粉煤灰与E-glass纤维混杂增强Al6063复合材料的力学性能优化：3×3析因设计与T6热处理的作用

《Results in Materials》：Development and characterization of the mechanical properties of Al6063 alloy composites reinforced with fly ash and E-glass fiber

　　

以工业废弃物增强的铝基复合材料（aluminum matrix composites, AMCs）可将良好力学性能与可持续性相结合。研究人员通过砂型搅拌铸造（sand-mold stir casting；680–700 °C、450 rpm、3 × 5 min、1% Mg）制备了以埃塞俄比亚首座垃圾发电厂（waste-to-energy plant）粉煤灰（fly ash, FA）和短切E-glass纤维（chopped E-glass fiber）增强的Al6063合金复合材料，随后进行T6热处理（T6 heat treatment）。采用2、5和7 vol% E-glass纤维与3、6和9 vol%粉煤灰的3 × 3析因设计（3 × 3 factorial design），并设置未增强对照（共十个铸件），以识别两种增强相的独立效应和联合效应。测定硬度读数（hardness reading）、抗压强度（compressive strength）和抗弯强度（flexural strength），并通过光学显微镜（optical microscopy）检查显微组织。含7 vol% E-glass纤维和6 vol%粉煤灰的复合材料获得最高硬度读数（116.73，对照为44.26）和最高抗压强度（850.31 MPa，+198.7%）；含5 vol% E-glass纤维和9 vol%粉煤灰的复合材料获得最高抗弯强度（340.1 MPa，+68.9%）。对析因数据进行双因素方差分析（two-way analysis of variance, ANOVA）表明，E-glass纤维含量解释硬度和抗压强度约85%的方差，而粉煤灰在所测试范围内的影响不显著。在7 vol% E-glass纤维和9 vol%粉煤灰时性能下降，归因于团聚（agglomeration）和弱界面（weak interfaces）。两种废弃物衍生低成本增强相的组合可显著改善Al6063，但增强相含量必须优化。

研究背景与问题。Al6063等铝合金因高比强度、良好耐蚀性和易加工而广泛用于汽车、航空和结构工业，但其耐磨性和高温热稳定性有限，限制苛刻应用；加入Al₂O₃、SiC等陶瓷增强相可提高强度、硬度和耐磨性。铝基复合材料（aluminum matrix composites, AMCs；以铝为基体并加入增强相的复合材料）主要由粉末冶金和液态路线制备，搅拌铸造（stir casting；液态搅拌分散增强相后浇铸）因简单、经济、适合大型件而常用，但存在增强相分布不均、陶瓷与熔体润湿差和高含量孔隙等问题。连续纤维增强强度高但成形困难且昂贵，研究转向易加工的非连续增强相。废弃物增强相可降低成本并增值废物流；粉煤灰（fly ash, FA；燃烧副产物）已被广泛研究，混杂增强常优于单一增强。已有Al6063-SiC-甘蔗渣粉煤灰、Al6061-粉煤灰-SiC、AA6063-MgO-粉煤灰、Al6063-硼硅酸盐玻璃-粉煤灰等研究，但E-glass纤维（E-glass fiber；低成本玻璃纤维）与粉煤灰组合尚未见用于Al6063；既往多用煤粉煤灰和单一组合，无法识别两增强相独立效应，且控制分散的工艺参数常未讨论。因此研究人员以埃塞俄比亚首座垃圾发电厂粉煤灰和E-glass纤维开发Al6063复合材料，确定二者单独和联合对硬度、抗压强度、抗弯强度和显微组织的影响；采用含未增强对照的3 × 3析因设计，所有铸件按同一记录工艺参数制备并T6热处理（T6 heat treatment；固溶、淬火和人工时效），结果进行统计分析、与理论模型和近期研究比较，并从界面结合、工艺参数、环境效益、成本和适用性讨论。意义在于将本地废物流与低成本纤维用于Al6063，并提供增强量优化依据。

方法概括：以Al6063铸锭为基体；粉煤灰取自埃塞俄比亚首座垃圾发电厂（Reppie waste-to-energy plant，Koshe，Addis Ababa；ASTM C618 Class F），经干燥、小于45 μm筛分和300 °C预热；短切E-glass纤维（2–5 mm）经900 °C预热；添加1% Mg改善润湿。采用砂型搅拌铸造（680–700 °C、450 rpm、3 × 5 min、700 °C浇注），全部铸件经T6热处理（530 °C/1 h固溶、水淬、175 °C/4 h时效）。按3 × 3析因设计设置E-glass纤维2、5、7 vol%与粉煤灰3、6、9 vol%，并设未增强对照，共10个铸件；每试验3个试样测硬度、抗压和抗弯强度，光学显微镜观察组织，并用双因素方差分析（ANOVA）分离两增强相效应。

