金属基复合材料的现状与展望.pdf

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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/金属学报期月第卷第年金属基复合材料的现状与展望吴人洁上海交通大学,上海摘要本文综述了金 属基复合材料 的进展情况,包括其所处地位、现有品种、制备工艺、应用情况 和存在问题报道 了目前本领域的研究热点,如界面问题,凝固过程,一些金属基复合材料的制备科学以及原位复合工艺等方面 的现状,并在此基础上展望发展前景,关键词金属基复合材料,界面,原位复合金属基复合材料在年代末才有较快的发展,是复合材料一个新的分支,目前尚远不如高聚物

2、基复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有防燃、不吸湿、高导 电与导热、使用时不释放气体等特点,所以仍具备发展的必要性,进展现状金属基复合材料基本上可分为连续纤维增强、非连续体增强包括颗粒、短纤维和晶须和叠层复合三类 所用的基体金属包括,等轻金属及其合金、高温合金以及金属 间化合物等,也有少量以钢、铜、锌、铅为基体连续增强体主要有碳及石墨纤维、碳化硅纤维 包括钨芯及碳芯化学气相沉积丝和先驱体热解纤维、硼纤维钨芯、氧化铝纤维、不锈钢丝和钨丝等,非连续增强体中短纤维常用氧化铝含莫来石和硅酸铝 纤维,颗粒则有碳化硅、氧化铝、氧化错、硼化钦、碳化钦和碳化硼等,而

3、 晶须类主要为碳化硅、氧化硅以及最近开发 的硼酸铝、钦酸钾等晶须用以上 的各种基体和增强体虽 可组成大量金 属基复合材料的品种,但实际上 只有极少几种有应用前景,多数仍处在研究开发阶段,甚至也有不少品种 目前尚看不到其应用前景金属基复合材料的复合工艺比高聚物基复合材料相对复杂和 困难这是由于金属熔点较高,需要在高温下操作,同时不少金属对增强体表面的润湿性很差,甚至不润湿,加上金属在高温下很活泼,易与多种增强体发生反应 针对这些情况,目前虽然已发展出不少复合工艺,但各自仍存在一定的问题 常用的复合工艺可分以下三类扩散粘结法对于颗粒、晶须等增强体可以采用成熟的粉末冶金法,即把增强体与金属粉末混合后

4、冷压或热压烧结,也可以用热等静压的工艺 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收稿日期一本文通讯联系人吴人洁,教授,上海上海交通大学复合材料研究所 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/期吴 人洁金属基复合材料的现状与展望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

5、成本高,工艺及装备复杂,但制品质量好铸造法用铸造法制备金属基复合材料,工艺比较 简单,制品质量 也 较好,所以受 到普遍 的关注铸造法中包括熔体搅拌铸造法、液相浸渗法和共喷射法等熔体搅拌法是一种简单常用的方法,分液态和半固态搅拌法两种,前者系将固态颗粒逐步混合于处在机械搅拌下 的液态金属中而半固态是利用含有一定 固相 的半固态熔体在高速切应力作用下 的流变行为使之粘度降低,颗粒逐步加人后,熔体中的固相可以起到阻止颗粒上浮和下沉的作用,这种方法也称复合铸造法这类方法的设备与工艺相对简单,同时可以制成铸锭,用常规二次加工方法制成工件或型材但是制件中容易形成气孔、夹杂、增强体分布不均匀等现象而影响质

6、量液相浸渍法中有挤压法和真空一压力浸渗法一八这两种方法均需要把增强体制成预制件,压力浸渗法则将预制件放人模具预热后,即将金属熔体倾人,同时压下压头,使其在压力下浸渗,熔体凝固后即可脱模这种方法工艺简单,但预制件中的气体不易在凝固前排出而造成气孔与疏松,同时预制件也易发生变形和偏移因此,在此基础上 又发展 了真空一压力浸渗法川,即将预制件放人位于承压容器的模具内,先抽真空,排出预制件 内的气体,再用气压把金属熔体由通道压人模具 内,使之浸渗预制件,等其冷凝后取出这种方法虽然需要专用设备,但是制件质量好,同时可使增强体达到很高的体积分数共喷射沉积法。一是一种新复合方法内,它是用隋性气体将液体金属雾

7、化成微小的液滴,并使之向一定方 向喷射,在喷射途中与另一路由隋性气体送出的增强体微细颗粒会合,共同喷射沉积在有水冷衬底的平台上,凝固成复合材料这是一个较复杂的过程,与金属的雾化情况、沉积凝固条件和增强体的送人角度等有关,过早的凝固则不能复合,而过迟 的凝固则使增强体发生上浮下沉而分布不匀这种方法 的优点是工艺快速,金属的大范围偏析和晶粒粗化可以得到抑制,避免复合材料发生界 面反应,增强体分布均匀缺点是 出现原材料被气流带走和沉积在设备器壁上等现象而损失较大,还有复合材料气孔率高以及容易出现疏松情况盛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

