金屬基復(fù)合材料-研究生

1、淺談金屬基復(fù)合材料摘要：新材料的研究、發(fā)展與應(yīng)用一直是當(dāng)代高新技術(shù)的重要內(nèi)容之一。其中復(fù)合材料，特別是金屬基復(fù)合材料在新材料技術(shù)領(lǐng)域中占有重要的地位。金屬基復(fù)合材料對(duì)促進(jìn)世界各國軍用和民用領(lǐng)域的高科技現(xiàn)代化，起到了至關(guān)重要的作用，因此倍受人們重視。本文概述了金屬基復(fù)合材料的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀，對(duì)金屬基復(fù)合材料的分類、性能、應(yīng)用、制備方法、等進(jìn)行了綜述，提出了金屬基復(fù)合材料研究中存在的問題，探討了金屬基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料；分類；性能；應(yīng)用；制備；發(fā)展趨勢(shì)Abstract: The research development and application of new co

2、mposites are one of the important matters in modern high science and technology. This paper summarizes the metal matrix composites and the development history of the present situation and the classification of the metal matrix composites, performance, application and preparation methods, was reviewe

3、d, and put forward the metal matrix composites the problems existing in the research, discusses the metal matrix composites trend of development.Keywords: Metal matrix composites; Classification; Performance; Application; Preparation; Development trend- 9 -1.引言復(fù)合材料是繼天然材料，加工材料和合成材料之后發(fā)展起來的新一代材料。按通常的說法

4、，復(fù)合材料是指兩種或兩種以上不同性質(zhì)的單一材料，通過不同的復(fù)合方法所得到的宏觀多相材料。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)材料性能的要求日益提高。常希望復(fù)合材料即具有良好的綜合性能，又具有某些特殊性能。金屬基復(fù)合材料是近年來迅速發(fā)展起來的高性能材料之一，對(duì)促進(jìn)世界各國軍用和民用領(lǐng)域的高科技現(xiàn)代化，起到了至關(guān)重要的作用。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的制造方法的出現(xiàn)，高性能增強(qiáng)物價(jià)格的不斷降低，金屬基復(fù)合材料在各方面將有越來越廣闊的應(yīng)用前景。2.金屬基復(fù)合材料的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀20世紀(jì)60年代為滿足發(fā)展高性能武器裝備的軍事需要，人們開始對(duì)金屬基復(fù)合材料(MMCs)進(jìn)行研究和開發(fā)。70年代末，軍事領(lǐng)

5、域也開始強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性和風(fēng)險(xiǎn)性，政府軍事采購的數(shù)量明顯減少，使得高性能MMCs的開發(fā)和應(yīng)用變得相當(dāng)困難。80 年代，成本低、加工性能好的非連續(xù)增強(qiáng)MMCs出現(xiàn)，使MMCs的研發(fā)復(fù)興，也開始進(jìn)入其它應(yīng)用領(lǐng)域。至今,MMCs已成為繼金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料之后的第四大類材料，應(yīng)用前景廣闊。MMCs除了具有基體金屬或合金具備的良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，抗苛刻環(huán)境能力，抗沖擊、抗疲勞性能和斷裂性能以外，MMCs還具有高強(qiáng)度、高剛度，出色的耐磨性能和更低的熱膨脹系數(shù)(CTE)?；w材料的改變，增強(qiáng)體材料、尺寸、形狀和基體材料的改變，增強(qiáng)體材料、尺寸、形狀和分布的幾乎沒有窮盡的組合，使MMCs具有多樣

6、性。眾多基體中，目前以鋁、鎂、鈦基發(fā)展較為成熟。增強(qiáng)體中以SiC的使用量最大， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其它復(fù)合材料；其次是Al2O3。增強(qiáng)體不同，制造成本也有很大不同。連續(xù)纖維增強(qiáng)MMCs要比顆粒增強(qiáng)MMCs價(jià)格高很多，短纖維和晶須增強(qiáng)MMCs價(jià)格居中。3.金屬復(fù)合材料的性能3.1結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)度和剛度是結(jié)構(gòu)應(yīng)用的兩個(gè)最重要的特性。軸向性能，石墨環(huán)氧復(fù)合材料(Gr)的比強(qiáng)度和比剛度遠(yuǎn)高于其它材料，Ti(f)和Al(f)的次之。平面增強(qiáng)的Gr是 (在平面內(nèi))準(zhǔn)各向同性的，且Gr比鈦基復(fù)合材料(TMCs)廉價(jià)，比其它MMCs易得，注定了它是最大單向結(jié)構(gòu)效率的首選材料。典型的結(jié)構(gòu)件必須承受多向載荷，因此單向復(fù)合材料

