金属基复合材料研究进展.pdf

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1、http:/ 金属基复合材料研究进展 张建军 路丽英 苑彩平 郭胜利（内蒙古工业大学 材料科学与工程学院 呼和浩特 010051）摘摘 要：要：本文从金属基复合材料的的基体、增强物、界面、制造方法、发展前景等五个方面进对金属基复合材料研究现状进行了综述，报道了本领域研究存在的问题，并在此基础上展望发展前景。关键词：关键词：金属基复合材料、基体、增强物、界面、制造方法 1 引引 言言 金属基复合材料是上世纪 60 年代发展起来的一门相对较新的材料科学，是复合材料的一个分支。随着航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展对材料提出了日益增高的性能要求，除了要求材料具有一些特殊的性能外，还要具

2、有优良的综合性能，这些都有力地促进了先进复合材料的迅速发展。电子、汽车等民用工业的迅速发展又为金属基复合材料的应用提供了广泛的前景。特别是近年来，由于复合材料成本的降低，制备工艺逐步完善，在 21 世纪金属基复合材料将会得到大规模的生产和应用。目前，金属基复合材料已经从研究开发阶段进入生产阶段，但是金属基复合材料还远不如高聚物复合材料那样成熟。因此，金属基复合材料研究者或工程使用者有必要深入了解金属基复合材料。为此，本文从金属基复合材料的基体、增强物、界面、制造方法、发展前景等五个方面进行综述。2 基体合金基体合金【1】基体材料是金属基复合材料的主要组成，起着固结增强物、传递和承受各种载荷(力

3、、热、电)的作用。基体在复合材料中占有很大的体积百分数。在连续纤维增强金属基复合材料中基体约占 50%一 70的体积，一般占 60%左右最佳。颗粒增强金属基复合材料中根据不同的性能要求，基体含量可在90%一 25范围内变化，多数额粒增强金属基复合材料的基体约占 80%一 90。而晶须、短纤维增强金属基复合材料基体含量在70以上，一般在 80 一 90。金属基体的选择对复合材料的性能有决定性的作用，金属基体的密度、强度、塑性、导热、导电性、耐热性、抗腐蚀性等均将影响复合材料的比强度、比刚度、耐高温、导热、导电等性能。因此在设计和制备复合材料时，需充分了解和考虑金属基体的化学、物理特性以及与增强物

4、的相容性等，以便于正确合理地选择基-1-http:/ 体材料和制备方法。对于基体的选择，近年来的研究表明：最佳的结构合金未必是最佳的基体合金。这是因为应力、温度和环境、界面反应和相的稳定性影响着复合材料的基体材料。目前用作金属基复合材料的金属有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。对于连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量。而金属基体的强度和模量远远低于纤维的性能，因此在连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的

5、强度。如碳纤维增强铝基复合材料中纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金要好得多，高强度铝合金做基体组成的复合材料性能反而低。在研究碳铝复合材料基体合金优化过程中，发现铝合金的强度越高，复合材料的性能越低，这与基体与纤维的界面状态、阴性相的存在、基体本身的塑性有关。但对于非连续增强(颗粒、晶须、短纤维)金属基复合材料，基体是主要承裁物，基体的强度对非连续增强金属基复合材料具有决定的影响。因此要获得高性能的金用基复合材料必须选用高强度的铝合金为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度的铝合金为基体。3 增强物增强物 增强物是金属基复

6、合材料的重要组成部分，它起着提高金属基体的强度、模量、耐热、耐磨等性能的作用，随着复合材料的发展和新的增强物品种的不断出现，被选用于金属基复合材料的增强物的范因不断扩大，主要有高性能连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒、金属丝等。据估计,应用复合材料时,材料成本在总成本中的比例可达到 63%;而应用钢铁时,材料的成本只占 14%,差别很大。复合材料原材料的成本主要是增强体的成本,例如连续碳化硅长纤维的价格达到10万14万日元/;碳化硅、氮化硅等晶须的价格稍低,但也达到 5 万8 万日元/;而硼酸铝、钛酸钾、氧化锌、氧化镁等晶须的价格只有20004000 日元/。采用便宜的增强体制备复合材料无疑在价格

7、上具有优势,但材料性能不一定能满足要求。可根据具体零件的使用要求和使用状况选择合适的增强体,例如硼酸铝晶须与铝相容性不好,在高温下容易发生界面反应，但其膨胀系数、比强度、比刚度等性能在低温和常温下完全可以和碳化硅晶须增强复合材料相媲美。24 界界 面面 界面是复合材料特有的而且是极其重要的组成部分。正因为界面的存在及其在物理或化学方面的作用，才能把两种或两种以-2-http:/ 上异质、异形和异性的材料（即增强体和基体）复合起来形成优良的复合材料。因此复合材料界面的性质在很大程度上决定了复合材料的性能。所以只有了解复合材料界面微观结构、界面反应、和界面稳定性等特性，才能发展高性能复合材料。金属