8、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在航天技 术 方面,硼纤 维铝复合材 料已用 于制造航天 飞机 中部长 的货舱析架,石墨纤维镁复合材料已作为空间动力回收系统的构件和各种卫星上的天线结构件,石墨纤维铝复合材料则用来制造卫星用 的波导管和摄影机镜筒因为这些复合材料可以在满足力学性能的情况下减轻重量,同时还具有低热膨胀系数性能在航空工业方面,正试用碳化硅纤维钦和碳化硅纤维金属间化合物复

9、合材料来制造先进燃气涡轮发动机,以提高其结构稳定性,还用碳化硅晶须铝来制造运输机货舱地板,如能成功则可望 明显降低飞机的重量 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/纪念金属学报创刊周年专辑卷金属基复合材料目前最大的应用 出路是在汽车工业方面,用氧化铝包括莫来石和硅酸铝 增强铝合金已成功地制成镶圈,用于活塞环槽及顶部,以代替现用的含镍奥氏体铸铁镶圈,不仅耐磨性相当,而民还 可以减轻重量、简化工艺和降低成本,现已小批量生产试用 另外,发动机缸套、连杆、连杆销、刹车

10、盘等也在试用金属基复合材料制造如果能打开市场,将会有较大的产量其他方面如运动器材、自行车车架、各种型材以及装甲车履带、轻质防弹装甲等也有报道,但不仅处于试用 阶段,而且预计的产量也很小金属基复合材料由于其制造成本高,工艺又增加 了复杂性,而且也不成熟,使之与其它金属材料相比出现价格高、质量稳定性差、使用经验少等问题,阻碍其发展进程 然而由于它性能的优越性和具有潜力,因此吸引了很多材料工作者致力于研究和开发主要是就当前已经应用和比较有工业化发展前途 的品种 对其结构与性能方面进行深入研究,同时也在探索新 的复合工艺方法结果普遍 发现多数金 属基复合材料的增强体与基体界 面上将出现合金元素的偏析、

11、界面反应等现象,并对复合材料性能有很大的影响 由于在界面上形成的 由基体与增强体的反应产物或基体中的合金元素富集在界面产生的金属 间化合物基本上是脆性物质,在受载时极 易萌生 裂纹而导致出现低应力破坏但是适 度 的界 面反应又有利于提高界 面结合强度,特别是对一些 润湿性差 的体系能够起到改善力学性能 的作用此外在加工过程中,工艺参数的改变使复合材料的金 属基体除了保留原有金属的组织结构的变化规律外,还会受到增强体的影 响,同时增 强体的分布也会发生变化,特别是在凝 固、时效等过程中其作用是很明显的,从而也使复合材料 的性能产生很大 的影响另一方面,由于金属基复合材料工艺尚不成熟,所以除了研究

12、试探新的复合途径外,对目前已较实用的复合方法也需要进行深人细致的研究,以提高其效率和改善制品质量,这些问题都是 当前研究 的 重点 内容目前研究的热点及其发展情况金属基复合材料的界面金属基复合材料的界 面 问题一直是 困扰本领域工作者的重大 问题因为金属基复合材料的界面有三种类型,而 且界 面以五种 不同的方式结合,所以界面区结构非常复杂虽然多数金属基复合材料是以界 面反应 的形式结合,但是反应的程度受工艺方法及温度参数的影响极大,同时由于 界 面仄尺寸仅为纳米级,从而使分析表征工作困难很大因此当前的研究工作是致力于用各种先进 的分析手段如高分辨透射电镜和带有能量色散射线谱或并列式 能量损失谱

13、的分 析透射电镜,带有 电子探 针或 能谱的扫 描电镜,射线衍射或电 子衍射,电子谱仪,扩展射线吸收精细结构谱等方法表征界面结构这些工作虽然已取得不少成果”,例如碳铝复合材料界面反应产物的生成过 程 及其晶体形貌,以及含铜 的铝合金基体在界 面上形成的金 属 间化合物 形貌和 界 面区的位错 分 布 等 均已比较清楚,其它一些复 合材料体系 如,。的界 面结构研究也有较好的结果但是迄今为 卜,还不能说上述方法能强有力地表征界 面结构,而经常需要 用多种方法 的测 定结果加科学推断才能比较清楚地 了解界面关于金属基复合材料界面结构 与性能 间的关系研究也有大量的报道研究表明,界 面结构对复合材料

