌转变，吉林大学周东帅[6]采用第一原理计算和实验验证，提出了TiCx颗粒从八面体到球形的转变机制：当x=0.5时，{111}面的表面能低于{100}面的表面能，TiCx颗粒的生长形状为八面体;随着x值的增加，{100}面的表面能下降速度比{111}面的快，当x>0.625时，{100}面的表面能低于{111}面的表面能，TiCx颗粒的生长形状开始向球形转变。
3 总结与展望
虽然TiC颗粒作为Al基复合材料的增强颗粒具有可原位生成，与铝晶格点数相似，颗粒细小等优点，但对TiC/Al复合材料性能的研究也在不断深入过程中仍存在不少需要有待攻克的难题，如纳米尺寸的TiC颗粒容易偏聚，不易分散，现今有研究人员将超声引入电磁搅拌法分散TiC颗粒，虽然有所改善，但是效果仍然不是很显著。且应用Al-Ti-C体系制备TiC颗粒时的副产物也会对基体材料的性能有所降低，所以如何控制降低副产物的生成也是需要有待讨论的方向。
参考文献
[1]袁焕龙，周泽华，王泽华，仲召军，张欣.原位合成TiC/Al复合材料研究现状[J].铸造技术，2014，35（02）：250-252.
[2]Xiaofan Du，Tong Gao，DaKui Li，Yuying Wu，Xiangfa Liu. A novel approach to synthesize SiC particles by in situ reaction in Al–Si–C alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds，2014，588.
[3]張二林，杨波，曾松岩，李庆春，马明臻.Al-Ti-C系中反应生成TiC机理研究[J].材料工程，1998（02）：4-6.
[4]李元元，项品峰，龙雁，瞿全炎.热爆反应原位生成TiC的热力学和动力学探讨[J].华南理工大学学报（自然科学版），1999（12）：8-11.
[5]Tong X C，Ghosh A K. Fabrication of in situ TiC reinforced aluminum matrix composites[J]. Journal of Materials Science，2001，36：4059-4069.
[6]周东帅.纳米TiCp/Al-Cu复合材料制备和组织与力学性能的研究[D].吉林大学，2014.
关键词：TiC颗粒;铝合金;复合材料
简介
铝合金作为应用最广泛的金属材料之一，铝基复合材料既有重量轻，良好的导电导热性能，优异的耐蚀性与阻尼性能又能根据需要进行成分设计以满足不同场合的应用需要，颗粒增强铝基复合材料具有比强度高、耐磨、耐热性好等优点，在许多领域被用于替代传统的钢铁材料[1]。
目前颗粒增强金属基复合材料方法为：外加法、原位内生法、和中间合金法三种。①外加法虽工艺简单、成本低、便于大量批量生产，但对颗粒尺寸限制较大，而且易受外界污染，因此基体与界面的结合性也不是很理想，易于产生团聚等缺陷。②原位内生法作为新兴的制备方法，很好的解决了外加法的表面污染、分布等问题，但是这种方法无法大批量生产，而且对反应过程有一定的困难。③中间合金法也是近些年才发展起来的复合材料的制备方法，即将通过内生法制备的含有原位内生陶瓷颗粒引入金属基体的目的。它集中外加法和内生法共同的优点，很好的解决了两者存在的缺点，并且制备方法灵活，因此受到了广大科研工作者的重视。
1 TiC增强颗粒
TiC颗粒是一种最为常见的增强金属基复合材料的陶瓷颗粒。TiC颗粒不仅具有传统陶瓷颗粒的熔点高、强度高、弹性模量高和热稳定性好的等优点，而且TiC易于通过内生法制备[2]。因此，TiC颗粒作为增强颗粒广泛的用于铝基、铁基、铜基等复合材料中。
因中间合金制备法的独特优势，Al-Ti-C体系中间合金制备TiC受到大多研究者的关注，合成TiC的方法主要有熔体反应法，高温自蔓延法，热爆法三种。
（1）熔体反应法与反应机制
熔体反应法原理是：将含有目标元素（Ti、C）的原料直接加入到Al熔体中发生物理化学反应获得TiC形核粒子。该类工艺采用的Ti源主要有3种：K2TiF6、Al-Ti合金和金属钛，C源则主要为石墨颗粒。
（2）高温自蔓延法与反应机制