7、的應(yīng)用受到限制。非連續(xù)增強(qiáng)MMCs的比強(qiáng)度和比剛度適中，易于獲得，是最具競爭力的結(jié)構(gòu)材料。MMCs越來越多地應(yīng)用于那些斷裂敏感的場合，并被實(shí)踐證明完全可以滿足使用要求。3.2熱學(xué)管理性能熱學(xué)管理是MMCs的一項(xiàng)很重要的應(yīng)用，應(yīng)用范圍很廣，包括計(jì)算機(jī)處理器的芯片基片，功率半導(dǎo)體設(shè)備和遠(yuǎn)程通信中的微波元件封裝。高的熱導(dǎo)率是首要的性能，比熱導(dǎo)率是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中組件的一個(gè)非常重要的性能。CTE是熱學(xué)管理中第二重要的性能。3.3用于精密裝置的性能像磁盤驅(qū)動(dòng)器、錄像頭、原子力顯微鏡的載物臺(tái)、機(jī)械臂、慣性引導(dǎo)系統(tǒng)、人造衛(wèi)星天線、高速制造設(shè)備和推進(jìn)系統(tǒng)，在運(yùn)行時(shí)承受很大的熱梯度和機(jī)械應(yīng)力的同時(shí)還要保持嚴(yán)格的尺寸公

8、差。對(duì)機(jī)械變形的抗力取決于材料的特性，比如剛度和密度，還有組件的幾何形狀和承受載荷的方式。特定質(zhì)量下具有更高的E/值的材料具有更好的抗彈性撓曲的能力。大的熱導(dǎo)率能減小熱梯度從而減小熱誘導(dǎo)應(yīng)力，所以增大/有利于減小熱誘導(dǎo)變形。3.4耐磨性能耐磨性能是MMCs的眾多性能中很重要的一項(xiàng)。硬質(zhì)增強(qiáng)顆粒的加入從本質(zhì)上增強(qiáng)了基體金屬的耐磨性能。MMCs適于作耐磨材料，性價(jià)比更高，經(jīng)濟(jì)性能更好。4.金屬基復(fù)合材料的分類金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體是一些不同幾何形狀的金屬或非金屬材料。目前，其增強(qiáng)相已有很多，重要的有氧化鋁纖維、硼纖維、石墨(碳)纖維、SiC纖維、SiC晶須；顆粒型的有SiC、碳化硼、圖化鈦等；絲狀

9、的有鎢、鈹、硼、鋼等。金屬基復(fù)合材料按其增強(qiáng)材料的幾何形態(tài)可劃分為五類。(1)連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是利用無機(jī)纖維(或晶須)及金屬細(xì)線等增強(qiáng)金屬得到質(zhì)量輕且強(qiáng)度高的材料，纖維直徑從3150mm(晶須直徑小于1 mm)，縱橫比(長度直徑)在102以上。 (2)短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料作為金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體的短纖可分為天然纖維制品和短切纖維。天然纖維主要是一些植物纖維和菌類纖維索等，長度一般為35150 mm；短切纖維一般是由連續(xù)纖維(長纖維)切割而成，長度 150 mm，用于金屬基復(fù)合材料短纖維增強(qiáng)體的材料主要有SaffilAl2O3、Al2O3SiO2、SiC等。(

10、3)晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料晶須是指在特定條件下以單晶的形式生長而成的一種高純度纖維，其原子排列高度有序，幾乎不含晶界位錯(cuò)等晶體結(jié)構(gòu)缺陷，有異乎尋常的力學(xué)性能。(4)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是利用顆粒自身的強(qiáng)度，其基體起著把顆粒組合在一起的作用，顆粒平均直徑在1微米以上，強(qiáng)化相的容積比可達(dá)90。常用作金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體的顆粒主要有：SiCAl2O3、TiC、TiB2、NiAl、Si3N4等陶瓷顆粒，以及石墨顆粒，甚至金屬顆粒。(5)混雜增強(qiáng)金屬復(fù)合材料對(duì)上述四種單一的增強(qiáng)形式進(jìn)行有機(jī)的組合就形成了混雜增強(qiáng)。增強(qiáng)體的混雜組合可分為三種：顆粒短纖維(或晶須)連續(xù)纖維顆粒、連續(xù)纖