14、 的性能影响极大 为了防止由于界面反应生成的脆性陶瓷产物在受力时起到萌 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/吴人洁金 属基复合材料的现状与展望生裂纹源作用,不少研究工作提 出各种对增强体表面作涂层处理的方法,使涂层既改善了界面润湿性又起到反应阻挡层 的作用,取得一定 的效果,其中复合梯度涂层能起到良好的综合作用“,但这种方法工 艺复杂,难以大量应 用 界 面结合力的大小也对复合材料产生很大的影响,因为界面有双重作用,一方面起到传递应力的作用,使增强体承担主要

15、载荷另一方面又以界面脱粘和增强体的拔出来使裂 纹偏移和 吸收能量因此,实验证明确实存在最佳界 面结合状态然而,由于界 面 的复杂性,一时难以从理论上取得界面优化的判据,即便界面结合力的测定也没有满意 的方法,目前虽然已提出诸如单丝拔出法、显微单丝顶 出法以及利用一般力学试验机测定短梁三点弯曲来计算层 间剪切强度等方法,其数据有近数量级的差别,因此只能作相对比较之用 另外金属基复合材料也存在着界面残余应力,它对性能亦有影响,然而目前仅能用射线衍射的甲法,但该方法仅能测 出界 面两侧一定厚度范围内的平均残余应力而并非真正 的界 面残余应力在以上这些方面均留下大量 的问题有待解决金属基复合材料的凝固

16、过程金属的凝固过程已经研究得比较成熟,但金属基复合材料的凝固过程 由于增强体的存在使基体金属的凝固过程变得复杂,难以套用现有的金属凝固理论实际上由于增强体的存在,其凝固过程中的温度场和浓度场、晶体生 长 的热力学和动力学过程都会发生变化同时一般凝固过程均处于非平衡条件下,因此流体的流动行为、溶质的再分配规律以及凝固体的组织形态也有相应的变化由于 这些变化均将对金属基复合材料的性能产生明显的影响,所以越来越得到重视尽管目前的研究结果 尚不多,但是已经发现许多值得深人研究的问题,而且正在不断地扩大与深化之中 例如用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

17、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因此有报道将液态金属注人处于金属熔点 或液相线温度以下的增强体预制件中,使金属骤遇冷增强体发生迅速热交换,从而使增强体周

18、围凝固成一层具有细小晶粒的固态金属对于颗粒增强金属基复合材料的研究发现,在凝固过程中,由于颗粒与基体的液固界 面的相互作用随着凝固速度 的改变将出现不同的行 为,即凝固速度小时复合材料 中颗粒会被液固界 面推移,而凝固速度大时颗粒则被液固界面吞没,使复合材料 中颗粒均匀分布,其中存在一个临界速度作为两种行为的分界线,金属基复合材料凝固速度变化对其力学性能的影 响 因其所用 的复合体系不同而异 例如复合材料,由于铝合金基体含硅 量较高,在凝固过程中随凝固速度的减慢,脆性的共晶相尺寸 增大,容易萌生裂 纹而使强度降低,另外以莫来石纤 维 增强一合金,则因凝固速度降低使一相容易以莫来石为异质形核基底

19、而迅速长大,这种脆性物质同样也会使复合材料强度降低 但实验表明,以碳纤维增强一合金时,则随凝固速 度的降 低,碳 纤维表面 上 生 长 的决量减少,反 而使 复 合材料强度 有 所 提高 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/纪念金属学报创刊周年专辑卷非连续增强金属基复合材料的制备科学非连续增强体颗粒、短纤维、晶须 增强 的金属基复合材料,由于其制造工艺较简单,价格相对低廉,所以在汽车、纺织等民用 工业中初步获得应用,特别是颗粒增强和硅酸铝或莫来石 短纤维增强

20、的复合材料现在已有一定的生产规模对这一类金属基复合材料在制备过程 中所出现的问题必然会引起广泛重视 当前已有不少文献报道 了这方面的研究工作由于上述原因,颗粒增强金属基复合材料吸引了不少研究工作者的注意,其中用搅拌工艺制备过程 的研究较多研究结果表明,液态搅拌与半固态搅拌各有优缺点“前者粘度小,流动性好,易于操作,但容易夹杂,发生 界面反应和卷人气体后者虽有工艺上 的困难,且容易造成合金元素偏析,但由于 温度低而避免界面反应,同时也有利于细小颗粒的加入 和分散均匀,从而能明显提高复合材料的强度 为改善颗粒和熔体之 间的润湿性,提出了对颗粒进行表面处理和改变基体合金组成等两种措施”,另外也有不少