8、基复合材料都需要在金属基体合金熔点附近的高温下制备。在制备过程中，难免存在不同程度的基体与增强物之间的界面反应、溶解、扩散、元素偏聚，以及纤维、晶须、颗粒等增强物与金属基体合金发生不同程度的相互作用和界面反应，形成不同结构的界面。研究表明，界面结构对金属基复合材料性能具有很大影响,界面结合力的大小也对金属基复合材料产生极大的影响。但是，由于界面的复杂性，难以取得界面优化的理论判据，因此,界面的研究成为材料科学中普遍而重要的问题。.5 制造方法制造方法 金属基复合材料品种繁多，其制造方法也因基体和增强物的不同，而有不同的制造方法。归纳起来可以分成以下三类：（一）固态法【1】将金属粉末或金属箔与增

9、强物(纤维、晶须、颗粒等)按设计要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再经加热、加压，将金属基体与增强物复合粘结在一体形成复合材料。整个工艺过程处于较低的温度，金质基体与增强物均处于固体状态。金属与增强物之间的界面反应不严重。粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、拉拔法等均属于固态复合成型方法。(二)液态金属法【1】金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合在一起的方法。金属在熔融态流动性好，在一定的外界条件下容易进入增强物间隙中。为了克服金属基体与增强物浸润性差，可采用加压浸渗。金属液在超过某一临界压力时，金属液能渗入微小的间隙，形成复合材料。也有通过纤维、颗粒表面涂层处理使金属液与增强

10、物的自发浸润。液态法制造金属基复合材料时，制备温度高，易发生严重界面反应，有效控制界面反应，是液态法的关键。液态法可用于直接制造复合材料零件，也可用来制造复合丝、复合带、锭胚等作为二次加工成零件的原料。挤压铸造法、真空吸铸、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法、搅拌复合法等均属于液态法。(三)自生成法及其他制备法 在基体金属内部通过加入反应元素，或通入反应气体在液态金属内部反应，产生微小的固态增强相，一股是金属化合物TiC，TiB2，A12O3等微粒起增强作用。通过控制工艺参数获得所需的增强物含量和分布。反应自生成法制备的复合材料中的增强物不是外加的而是在高温下金属基体中不同元素反应生成的化合物，与

11、金属有好的相容性。这方面研究的代表者是名古屋大学及丰-3-http:/ 田公司。在熔液中自身反应合成金属基复合材料的最大特点是避免了陶瓷第二相与金属液润湿性差的问题,并容易实现颗粒的均匀分布。目前研究的主要有Al-Si合金中自生TiC颗粒的金属基复合材料,Al-Mg合金中生成MgAlO4的金属基复合材料等。对其反应速度、材料的机械性能等进行了探索，但尚未实现规模化工业应用。由于此法能制造细小颗粒的金属基复合材料,并且颗粒与基体能较好地平衡及匹配,具有潜在的发展优势3。其他方法还有复合涂覆法，【4】将增强物(主要是细颗粒)悬浮于镀液中，通过电镀或化学镀将金属与颗粒同时沉积在基板或零件表面形成复合

12、材料层。也可用等离子等热喷镀法将金属与增强物同时喷镀在底板上形成复合材料。复合涂覆法一般用来在零件表面形成一层复合涂层，起提高耐磨性、耐热性等作用。5 发展前景发展前景 综上所述，金属基复合材料虽然已经进入生产阶段，但是要取得进一步的发展，还要有一段很艰难的路要走。由于金属基复合材料优越的性能，其发展前景十分广阔。就目前来看，金属基复合材料大规模应用主要原因就是金属基复合材料制造工艺复杂，界面问题突出，制造成本高5。相信经过科研人员的不断努力，金属基复合材料一定会在众多材料中占有重要的地位，一定会有广阔的研究和应用前景。参考文献 参考文献 1 张国定 赵昌正.金属基复合材料M 上海：交通大学出

13、版 1996.7 2 张学习等.非连续增强金属基复合材料的应用J.专题综述，2002，5：36 3 吴树森.日本金属基复合材料的应用J.兵器材料科学于工程,1999,22：59 4 周祖福.复合材料学M 武汉：工业大学出版社 1995：218219 5 曾美琴 欧阳柳章。复合材料界面研究进展J 中国铸造装备与技术 2002,6:23 Progress in research Metal matrix composite ZHANG Jianjun LU Liying YUAN Caiping GUO Shengli Inner Mongolia Polytechnic University (

14、010051)Abstract This article presents a review from consisteney,reinforcement,interface,producing method and future development.It is reported about existent problems in this field.On this base of this situation,a future development view is prospected.Keywords:metal matrix composite,consisteney,reinforcement,interface,producing method -4-