11、維連續(xù)纖維、在短纖維或晶須的預(yù)制件中，易出現(xiàn)增強(qiáng)的粘結(jié)、團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒的混入可以解決這一問題與單一的增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料相比，可以大幅度提高材料的橫向強(qiáng)度，改善材料的力學(xué)性能。5.金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用5.1地面運(yùn)輸汽車行業(yè)中的主要應(yīng)用包括局部增強(qiáng)的柴油機(jī)活塞，局部增強(qiáng)的Al發(fā)動(dòng)機(jī)組的缸體，進(jìn)氣閥和排氣閥，驅(qū)動(dòng)軸和連桿，制動(dòng)組件(剎車盤、轉(zhuǎn)子和卡鉗)，混合式車或電車的電源模塊。5.2熱學(xué)管理熱管理零件具有很高的附加值，通常是每平方英寸幾美元。這方面應(yīng)用最多的是Cu/Mo和Cu/W。以前多采用液態(tài)金屬浸滲來制造，現(xiàn)在用P/M法，可以實(shí)現(xiàn)近凈成形工藝，用攪拌鑄造、液態(tài)浸滲、P/M的方法制造的Al/Si

12、C正被越來越廣泛地應(yīng)用。用P/M法制得的Be/BeO用于高性能的場合。AlBeMet是金屬/金屬復(fù)合材料，通常用P/M或鑄造方法制造，應(yīng)用于需要良好結(jié)構(gòu)性能的熱管理零件。5.3航空航天航空學(xué)的MMCs應(yīng)用已經(jīng)建立起了飛機(jī)結(jié)構(gòu)學(xué)、飛機(jī)推進(jìn)學(xué)和輔助系統(tǒng)三類。飛機(jī)結(jié)構(gòu)組件包括F16飛機(jī)的機(jī)腹尾翼、燃料通道門蓋板,歐洲直升機(jī)EC120 和N4直升機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片。5.4工業(yè)、娛樂業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施工業(yè)工業(yè)應(yīng)用包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、電鍍和浸漬金剛石刀具，銅和銀MMCs 電觸點(diǎn)，石化行業(yè)的抗腐蝕涂層。TiC增強(qiáng)的鐵和鎳合金具有出色的硬度和良好的耐磨性能，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛：切削、軋制、制粒、沖壓、沖孔、金屬熱加工、

13、拉拔、模鍛、鉆孔等；制作的零件包括：鍛錘、沖壓模、罐裝工具、壓紋輥、止回閥、擠壓機(jī)噴嘴、彎曲模、擠壓模、熱鍛模模襯等。6.金屬基復(fù)合材料的制備工藝6.1制備工藝與分析金屬基復(fù)合材料的復(fù)合制備工藝復(fù)雜、技術(shù)難度較大，但制備技術(shù)研究是決定該類材料迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。所以，研究開發(fā)實(shí)用有效的制備方法一直是金屬基復(fù)合材料的重要問題之一目前，雖然已經(jīng)研制出不少復(fù)合工藝，但都存在一些問題。按照制備過程中基體的溫度，將其工藝分為液相工藝、固相工藝和液固兩相工藝、液相復(fù)合工藝。6.2液相工藝攪拌復(fù)合工藝攪拌復(fù)合工藝又稱攪拌鑄造法，是通過機(jī)械攪拌裝置使顆粒爭強(qiáng)體與液態(tài)金屬基體混合，然后通過常壓鑄造或真

