金属基复合材料综述

金属基复合材料研究综述摘要：本文着重介绍了复合材料特别是金属基复合材料的分类，制备工艺及其主要的研究方向，应用领域。最后总结金属基复合材料的前景及发展要求。关键词：金属基复合材料制备工艺前景展望ThepresentconditionandprospectsonMetalMatrixCompositesKangYongqiangclassⅡofMaterialsscienceandEngineeringAbstract：TheTypes,FabricatingTechniques,PrincipalDirectionofResearchofmetalmatrixcompositesareintroducedinthispaper.Respectsanddevelopmentrequirementsofmetalmatrixcompositematerialisalsodescribed.Keywords:Metal-MatrixComposites,FabricatingTechniques,developmenttrend材料是社会发展的物质基础和先导,而新材料则是社会进步的重要里程碑。新材料技术是支撑当今人类文明的现代工业关键技术,新材料技术一直是世界各国科技发展规划之中一个十分重要的领域,它与信息技术、生物技术、能源技术一起,被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。复合化是新材料的重要发展方向,也是新材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一[1]。复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一。先进复合材料是比原有通用复合材料具有更高性能的复合材料，包括各种高性能增强剂与耐温性好的热固性和热塑性树脂基体所构成的高性能树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料和碳基复合材料，包括使用其力学性能的结构复合材料和使用其他性能的功能复合材料[2]。我们可以广义地把弥散强化和纤维增强的金属称为复合材料。改进金属的机械强度的可能性是[3]：1、塑性变形；2、固溶休；3、弥散第二相；4、掺入比基体更强的纤维；金属基复合材料（MMCs）是以金属为基体的复合材料，对它的研究起步于20世纪50年代末、60年代初，该材料于70年代成功地应用于航天飞机上。由于其制造成本占总成本的60%!70%，研究发展高效、省时、低能耗、设备简单、能实现近似无余量成型的工艺方法乃当务之急。尽管MMCs目前尚未获得大规模应用，但它具有耐温较高、抗磨性好、力学性能一般比基体金属高、热膨胀系数比基体金属小、导热率较高、以及所有性能均可在一定范围内加以设计等特点，并具有一定的二次加工性能，必定存在着充分发挥其性能优势的应用领域。目前除了航空航天及其他一些尖端技术领域，还用于民用工业如汽车齿轮、活塞、连杆及体育用品等，随着工艺技术的提高而不断降低成本，MMCs将会凭其优异的性能进入能发挥其优势的市场，它将有更加广阔的应用前景［4］。1.MMCs的类型及其应用按照基体的不同,金属基复合材料可以分为铝基、铁基、钛基和铜基等复合材料。MMCs按增强体的形式可分为连续纤维增强、非连续增强（短纤维或晶须、颗粒增强）和片层叠合和共晶定向凝固型四大类。1.1基体为了保证金属基体与增强颗粒能够进行良好的复合，金属基体必须有足够的流动性和成型性。但在一般情况下，金属基体的熔点高，在制备过程中容易发生界面反应、氧化反应,而这些反应不利于复合材料的制备。金属基复合材料的基体选择最多的是Al、Ti、Mg合金体系。以铝及其合金为基体的复合材料具有高的比强度和比刚度，是颗粒增强金属基复合材料中开发最早,品种和规格最多，应用最广泛的一类复合材料。以钛及其合金为基体的复合材料具有很好的抗氧化性和高温力学性能，在航空航天工业中可以替代镍基耐热合金。镁及其合金具有比铝更低的密度，以镁为基体的复合材料在航空航天和汽车一均业应用中具有很广阔的应用前景。