金刚石有望与多孔铝结合成为下一代汽车工业基体材料

汽车行业推动轻量化材料发展

汽车行业对轻量化材料的高能量吸收和隔音性能提出了严格要求。由于铝基合金及其复合材料具有出色的轻质与高强度特性，成为该领域的研究重点。通过开发冲击能量吸收能力更强的多孔铝合金，能够进一步减轻材料重量。多孔铝的轻量特性使其可用于汽车零件填充，从而有效降低车辆整体重量，减少燃料消耗和碳排放，进而降低碳足迹。

此外，多孔铝在吸收碰撞能量方面表现优异，可减少对乘客及车辆关键部件的损害。然而，由于多孔结构，其物理和机械性能较传统实心铝有所降低。为此，研究人员通过在多孔铝中引入高强度增强材料（如陶瓷和碳基材料）来提高其性能，这些增强材料在多孔铝复合材料中展现出显著的强化效果。

而金刚石作为一种碳基增强材料，具有极高的硬度和优异的导热性，被广泛用于材料强化领域。虽然金刚石能够显著延长材料的使用寿命并提供强化作用，但因其与金属基体的润湿性较差，导致其在多孔铝基体中难以形成理想的界面结合，而这一结合对于提升多孔铝复合材料性能至关重要。

金刚石如何被利用于基体材料

为了解决这一问题，近日，研究人员引入了金属涂层技术，将金属层涂覆于金刚石颗粒表面。该涂层不仅能在界面处形成碳化物，还可与铝基体结合，从而改善界面结合性能。尝试的涂层材料包括钼、钨和钛，钛涂层因其可生成碳化钛（TiC）并与铝基体形成新相，被广泛采用。该碳化物层还能有效阻止金刚石中的碳与铝反应生成不良碳化物（如Al₄C₃），进一步改善金刚石与铝基体的结合。

此外，基体合金化也是增强界面结合的一种方法。通过添加合金元素（如硅、镁、锡、硼），可显著提升铝与金刚石之间的润湿性，稳定界面结构并抑制过多Al₄C₃的生成。这种方法不仅高效且成本较低，是一种理想的界面修饰策略。

为了更好地控制多孔铝材料的孔隙率和增强材料分布，粉末冶金法成为广泛应用的工艺。此方法可以精准控制金刚石和铝的重量比例，且低温加工避免了不良碳化物的形成。间隙保持剂如氯化钠、尿素、碳酸盐颗粒和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）被用于调节孔隙结构。相比其他间隙保持剂，PMMA在较低温度下分解，几乎不留残渣，且反应性低，还能改善材料的机械性能。

研究人员通过粉末冶金技术制备了含有不同金刚石含量（5%、10%、15%、20%）的多孔铝复合材料，使用固定含量的PMMA颗粒（30 wt%）作为间隙保持剂形成孔隙。系统研究了不同金刚石含量对多孔铝复合材料微观结构、密度、孔隙率、压缩性能和变形行为的影响。研究发现，所制备的多孔铝复合材料具有封闭的宏观孔结构，金刚石增强材料均匀分布。宏观孔隙的形状和大小与PMMA颗粒相似。同时，形貌分析显示，当金刚石含量为10 wt%时，基体与钛涂层金刚石之间具有较强的界面结合，但当金刚石含量达到15 wt%和20 wt%时，界面处出现孔隙和间隙。

X射线衍射（XRD）分析表明，随着金刚石含量的增加，复合材料中主要由铝和金刚石组成的晶相峰变得更高更尖锐，表明铝和金刚石的晶体相增加，反映出烧结工艺较为有效。此外，α-Ti和δ-TiC的衍射峰也显示了钛涂层在金刚石表面涂覆的效率。

随着金刚石含量从5%增加到20%，多孔铝复合材料的密度从2.20 g/cm³增加到2.37 g/cm³，孔隙率从33%增加到38%。尽管使用了30 wt%的PMMA作为间隙保持剂，金刚石含量较高时，复合材料的微观结构中出现了更多的微孔和间隙，从而导致孔隙率增加，尤其是在15 wt%和20 wt%的金刚石含量下。

金刚石含量对多孔铝复合材料的压缩性能有显著影响。屈服强度、平台应力和能量吸收能力在金刚石含量达到10 wt%时达到最高，分别为29.46 MPa、20 MPa和2.95 MJ/m³，但在超过10 wt%后，这些性能有所下降。因此，10 wt%的金刚石含量是优化多孔铝复合材料性能的最佳配比，兼顾了密度、孔隙率、屈服强度和能量吸收能力的平衡。

由此可见，涂层金刚石的引入以及铝基体的合金化显著提高了多孔铝复合材料的压缩强度和能量吸收能力，适用于需要优异性能的应用场景。