14、空常壓鑄造或壓力鑄造制成復(fù)合材料錠子或零件。浸滲復(fù)合工藝浸滲工藝包括高壓 氣壓 無壓浸滲三種，該制備技術(shù)已用于制造Toyoto發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。液態(tài)金屬浸滲法是一種制備大體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料的好方法，但是存在預(yù)制塊的變形、微觀結(jié)構(gòu)不均勻、晶粒尺寸粗大和界面反應(yīng)等缺點(diǎn)。(1)擠壓鑄造擠壓鑄造是將增強(qiáng)體材料制成一定形狀并有一定強(qiáng)度的預(yù)制體，再將金屬液浸滲到預(yù)制體中，保壓凝固而成。(2)氣壓浸滲氣壓浸滲能有效防止金屬和增強(qiáng)體的氧化，限制了界面反應(yīng)，改善界面，提高了浸潤性，減少了出現(xiàn)氣孔等缺陷的幾率。由于其制造過程氣壓不超過10 MPa，所以零件不易開裂。但是，低氣壓浸滲難以制造大型件，生產(chǎn)效率低，工藝步驟多，

15、周期長。(3)無壓浸滲無壓浸滲是金屬液體在沒有外壓力和真空的條件下，自發(fā)地滲入預(yù)制體間隙，冷卻凝固獲得致密的復(fù)合材料噴射共沉積復(fù)合工藝噴射共沉積復(fù)合技術(shù)克服了粉末冶金含氧量大、攪拌復(fù)合界面反應(yīng)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。其最大的工藝特粒和不連續(xù)纖維等容易堵塞噴口。熔體原位復(fù)合工藝原位復(fù)合工藝生成的增強(qiáng)體一般為陶瓷相，也可以是金屬間化合物，形式多為顆粒、晶須等。其包括放熱彌撒法、接觸反應(yīng)法、直接氧化或淡化法、氣液反應(yīng)法及反應(yīng)噴射沉積法。用該制備技術(shù)可使增強(qiáng)體表面與基體間的截面潔凈 無雜質(zhì)污染，界面是原位匹配、結(jié)合良好，且增強(qiáng)體在基體中易于實(shí)現(xiàn)均勻分布，增強(qiáng)體的尺寸也較小。6.2固相復(fù)合工藝粉末冶金法粉末冶金法采

16、用熱壓或熱靜壓的方法使材料擴(kuò)散復(fù)合，從而制成復(fù)合材料錠塊 該技術(shù)對(duì)基體合金和增強(qiáng)體的限制少，增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)易調(diào)節(jié)控制，這點(diǎn)也是鑄造法難以比擬的，且經(jīng)二次加工增強(qiáng)體分布均勻，基體晶粒細(xì)小，性能穩(wěn)定擴(kuò)散結(jié)合工藝擴(kuò)散結(jié)合工藝是在低于基體合金熔點(diǎn)的適當(dāng)溫度下施加高壓，通過與基體發(fā)生的塑性變形 蠕變以及擴(kuò)散，將基體與基體 基體與增強(qiáng)體緊密結(jié)合，從而得到完全壓實(shí)的金屬基復(fù)合材料的方法 該方法能有效抑制復(fù)合材料的界面反應(yīng)，解決潤濕性問題，是連續(xù)纖維增強(qiáng)體金屬基復(fù)合材料的主要制備方法 但僅能生產(chǎn)平板狀或低曲率板等形狀簡單的構(gòu)件6.3固液兩相區(qū)復(fù)合工藝流變鑄造法流變鑄造法是對(duì)處于固液兩相區(qū)的熔體施加強(qiáng)烈攪拌形成

17、低粘度的半固態(tài)漿液，同時(shí)引入陶瓷顆粒，利用半固態(tài)漿液的觸變特性分散增強(qiáng)相，阻止陶瓷顆粒的下沉或漂浮，保證陶瓷顆粒彌散分布于金屬熔體中，但存在攪拌工藝所有的問題，僅適用于凝固區(qū)間較寬的金屬，也存在界面反應(yīng) 顆粒偏析等問題固液兩相區(qū)熱壓復(fù)合工藝固液兩相區(qū)熱壓復(fù)合工藝具有流變性，可進(jìn)行流變鑄造；半固態(tài)漿液具有觸變性，可將流變鑄造錠重新加熱到所要求的固相組分的軟化度，送到壓鑄機(jī)中壓鑄，由于壓鑄時(shí)澆口處的剪切作用，可恢復(fù)其流變性而充滿鑄型，此稱作觸變鑄造 顆?；蚨汤w維增強(qiáng)材料加入到強(qiáng)烈攪拌的半固態(tài)合金中 由于半固態(tài)漿液中球狀碎晶粒子對(duì)添加粒子的分散和捕捉作用，既防止了添加粒子的上浮 下沉和凝聚，又使添加