1.2连续纤维增强MMCs连续纤维增强MMCs由于必须先制成复合丝或复合片等先驱体，工艺复杂而成本高，因此与颗粒增强MMCs相比，其商品化进程相对缓慢。B／Al是连续纤维增强MMCs得到实际应用的最好范例。美国于20世纪60年代开始研究，70年代成功应用于航天飞机轨道器上。用B／Al管材制造的主骨架、肋条桁架的支柱、骨架稳定支架、制动器支撑架等共89种243根150kg，比最初设想的铝合金方案减轻145kg，相当于质量降低44%。1.3非连续增强MMCs非连续增强体MMCS包括颗粒增强、晶须增强和短纤维增强MMCS。这种材料虽然其增强效应远不及连续纤维，但它主要是可以弥补某些材料性能的不足，如增加刚度、耐磨性、耐热性、抗蠕变等。使增强相颗粒在金属基体中能够和基体良好结合,并且保证其在金属基体中均匀分布是制备金属基复合材料首要解决的2个问题。陶瓷颗粒增强相多选择A12O3、SiC、ZrO2、MgO、Si3N4、SiO2和WC等。选择颗粒增强相时,既要考虑颗粒增强相的应用条件和制备工艺,又要考虑材料的成本等因素。目前在MMCs中仍以SiC和Al203颗粒增强铝为主，其次为短纤维增强和连续纤维增强的MMCs。颗粒增强型MMCs以其高耐磨、高强度、低成本等优点受到广泛关注[5]。目前已具备批量生产条件，具有良好的发展及应用前景。1.4片层叠合MMCS片层叠合MMCS是由纤维树脂预浸料和薄金属板组成的层间复合材料。其中的ARALL（AramidFiberA1uminiumLaminate）是一类具有优良性能的新兴材料，于20世纪80年代问世，它是由纤维浸渍树脂基体后和薄铝合金板经过复杂的预处理过程后交叠铺层再热压而形成的层间超混杂复合材料。它将纤维复合材料和合金铝的良好性能溶为一体，具有高强度、低密度、抗冲击、耐高温、抗雷击和耐老化等特性，应用前景广阔。目前国外在F-27、F-50和C-17等飞机上进行了机翼下蒙皮、机身圆筒段蒙皮和货舱门等的设计与试飞，并取得成功[4]。它也可以用于其他军工和民用产品上。1.5共晶凝固MMCS铸造复合的复合材料中常会发生因浸渗不良或基体凝固收缩而造成孔隙,已有报道可以采用两种途径来解决:一是用定向凝固法在较大的温度梯度下进行凝固,另一是在凝固的过程中施加较高的压力来提高体系的密度。当然这两种方法都存在不足之处,前者的设备和工艺均复杂不易用于生产,后者又会由于压力过高而导致增强体破坏。另外,对不同凝固条件下使基体金属晶粒尺寸改变的情况也有一些研究工作。由于复合材料中金属基复合材料的晶粒尺寸取决于形核速度及凝固过程中液态的滞留情况,形核速度受凝固时冷却速度及增强体异相形核的作用,从而可以改变基体金属的晶粒尺寸,而液态滞留时间长会使晶粒不断长大[6]。2.MMCS的制备方法2.1粉末冶金法首先把基体粉末和增强相粉末混合后进行球磨,然后在不同的工艺条件下,于燥并烧结混合粉末。粉末冶金法分粉末混合、压实和烧结3个步骤。粉末冶金法不存在界面反应,可以制备出大体积分数的复合材料,任何合金都可以作为基体材料,允许使用几乎所有种类的增强相；增强相颗粒分布均匀,质量稳定。但此法成本高,一般需要二次成型;粉末在球磨的过程中形状受到限制；工艺程序复杂,制备周期长[7]。2.2原位复合技术原位复合技术是在一定条件下,通过元素之间或者元素与化合物之间的化学反应,在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相,从而达到强化金属基体的目的。此法制备金属基复合材料成本较低,颗粒在金属液的内部生成,表面无污染,基本上没有界面反应发生,颗粒在基体的熔体中热稳定性好,生成颗粒细小;但工艺过程难控制,增强相的成分和体积分数不易控制[8]。2.3扩散粘结法对于连续增强体则较复杂,需先将纤维进行表面涂层以改善它与金属的润湿性并起到阻碍与金属反应的作用,再浸人液态金属制成复合丝,最后把复合丝排列并夹人金属薄片后热压烧结。对于难熔金属则用等离子喷涂法把金属喷射在纤维已排好的框架上制成复合片,再把这些片材层叠热压或热等静压成型。这类方法成本高,工艺及装备复杂,但制品质量好[9]。