金属基复合材料的发展现状及展望(亚楠)

金属基复合材料的发展现状及展望张亚楠重庆科技学院冶金与材料工程学院摘要：介绍了金属基复合材料的研究及应用现状。介绍了金属基复合材料的分类、性能特点，并总结了其主要应用。对于大批量生产的复合材料来讲，轧制方法复合具有比其它方法有更多的适用性和经济性。关键词：金属基复合材料；发展趋势；应用ABSTRACT:Thispaperreviewsthestatusofresearchandapplicationofmetalmatrixcomposites.Thepaperpresentstheclassification,characteristics.Andthedevelopmentandapplicationofmetalmatrixcompositesaresummarized.Keywords:metalmatrixcomposites;developmenttendency;application前言随着科学技术的进步，对材料性能的要求不断提高，因此复合材料的发展与应用受到国内外的关注，而“金属基复合材料”又是现代复合材料的一个重要分支。现代科学技术对现代新型材料的强韧性，导电、导热性，耐高温性，耐磨性等性能都提出了越来越高的要求。与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度，而与高分子基复合材料相比，它又具有优良的导电性而耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。这些优良的性能决定了它从诞生之日起就成了新材料家庭中的重要一员。它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。金属基复合材料的特性金属基复合材料（MMC即metalmatrixcomposites）具有高比强度、高比模量、耐磨、耐热、导电、导热、不吸潮、抗辐射、低热膨胀系数等优良性能，并作为先进复合材料将逐步取代部分传统的金属材料而应用于航天航空、汽车工业、电子工业等领域，以满足特殊场合对材料的比强度、比刚度、比模量、高温性能、低热膨胀系数等性能的要求。金属基复合材料是以金属合金为基体，以高强度第二相为增强体而制得的复合材料，它与高分子基复合材料、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料和纳米复合材料一起构成现代复合材料体系。其品种较多，可按增强体和基体进行分类，按照增强体形状可将复合材料分为：颗粒增强复合材料，层状复合材料和纤维增强复合材料。从强化的机理上分，纤维增强复合材料更准确地可划分为连续纤维增强复合材料和不连续纤维增强复合材料。按基体进行分类有：铝基复合材料，镍基复合材料，钛基复合材料及铜基复合材料等。目前在金属基复合材料中应用最广泛的一种复合材料是铝基复合材料金属基复合材料的发展及展望金属基复合材料的研究始于20世纪60年代初期，至今已取得了很大发展。金属基复合材料发展的伊始是为满足航天航空等高技术部门对特殊性能结构材料的需求，因此只要性能好，而不计成本；其研究工作大都集中于连续纤维增强的金属基复合材料方面。70年代末，碳化硅颗粒增强铝合金的复合材料以粉末冶金的制造方式而成功进行了这类复合材料制造方式的商业化，为复合材料商品化打下了基础；进入80年代，金属基复合材料进入蓬勃发展阶段，其研究重点转到以不连续增强体（颗粒、晶须和短纤维）增强的金属基复合材料，尤其是铝基复合材料，不公性能优良，成本也开始降低；而1983年，日本本田公司推出陶瓷短纤维增强铝基复合材料局部铝活塞，使金属复合材料在工业中应用取得了突破性的进展。此后，世界各国均加强了复合材料的研制、开发和应用，从而大大地推动了金属基复合材料的民用商品化的进程。