18、粒子在漿液中均勻分散，改善了潤濕性，促進(jìn)界面結(jié)合。6.4金屬基復(fù)合材料的制備工藝存在的問題通過多年研究積累，我國已在金屬基復(fù)合材料制備過程方面取得突破性的進(jìn)步，為推動(dòng)復(fù)合材料的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn) 但我國金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家相比仍存在較大差距，主要是金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體與基體的潤濕機(jī)理 增強(qiáng)體與基體的微觀作用機(jī)理等領(lǐng)域研究薄弱，這是嚴(yán)重制約我國新型金屬基復(fù)合材料研發(fā)的主要因素故在未來研究中，應(yīng)基于金屬基體與增強(qiáng)體間發(fā)生的界面反應(yīng)機(jī)理 金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制，開展增強(qiáng)體與基體的潤濕機(jī)理，闡明界面反應(yīng)物脆性相對(duì)增強(qiáng)體的損傷程度；并結(jié)合金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制，探討金屬基復(fù)合材料的凝

19、固過程，研究增強(qiáng)相與基體的微觀作用機(jī)理，實(shí)現(xiàn)低密度 高強(qiáng)度和比剛度 高溫性能和抗大氣腐蝕性 低熱膨脹系數(shù)的金屬基復(fù)合材料的突破性發(fā)展。7.金屬基復(fù)合材料存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)7.1存在的問題金屬基復(fù)合材料在國際上雖然很受重視，近年發(fā)展較快，但就規(guī)模與速度相 比，還遠(yuǎn)落后于碳/環(huán)氧等樹脂基復(fù)合材料，特別在生產(chǎn)應(yīng)用上，尚未真正打開局面。上面提及的應(yīng)用情況，大都為試驗(yàn)件，真正能用于生產(chǎn)的很少。這是當(dāng)前不少先進(jìn)的尖端材料普遍存在的一個(gè)共同問題。這些問題的原因主要是如下四個(gè)方面：1.工藝技術(shù)復(fù)雜；2.價(jià)格昂貴；3.性能有待改進(jìn)，工藝尚須完善；4.設(shè)計(jì)與使用經(jīng)驗(yàn)不足。7.2金屬基復(fù)合材料研究趨勢(shì)(1)簡化制

20、備工藝，降低制備成本，始終是研究熱點(diǎn)之一。(2)目前金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制研究還不是很成熟，學(xué)術(shù)觀點(diǎn)各有所見，很難達(dá)成共識(shí)。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)強(qiáng)化機(jī)制的研究，探討復(fù)合材料的凝固過程，研究增強(qiáng)相與基體的微觀作用機(jī)理，進(jìn)一步推動(dòng)金屬基復(fù)合材料的發(fā)展。(3)潤濕性問題一直困擾研究金屬基復(fù)合材料的學(xué)者，給實(shí)際制備復(fù)合材料帶來很大的困難。目前，有些學(xué)者研究了鋁基復(fù)合材料的潤濕性，并取得了一定的進(jìn)展。但對(duì)鋼基復(fù)合材料的研究卻很少，國內(nèi)目前尚未見報(bào)道。如果想制備優(yōu)良的鋼基復(fù)合材料，潤濕性問題尤顯重要。(4)研究的重點(diǎn)側(cè)重于增強(qiáng)體與基體的結(jié)合界面及增強(qiáng)體在基體中的分布，卻忽略了基體自身的性能?；w本身的性能對(duì)復(fù)合材料