2.4叠层复合法叠层式金属基复合材料系先将不同金属板用扩散结合方法复合,然后采用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属、陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料旧.这种复合材料性能很好,但工艺复杂难以实用化.目前金属基复合材料的应用尚不广泛,过去主要少量应用或试用于航空、航天及其他军用设备上,现在正努力向民用方向转移,特别是在汽车工业上有很大的发展前景[9]。3.各类型简述3.1铝基复合材料铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。铝在制作复合材料上有许多特点，如质量轻、密度小、可塑性好，铝基复合技术容易掌握，易于加工等[10]。此外，铝基复合材料比强度和比刚度高，高温性能好，更耐疲劳和更耐磨，阻尼性能好，热膨胀系数低。同其他复合材料一样，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要。采用颗粒增强制备铝基复合材料成本相对较低，原材料资源丰富，制备工艺简单。选择适当的增强颗粒与基体组合可制备出性能优异的复合材料，具有很大的发展潜力和应用前景。3.1铁基复合材料铁基复合材料是目前应用较广的工程结构材料，多采用颗粒增强相，根据材料复合情况的不同，可分为整体和表面复合两大类，目前已开发出不少的制备铁基复合材料的工艺方法，它们具有各自的优缺点[11]。目前用粉末冶金法生产的铁基复合材料主要用于机械零件、轴承、摩擦材料等。日本和原苏联利用粉末冶金法得到以合金钢为基掺合颗粒状硬质碳化物的复合材料钢结硬质合金。近年来该技术还用于生产高性能陶瓷颗粒增强高速钢基复合材料。3.3钛基复合材料钦基复合材料(TMC)以其高的比强度、比刚度和抗高温特性而成为超高音速宇航飞行器和下一代先进航空发动机的候选材料[12]。钛基复合材料可简单分为两大类:非连续颗粒增强和连续纤维增强钦基复合材料。研究重点主要集中在5个方面：一是钦基体和增强剂的选择；二是制造方法和加工工艺的研究；三是强化剂与基体界面反应特性和扩散障碍涂层；四是性能评价和实验方法；五是应用领域的开拓。3.4镁基复合材料相同体积的镁合金比铝合金价格便宜10％一20％，而且镁合金的铸造、加工和回收成本都比铝合金低。而且在工程应用合金当中，镁合金的密度最低，约是铝合金的2／3，镁基复合材料因而具有更高的比强度、比刚度，同时还具有较好的耐磨性、耐高温及减震性能。此外，镁基复合材料还具有良好的阻尼性能和电磁屏蔽性能，是良好的功能材料。因此镁基复合材料在电子、航空、航天特别是汽车工业中具有潜在的应用前景[13]。3.5铜基复合材料研制、开发高强度、高导电铜基导电材料一直是铜合金研究的热点之一。许多应用领域要求所用材料需高导电性及高强度兼备。根据不同的结构和性能特点，高强度、高导电铜基导电材料可分为高强度、高导电铜合金和高强度、高导电铜基复合材料两大类.高强度、高导电铜基复合材料具有比铜合金更为优越的性能，是今后发展的方向[14。目前内氧化法制备的A1203弥散强化铜的性能已达到了较高的水平，但工艺复杂。碳纤维增强铜基复合材料以其优异的导电、导热、减摩和耐磨性能以及较低的热膨胀系数而广泛应用于航空航天、机械和电子等领域[15]。正是由于这种材料优异的性能以及在应用方面的优势，国内外对于碳纤维增强铜基复合材料的研究一直没有间断过。4.总结与展望MMCs已经成功地从实验室走向市场,并在诸多应用领域站稳了脚跟,这受益于广泛而深入的基础研究工作,为低成本、高效率生产MMCs提供有力的技术支撑。今后的研发工作主要应着眼于两个方面,即在进一步完善已有MMCs材料和技术的同时,寻求新一代MMCs设计与制备的突破口,从而为MMCs的可持续发展奠定基础[16]。就当前的实际情况来看,颗粒和短纤维增强的复合材料是有生命力的,并已在汽车工业等方面初步获得应用。但是其制备科学仁尚留下大量问题有待解决.例如熔体浸润过程中的流变学问题,铸造过程中气体吸附、脱附过程,增强体均匀分布与温度场、应力场、塑性流