进入90年代后期，电子产品发展迅速，要求同时具有高热传导能力和低膨胀特性的电子元件构造装配材料的量迅速增加，于是低膨胀、高强化与高热传导的金属基体合理匹配的金属基复合材料备受重视；同时也需要强度高，耐电弧冲蚀，导电率高的电接触用复合材料；近期金属基复合材料的发展既要求力学性能，又要有特殊的功能特性。虽然金属基复合材料已有多个品种的开发报导，但目前可达到批量应用的产品多为铝基复合材料。其中复合材料局部增强铝活塞，高硅粒子增强铝合金缸套，长纤维增强铝合金制造汽车发动机连杆是一些典型零件。由增强相马氏体和基体铁素体所组成的双相钢是一种具有特殊共格界面结构的复合材料，这种复合材料具有低的屈服强度，高的加工硬化率和高的抗拉强度，良好的延性和强度匹配和高的成型性而受到汽车工业界的青睐，引起人们广泛的兴趣，并在汽车工业上广泛应用。毫无疑问，复合材料已经成为当代材料领域中一个重要发展方向，地位越来越重要。到20世纪90年代初，先进复合材料的世界总产量已经达到300万吨，在许多领域特别是航空航天领域显示了极其重要的地位。西方国家把先进复合材料列为战略材料，列入为数有限的国家重点研究和发展项目，列入不准许输出的新材料。金属基复合材料的性能不仅与基体金属有关，也与增强的第二相的性能和数量有关，同时还与基体和增强相的界面结构有关，即与基体和增强相的界面结合力有关。因此，对金属基复合材料的研究主要集中在以下几个方面：(1)同金属基体与不同种类、形态的增强材料的复合效果，复合材料的性能；(2)增强材料的开发，包括金属与非金属纤维、颗粒、晶须、晶片等；(3)增强相/基体界面优化的研究，包括各种金属基复合材料的界面结构、界面稳定性、界面结合与反应、界面反应的控制等；(4)扩大金属基复合材料的应用领域和范围。金属基复合材料研究、开发的基础是金属材料。轻金属铝、镁、钛及其合金由于其比强度、比模量的优势，作为结构材料在航空航天工业中得到广泛的应用，常作为金属基复合材料的首选金属基体。从国内外目前的研究和应用状况来看，其中铝及其合金应用最为广泛。陶瓷基复合材料的特性陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料的发展及展望从历史来看，陶瓷基复合材料的发展大致可以分为以下三个阶段：第一个阶段：慈宁宫陶、瓷器到近代的传统陶瓷。陶器的出现、发展和广泛应用是社会生产力的一个飞跃，同时也大大方便和丰富了人们的生活。此后的陶瓷经历了漫长的发展和演变过程。随着金属冶炼技术的发展，人类掌握了通过鼓风提高燃烧温度的技术，采用了喊铝量较高的瓷土，发明了釉。由于这三个方面因素的促进，陶瓷发展到了以洁白细腻、轻巧美观、材质精美和具有得天独厚的资源优势的瓷器，成为陶瓷发展史的一次重要飞跃，也是陶瓷发展史的第一个里程碑。它标志着人类完成了从蒙昧时代进化到野蛮时代，进而过渡到文明时代，具有划时代的意义。近代，由于对陶瓷的原料、配比、成型、制作工艺进行精选优化和严格控制，不仅提高了陶瓷制品的质量，增加了花色品种，而且随着科学技术的发展和需求，在日用陶瓷的基础上又衍生出了许多种类的陶瓷，如电力工业用的绝缘陶瓷、建筑用的建筑陶瓷和卫生陶瓷、冶金工业用的耐火陶瓷、化学工业用的耐腐蚀的化工陶瓷和多孔陶瓷等。由于这些陶瓷的主要成分是硅酸盐化合物，人们将这些陶瓷称为传统陶瓷。第二个阶段：从传统陶瓷到新型陶瓷。这一阶段起源于20世纪40到50年代，是陶瓷史上的第二次飞跃。电子工业的快速发展和宇宙开发，原子能工业的兴起，以及激光技术、传感技术、光电技术等新技术的出现，对陶瓷材料提出了很高的要求，而传统陶瓷无论在性能、品种和质量等方面都不能满足需求，这便促使人们从原料、成型和烧结工艺方面进行改进和创新；加上陶瓷科学与相邻学科的交融和创新突破，对陶瓷的发展起到了极大的作用，大约只经历了半个世纪人们就实现了传统陶瓷到新型陶瓷的飞跃。该阶段存在的问题是陶瓷的脆性和高温高强等问题远未彻底解决。第三个阶段：从新型陶瓷到纳米陶瓷。这一阶段起源于20世纪90年代，陶瓷发展正面临着第三次重大飞跃。