研究结果：
3.1 显微组织：研究人员通过光学显微镜观察发现，粉煤灰颗粒细小（多小于45 μm）且近乎均匀分散于Al6063基体；E-glass纤维在加工中似呈熔化/半流体状态，与900 °C预热高于其软化点一致，但需电子显微镜和元素分析确认；最高增强量出现颗粒团聚；基体晶粒似随增强量增加而细化但未测量；光学显微不能确定界面结合、反应产物和失效机制。结论：低中增强量分散较好，高增强量团聚和孔隙更明显。
3.2 硬度：通过硬度测试得出硬度读数随粉煤灰和E-glass纤维加入而升高；7 vol% E-glass纤维+6 vol%粉煤灰最高（116.73，对照44.26，约2.6倍），因硬颗粒和刚性纤维限制基体塑性变形；7 vol% E-glass纤维+9 vol%粉煤灰降至97.43（?16.5%），归因于团聚和不均匀分布，但仅定性支持且未统计检验。
3.3 抗压强度：通过压缩试验得出抗压强度由对照284.69 MPa升至7 vol% E-glass纤维+6 vol%粉煤灰的850.31 MPa（+198.7%），最大载荷66.75 kN；结果部分归因于载荷传递、Orowan钉扎和T6淬火热错配位错硬化；铸件6–10在2%内形成平台，铸件9至10降1.7%（p=0.39，不显著），增强阈值约5–7 vol% E-glass纤维和6–9 vol%粉煤灰。
3.4 抗弯强度：通过三点弯曲得出抗弯强度由对照201.38 MPa升至5 vol% E-glass纤维+9 vol%粉煤灰的340.1 MPa（+68.9%）；7 vol% E-glass纤维时随粉煤灰增加而下降（335.65→290.89→286.42 MPa），归因于弱界面、孔隙和增强相分布不良损害弯曲载荷传递。
3.5 两增强相独立效应与统计显著性：通过析因设计和双因素ANOVA得出E-glass纤维含量解释硬度和抗压强度方差约87%和85%（p=0.007、0.006），粉煤灰在3–9 vol%内不显著（p=0.32、0.22）；抗弯两因素均不显著（p=0.15、0.63），因5 vol% E-glass纤维+9 vol%粉煤灰处大交互。压缩重复数据变异系数2.1%，铸件9较对照+565.6 MPa（p<0.001），铸件9与10（p=0.39）、6与9（p=0.27）不显著；局限为无单一增强相铸件、析因数据未重复、假定一组成标准差适用全部。

讨论部分总结：工艺参数固定未量化单个影响，680–700 °C高于液相线约25–45 °C以利加入和充型，450 rpm及3 × 5 min限制涡流和气体卷入，砂型慢冷易致沉降和凝固前沿推挤成簇。界面结合主要由Mg辅助润湿、Mg与SiO₂/Al₂O₃反应生成MgO、MgAl₂O₄和Mg₂Si，以及530 °C淬火热错配（基体约23 × 10^?6 K^?1，玻璃/铝硅酸盐约5 × 10^?6 K^?1）控制；但经典强化机制仅解释测得增量的小部分，铸件7表观模量高于混合法则/Halpin-Tsai上限，需核查压缩数据。最高增强量（7 vol% E-glass纤维+9 vol%粉煤灰，总16 vol%）性能下降归因于团聚、孔隙、润湿降低及簇和弱界面应力集中；对策包括降低总增强量、超声空化/半固态搅拌/预混母料/双重搅拌、脱气/惰性气体或真空/金属型或挤压铸造、优化热处理，但本研究未应用。压缩平台因压缩闭合小孔和弱界面，弯曲对缺陷更敏感；铸件7抗弯异常高造成大交互，显微图不能解释，可能为局部分散好或铸件波动，需重复铸件。与既往研究相比改善较大但受对照铸态值低和测试方法差异影响；该粉煤灰为ASTM C618 Class F，化学与煤粉煤灰差异不显著，优势为本地废物流，但城市垃圾粉煤灰批次波动且可能含氯化物、硫酸盐和重金属，需浸出测试；最佳复合材料每吨利用约48–72 kg粉煤灰，材料成本约2.71 USD/kg（铸件7，不含额外加工能耗）低于未增强Al6063的3.00 USD/kg，但需本地价格、生命周期评价（LCA）和长期性能验证；应用上适合厚铸件如支架和壳体，砂铸不能制0.7 mm板材。

研究结论翻译：研究人员通过搅拌铸造和T6热处理，在含对照的3 × 3析因设计中制备了垃圾发电厂粉煤灰与E-glass纤维增强的Al6063复合材料，结论如下：• 力学性能：粉煤灰和E-glass纤维添加提高Al6063硬度读数、抗压强度和抗弯强度；7 vol% E-glass纤维+6 vol%粉煤灰硬度读数最高（116.73，对照44.26）且抗压强度最高（850.31 MPa，+198.7%），5 vol% E-glass纤维+9 vol%粉煤灰抗弯强度最高（340.1 MPa，+68.9%）。• 独立效应：E-glass纤维含量解释硬度和抗压强度方差约85%（p<0.01），粉煤灰在3–9 vol%内不显著；5–7%纤维与6–9 vol%粉煤灰铸件强度无显著差异。• 最优含量：7 vol% E-glass纤维+9 vol%粉煤灰性能较低，归因于16 vol%增强量下团聚、孔隙和弱界面；最优约13–14 vol%总增强量。• 机制与工艺：界面结合预计由Mg辅助润湿及与增强相SiO₂和Al₂O₃反应、淬火热错配控制，但经典强化机制仅解释测得增量小部分，需验证压缩数据。• 可持续性与应用：每吨最佳复合材料利用约50–70 kg本地废物流粉煤灰，材料为轻质铸造部件候选；需LCA、成本评价、耐久试验和工业规模试验。• 局限与展望：结果基于三试样均值和选定试样光学显微镜及扫描电子显微镜/能谱（SEM/EDS）；未来应开展重复铸件、更大长径比压缩试样、完整统计、扩展SEM/EDS、X射线衍射（XRD）、断口分析、密度和维氏硬度测量、单一增强相铸件及改进分散方法。作者贡献：Abebayehu Mulugeta：Investigation；Chala Amsalu Tefera：Methodology；Mesfin Gizaw：Supervision。