21、的影響也至關(guān)重要，性能優(yōu)越的復(fù)合材料同樣要求有性能優(yōu)越的基體，因此應(yīng)加大對(duì)基體和增強(qiáng)體性能同步提高的研究。8.結(jié)語與傳統(tǒng)的單一的金屬、陶瓷、高分子等工程材料相比，金屬基復(fù)合材料出除了具有優(yōu)異的力學(xué)性能外，更具有某些特殊性能和良好的綜合性能，并且應(yīng)用范圍也是越來越廣泛?？梢钥闯?，金屬基復(fù)合材料一開始因價(jià)格比較昂貴，首先應(yīng)用于航空、航天和軍事領(lǐng)域。而隨著新的材料制備技術(shù)的研制成功和廉價(jià)增強(qiáng)物的不斷出現(xiàn)，金屬基復(fù)合材料正越來越多地應(yīng)用于汽車、機(jī)械、冶金、建材、電力等民用領(lǐng)域。顯示出廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及相關(guān)領(lǐng)域研究工作的不斷深入，金屬基復(fù)合材料其

22、理論基礎(chǔ)和制備技術(shù)將會(huì)有更大的突破，在各方面將有越來越廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1王榮國.復(fù)合材料概論M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.8.2郝斌.金屬基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀及展望J.材料導(dǎo)報(bào),2005,(7):64-68.3王倩.金屬基復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用J.沈陽大學(xué)學(xué)報(bào),2007,(2):10-15.4陳素玲.金屬基復(fù)合材料的分類及制造技術(shù)研究進(jìn)展J.焊接材料, 2011,(7):90-94.5王光輝.金屬基復(fù)合材料的生態(tài)化技術(shù)及應(yīng)用J.科教前沿,2009,(33):430-431.6張效寧.金屬基復(fù)合材料研究進(jìn)展J.云南冶金,2006,(5):53-59.7張荻.金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)

23、狀與發(fā)展趨勢(shì)J.中國材料進(jìn)展,2010,(4):1-6.8李曉賓.金屬基復(fù)合材料的性能和應(yīng)用J.材料熱處理,2006,(16):71-74.9高玉紅.金屬基復(fù)合材料的研究進(jìn)展J.河北化工,2006,(6):51-53.10聶小武.金屬基復(fù)合材料二次成型加工工藝研究進(jìn)展J.工具技術(shù), 2007,(1):13-17.河北工程大學(xué)畢業(yè)論文-1-金屬基復(fù)合材料摘要：金屬基復(fù)合材料的定義和分類。金屬基復(fù)合材料綜合了作為基體的金屬結(jié)構(gòu)材料和增強(qiáng)物兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有高的強(qiáng)度性能和彈性模量、良好的疲勞性能和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)。但其性能一致性差的問題制約了其應(yīng)用，因此復(fù)合材料的性能設(shè)計(jì)受到了普遍的關(guān)注。本文綜述了

24、基體、增強(qiáng)體、基體與增強(qiáng)體相容性、工藝、界面等因素對(duì)金屬基復(fù)合材料性能的影響。關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料分類影響因素研究引言金屬基復(fù)合材料被譽(yù)為21世紀(jì)的材料,它兼有金屬的塑性和韌性，以及其它材料如陶瓷的高強(qiáng)度和高剛度，而且比重小，因此具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和更好的熱穩(wěn)定性、耐磨性以及尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，從而在機(jī)械、汽車、航空航天、兵器、電子等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。盡管金屬基復(fù)合材料在過去的30年里在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的研究和發(fā)展，但是還沒有在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，其原因主要在于它的成本高、性能低于期望值、相對(duì)較低的穩(wěn)定性和大的性能波動(dòng)、不可回收利用、環(huán)境污染等幾個(gè)障礙45。目前在國內(nèi)發(fā)展復(fù)合材料

25、，關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)低成本、高性能、一致性好、穩(wěn)定的制備技術(shù)和根據(jù)力學(xué)原理以及使用者的期望設(shè)計(jì)出令用戶滿意的性價(jià)比的材料。這就涉及到復(fù)合材料的設(shè)計(jì)問題，而性能決定了復(fù)合材料在工程上的應(yīng)用，所以性能的影響因素一直是研究的熱點(diǎn)。但是由于金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理不明確，至今在金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)理論上還存在著較大的盲目性。因此對(duì)復(fù)合材料性能的影響因素的研究是一個(gè)使金屬基復(fù)合材料走出低谷獲得突破的重要課題。一金屬基復(fù)合材料定義金屬基復(fù)合材料是以金屬或合金為基體與各種增強(qiáng)材料復(fù)合而制得的復(fù)合材料。增強(qiáng)材料可為纖維狀、顆粒狀和晶須狀的碳化硅、硼、氧化鋁及碳纖維。金屬基體除金屬鋁、鎂外，還發(fā)展有色金屬鈦、銅、鋅、