自蔓延高温合成法（SHS）原理是利用反应物之间高化学反应热的自加热和自传导作用来合成目标材料，当反应物一旦被引燃，燃烧波便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应结束。有学者认为SHS技术制备Al-Ti-C中间合金的反应过程分为2步，第一步：Al与Ti通过放热反应生成Al3Ti;第二步：体系升温后C粉被铝液润湿，并与溶质Ti反应生成TiC粒子。
（3）热爆合成法及反应机制
热爆合成法通常是将反应物制成压坯，直接加入到铝熔体中，借助熔体温度引发反应物之间以及反应物与熔体间的放热反应过程，促进目标产物生成。有学者认为形成TiC的过程可以分为3个阶段：预制块中铝粉的熔化，Al3Ti相的形成和分解，TiC颗粒的形成。张二林[3]提出生成TiC的反应机理是“溶解—析出”，认为Ti溶解后扩散到碳颗粒周围形成富Ti层，富Ti层中的Ti与C发生反应生成TiC，并从铝液中析出。李元元[4]对Al-Ti-C体系热爆反应的热力学与动力学过程进行研究，认为Al的加入可以降低Ti和C的反应温度，初始阶段副反应所放出的热量促使Ti和C合成反应的发生，随后体系温度的急剧升高有利于Ti与C的合成反应以及副产物Al4C3、Al3Ti向TiC的转变。
2 TiC纳米颗粒对铝基复合材料性能的影响
影响原位合成TiC/Al复合材料性能的因素很多，包括TiC粒子尺寸、体积分数、分部状况、颗粒形貌等。
当颗粒尺寸到达纳米尺寸（<100nm），奥罗万强化对复合材料力学性能的提高起到了很大的作用。同时，奥罗万强化也可以提高抗蠕变性能和热力学稳定性。根据奥罗万强化机理可知纳米颗粒尺寸越小，含量越多，复合材料的强度增加的就越大。Tong[5]等人通过控制变量方法研究了TiC颗粒的尺寸与含量对铝基复合材料的影响发现，当TiC颗粒尺寸为40nm，含量从15vol.%提高到30vol.%时，屈服强度从200MPa提高到350MPa。同样的，当纳米TiC含量都为15vol.%，尺寸由80nm减小到40nm后，屈服强度从120MPa提高到200MPa。
对于TiC颗粒在铝基体中的形貌转变，吉林大学周东帅[6]采用第一原理计算和实验验证，提出了TiCx颗粒从八面体到球形的转变机制：当x=0.5时，{111}面的表面能低于{100}面的表面能，TiCx颗粒的生长形状为八面体;随着x值的增加，{100}面的表面能下降速度比{111}面的快，当x>0.625时，{100}面的表面能低于{111}面的表面能，TiCx颗粒的生长形状开始向球形转变。
3 总结与展望
虽然TiC颗粒作为Al基复合材料的增强颗粒具有可原位生成，与铝晶格点数相似，颗粒细小等优点，但对TiC/Al复合材料性能的研究也在不断深入过程中仍存在不少需要有待攻克的难题，如纳米尺寸的TiC颗粒容易偏聚，不易分散，现今有研究人员将超声引入电磁搅拌法分散TiC颗粒，虽然有所改善，但是效果仍然不是很显著。且应用Al-Ti-C体系制备TiC颗粒时的副产物也会对基体材料的性能有所降低，所以如何控制降低副产物的生成也是需要有待讨论的方向。
参考文献
[1]袁焕龙，周泽华，王泽华，仲召军，张欣.原位合成TiC/Al复合材料研究现状[J].铸造技术，2014，35（02）：250-252.
[2]Xiaofan Du，Tong Gao，DaKui Li，Yuying Wu，Xiangfa Liu. A novel approach to synthesize SiC particles by in situ reaction in Al–Si–C alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds，2014，588.
[3]張二林，杨波，曾松岩，李庆春，马明臻.Al-Ti-C系中反应生成TiC机理研究[J].材料工程，1998（02）：4-6.
[4]李元元，项品峰，龙雁，瞿全炎.热爆反应原位生成TiC的热力学和动力学探讨[J].华南理工大学学报（自然科学版），1999（12）：8-11.
[5]Tong X C，Ghosh A K. Fabrication of in situ TiC reinforced aluminum matrix composites[J]. Journal of Materials Science，2001，36：4059-4069.
[6]周东帅.纳米TiCp/Al-Cu复合材料制备和组织与力学性能的研究[D].吉林大学，2014.