人们期望21世纪初叶陶瓷科学将会在这方面取得重大突破，生产许多不同于新型陶瓷的纳米陶瓷材料与制品。陶瓷基复合材料具有与石墨类似的层状结构和自润滑性，而导电性和硬度都优于石墨，抗氧化性也更好，所以在高温下或其他氧化环境下需要润滑的场合，如用作轴承材料，它的潜力将远远大于石墨；其良好的抗热震性和抗氧化性，高温下高的屈服点和塑性，使得陶瓷基复合材料在高温结构方面的应用更具有优势，如涡轮机叶片和定子，以及陶瓷发动机等；由于其好的可加工性和高温下的高强度，它还是目前使用的可加工陶瓷的很好的替代品；陶瓷基复合材料好的导电性和抗热震性使它在熔融金属的电极材料的应用方面也有很大的潜力。此外，利用陶瓷基复合材料高的导电率、好的导热性，使得铜基材料不仅得到加强，而且不影响铜基材料的电学性能。尽管陶瓷基复合材料的结构部件已用于某些发动机,但陶瓷基复合材料并没有的真正广泛应用,在很多方面有待于进一步的研究。将来的发展方向应集中在如下几个方面:(1)寻找更好的制备工艺,以降低制备周期及制备成本、减少纤维的损伤、改善纤维与基体的界面和进一步提高材料的各项性能。(2)对材料在高温氧化环境中的氧化行为及机理进行研究,找出提高材料抗氧化性能的涂层材料及其制备工艺。(3)加强材料的应用研究,扩大其应用范围。高分子复合材料的特性高分子复合材料，从狭义上来说是指高分子与另外不同组成、不同形状、不同性质的物质复合而成的多相材料，大致可分为结构复合材料和功能复合材料两种。广义上的高分子复合材料则还包含了高分子共混体系，统称为“高分子合金”。当分散相为金属/无机物时，则称为有机/无机高分子复合材料；而当分散相为异种高分子材料时，则称为高分子共混物。高分子复合材料的发展及其展望复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域，纳米复合材料则是其中最具吸引力的部分，近年来发展很快，世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。该研究方向主要包括纳米聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料。在纳米聚合物基复合材料方面，主要采用同向双螺杆挤出方法分散纳米粉体，分散水平达到纳米级，得到了性能符合设计要求的纳米复合材料。我们制备的纳米蒙脱土/PA6复合材料中，纳米蒙脱土的层间距为1.96nm，处于国内同类材料的领先水平（中国科学院为1.5~1.7nm），蒙脱土复合到尼龙基体中后完全剥离成，纳米复合材料为厚度1~1.5nm的纳米微粒，其复合材料的耐温性能、阻隔性能、抗吸水性能均非常优秀，此材料已经实现了产业化；正在开发的纳米TiO2/聚丙烯复合材料具有优良的抗菌效果，纳米TiO2粉体在聚丙烯中分散达到60nm以下，此项技术正在申报发明专利。由于纳米聚合物复合材料的成型工艺不同于普通的聚合物，本方向还积极开展新的成型方法研究，以促进纳米复合材料产业化的进行。碳纳米管是上个世纪九十年代初发现的一种新型的碳团簇类纤维材料，具有许多特别优秀的性能。我们在碳纳米管取得的研究成果主要包括：1）大规模生产多壁碳纳米管的技术，生产出的碳纳米管的质量处于世界先进水平，生产成本也很低，为碳纳米管的工业应用创造了条件。2）开发了制造碳纳米管为电极材料的双电层大容量电容器的技术。3）开发了制造具有软基底定向碳纳米管膜的技术。钨铜复合材料具有良好的导电导热性、低的热膨胀系数而被广泛地用作电接触材料、电子封装和热沉材料。采用纳米粉末制备的纳米钨铜复合材料具有非常优越的物理力学性能，我们采用国际前沿的金属复合盐溶液雾化干燥还原技术成功制备了纳米钨铜复合粉体和纳米氮化钨－铜复合粉体，目前正在加紧其产业化应用研究。铝基复合材料纤维增强铝基复合材料具有比强度和比模量高、尺寸稳定性好等一系列优异性能，但价格昂贵，目前主要用于航天领域作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料