26、鉛、鈹超合金和金屬間化合物，及黑色金屬作為金屬基體。金屬基復(fù)合材料除了和樹脂基復(fù)合材料同樣具有高強(qiáng)度、高模量外，它能耐高溫，同時(shí)不燃、不吸潮、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、抗輻射。二金屬基復(fù)合材料的分類2.1按組成組分的類型分類：金屬基復(fù)合材料MMC，有機(jī)材料基復(fù)合材料，無機(jī)非金屬基復(fù)合材料2.2按分散材料的類型分類：無機(jī)非金屬增強(qiáng)材料，金屬增強(qiáng)材料，有機(jī)纖維增強(qiáng)材料2.3按分散材料的形態(tài)和排布方式：顆粒狀分散相復(fù)合材料，纖維狀分散相復(fù)合材料。2.4按復(fù)合效果分類：結(jié)構(gòu)材料力學(xué)型復(fù)合材料，功能材料功能型復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料（PRM）：由于WC、TiC、TaC等顆粒硬度高，顆粒平均直徑1mm以上，容積

27、比高，主要是利用顆粒本身的硬度和強(qiáng)度，基體是起把顆粒結(jié)合在一起的作用，故稱為顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料（PRMPRM）。分散強(qiáng)化（DS）金屬基復(fù)合材料：其強(qiáng)化相的平均直徑小于0.10.1m，體積比僅占百分之幾，由于強(qiáng)化相阻止基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)化基體纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料（FRM）：連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料：利用高強(qiáng)度高模量低密度的碳（石墨）纖維，硼纖維，碳化硅纖維，氧化鋁纖維，金屬合金絲等增強(qiáng)金屬基體組成高性能的復(fù)合材料。通過基體、纖維類型。纖維的排布方向。含量方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)組合，可獲得各種高性能。纖維是復(fù)合材料的主要承載體，增強(qiáng)金屬強(qiáng)度的效果明顯?；w起固定纖維，傳遞載荷和部分承載的作用。因纖維

28、具有方向性，復(fù)合材料的性能具有各向異性，纖維軸向性能高于橫向性能。制造過程中要考慮纖維的排布、含量、均勻分布等，制造難度大，成本高。非連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料：短纖維，晶須，顆粒為增強(qiáng)物。隨即分布，各向性能相同。非連續(xù)增強(qiáng)物的加入提高了熱力學(xué)性能，彈性模量，降低熱膨脹系數(shù)?？梢杂贸Ｒ?guī)的粉末冶金、液態(tài)金屬攪拌、液態(tài)金屬擠壓鑄造、真空壓力浸漬等方法制造，并可用鑄造、擠壓。鍛造、軋制、旋壓等加工方法進(jìn)行加工成型，制造方法簡便，成本低廉。三影響金屬基復(fù)合材料的因素3.1基體的影響不同的基體對(duì)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、結(jié)合強(qiáng)度有較大的影響。但并不是基體強(qiáng)度越高，復(fù)合材料的強(qiáng)度越高，而是存在一個(gè)最佳

29、匹配。姜龍濤等、對(duì)AlN顆粒在不同鋁合金中的增強(qiáng)行為的研究表明，在低強(qiáng)度的L3純鋁上可以得到最大的增強(qiáng)率，而在高強(qiáng)度的LY12合金上沒有得到高的增強(qiáng)率，相比之下具有良好塑性和較高強(qiáng)度的LD2合金作為基體時(shí)，具有較高的強(qiáng)度。而康國政等認(rèn)為基體本身的強(qiáng)度較低時(shí)，復(fù)合材料中基體的強(qiáng)度將有較大幅度的提高，因此對(duì)基體本身強(qiáng)度較低的復(fù)合材料通過基體原位性能的大幅度提高使復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的提高十分明顯。這些研究都說明基體同增強(qiáng)體之間存在著優(yōu)化選擇、合理匹配的問題?；w的合金化也對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度有重要影響。Tsudo等探討過鋁合金成分對(duì)Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。他們的研究表明Cu和Ni加到