21、研究致力于设计搅拌形式及桨叶设计用挤压铸造法制备复合材料也有很多研究,主要集中在不同温度和压力条件以及增强体百分体积对颗粒性能的影响研究表明,对各种复合体系而言,置入模腔的预制件温度除了应低于液态金属基体的液相线温度外,还应设定在最佳值上使熔体完全 浸渗同时适当的压力也是必要 的,这样才能保证复合材料的质量由于复合材料制品常用铸锭的形式出现,这将涉及二次加工问题,如挤压、模锻、轧制、旋压等用这些不同的方法对复合材料进行二次加工,工艺参数对制品结构性 能的影响当然是研究的 目标 但近来很多工作集 中于研究复合材料 的高温形变性能,特别是超塑性的研究以期达到净形成型,避免出现由于复合材料中存在大量

22、硬质的无机非金属相而带来对加工设备或模具模口的磨损研究表明,利用基体和增强体的热膨胀系数的巨大差异,通过热循环使界面产生大的内应力,并与外应力共同作用下可以使复合材料发生超塑性形变,其最大形变量可达,另外,值得注意的是,受环境保护和资源利用意识的影响,金属基复合材料的回收再生问题也开始出现探索研究,并正在扩大和深人初步研究表明,颗粒增强铝基复合材料较容易进行重熔回收,在一定周期循环下对再生材料的性能影响并不大翔金属基复合材料的原位复合金属基复合材料 的原位复合工艺基本上能克服其它工艺中通常出现的一系列 问题,如基体与增强体浸润不 良,界面反应产生脆性层,增强体分布不均匀,特别是对微小的 亚微米

23、和纳米级增强体极难进行复合等,作为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视,并广泛开展了研究工作其中包括直接氧化法、无压力浸润法川、自蔓延法和在金属中已有研究基础 的原位共晶生长法等这些方法虽各有特点,但具有共性,即复合材料的强度、韧性以及其他力学性能取决于原位生长的增强相本身物理性质和几何尺寸以及显微组织形态和基体相 的含量 概括言之,原位生长的增强相本身具有高强度、高刚度和小 的几何尺寸,生成 态呈 晶须状并有相 当大的长径 比,对复合材料强度和刚度 的贡献就 明显因此,研究热点必然集中在合金的配制、参与反应物质 的设计、采用的工艺方法、原位反应机理和过程的研究以及原 位复合材料微结构与

24、性 能的研究等方面,并已发表了大量研究论文例如,一原位复合材料系采用,元素的混合气体直接注人一一合金液体,在 电磁和气动搅拌条件下 原位反应 生成的由于,本身的性能好,而又以晶须形态生成,而且颗粒在纳米级,因此力学性能较好,有一定发展前景 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/吴人洁金属基复合材料的现状 与展望金属基复合材料发展前景预测综上所述,金 属基复合材料要在未来取得进一步的发展,并列人规模生产 品种的行列,还有一段艰难的路程,但是 由于它性能优势的存在

25、,是有明确发展前景的,这就需要广大材料研究工作 者进行深 人 细致的基 础 研 究,探索新的工艺 方法并开 拓新 的有针对性 的应用范围在界 面研究方面,应致力于发展 更有力 的分析手段,在对界 面结构认识清楚 的基础上进行界面优化设计,克服金属基复合材料突出的界面问题,并力求研究结果有助于改善生产应用问题,其他基础性问题如凝固过程 的研究等也应 围绕生产实际过程,提出有效的措施,这样才真正起到促进金属基复合材料的迅速发展的作用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

26、,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、塑性流动场以及两相体积分数的关系,二 次加工和超塑性加工过 程中增 强体与基体之间的相互作用行为,以及微结构 的变化等都是需要研究的问题此外需要指出的是,原位复合是有发展有前途 的,但是,目前在原位反应 时,除了所预计生成的增强体外,仍不免其他 副反应夹 杂物存在,同时对增强体的体积分数也难以精确控制,因而影响材料质量稳定性 这些都是急待解决的问题相信经过艰苦的努力,在不远 的将来,金属基复合材料作为复合材料 的一个分支,会有举足轻重 的地位,并在众多材料行列 中占有一席之地参考文献吴人洁复合材料学报,夕,吴人洁,李鹏兴见李恒德,肖纪美主编,材料的表面与界面,北京清华大学 出版社,储双杰,吴人洁电 子显微学报,待发表王浩伟,储双杰,张国定,吴人洁机械工程学报,月石凌 百一,儿,储双杰,金瑞,王浩伟,吴人洁,赵昌正有色金属,待发表 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/纪念金属学报创刊周年专辑卷储双杰,吴人洁金属学报,待发表犬泛厂啥材口,一谢国宏材料工程,玲诬,一,了口,崔春翔,吴人洁金属学报,矛只,且,且,子,乙,入 厦牙馆馆,馆一一,砰,用,了