30、鋁合金中，高溫時(shí)抗彎強(qiáng)度增加，增加Al的體積分?jǐn)?shù)也能增加抗彎強(qiáng)度另外稀土元素的加入也能提高復(fù)合材料的強(qiáng)度，如稀土Ce的加入對(duì)基體起著強(qiáng)化作用。但是稀土元素對(duì)復(fù)合材料具體的強(qiáng)化原因目前尚未有一致的結(jié)論。3.2增強(qiáng)體的影響增強(qiáng)體的加入可以通過對(duì)基體金屬的顯微組織，如亞結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)組態(tài)、晶粒尺寸及材料密度等的改變，改善和彌補(bǔ)基體金屬性能上的不足。增強(qiáng)體的性質(zhì)對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度起著至關(guān)重要的作用。加入增強(qiáng)體后，材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有所提高。增強(qiáng)體的主要貢獻(xiàn)是通過基體合金的微觀組織變化實(shí)現(xiàn)的，另外它是載荷的主要承受者，其次它對(duì)位錯(cuò)的產(chǎn)生，亞晶結(jié)構(gòu)細(xì)化也起著重要的影響。例如SiCpAl復(fù)合材料由于增強(qiáng)顆

31、粒的加入，晶界面積增加，固溶處理時(shí)，基體內(nèi)由于熱錯(cuò)配產(chǎn)生的位錯(cuò)，異號(hào)位錯(cuò)相互抵消，同號(hào)位錯(cuò)則經(jīng)攀移排列成垂直于滑移晶面的小角度晶界形成亞晶界，這樣亞晶界面積也隨之相應(yīng)增加。由Hall-Petch關(guān)系式可知，晶界、亞晶界的增加，基體合金晶粒、亞晶結(jié)構(gòu)和共晶Si顆粒細(xì)化，可在一定程度上提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。3.3基體和增強(qiáng)體相容性的影響基體合金與顆粒增強(qiáng)體之間的界面相容性也是一個(gè)必須重視的問題。尤其當(dāng)采用鋁合金為基體時(shí)，界面上常出現(xiàn)氧化物元素富集等現(xiàn)象，有時(shí)界面上基體與增強(qiáng)體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新相，如Al4C3、MgO或MgAl2O4。因此對(duì)于不同的顆粒增強(qiáng)體，為避免界面反應(yīng)物產(chǎn)生的危害，在保證復(fù)合材

32、料性能的前提下基體合金的成分應(yīng)有所調(diào)整。由于鋁合金中的不同溶質(zhì)元素所引起的時(shí)效析出行為具有一定的差異，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料對(duì)基體的顯微組織十分敏感。從這一角度出發(fā)，為充分發(fā)揮復(fù)合材料的性能優(yōu)越性，也必須選擇合適的基體合金12。此外，顆粒增強(qiáng)體的加入，導(dǎo)致了基體合金的微觀組織發(fā)生顯著的變化。主要體現(xiàn)為，由于基體和增強(qiáng)體熱膨脹系數(shù)（CET）的差別引起的錯(cuò)配應(yīng)力在基體中誘發(fā)了高密度位錯(cuò)、晶粒尺寸變化、殘余應(yīng)力（熱錯(cuò)配應(yīng)力）、時(shí)效析出組織等。這些微觀組織的改變都會(huì)不同程度地對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生重要的影響。3.4工藝的影響不同的制備方法使得復(fù)合材料的性能有很大的差異。熱處理工藝，例如淬火就能對(duì)復(fù)合材料起

33、到一定的強(qiáng)化作用。時(shí)效對(duì)復(fù)合材料也有明顯的強(qiáng)化作用。二次加工對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度也有很大的影響。原位生成法制備的復(fù)合材料，由于原位增強(qiáng)相不僅尺寸非常細(xì)?。ㄒ话?um），而且與基體有著良好的界面相容性，從而使得這種復(fù)合材料較傳統(tǒng)的外加增強(qiáng)相復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度。高能球磨法使增強(qiáng)體顆粒彌散均勻分布于基體中，而常規(guī)混合法制備的復(fù)合材料中存在增強(qiáng)體顆粒的偏聚現(xiàn)象。顆粒越均勻越有利于提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。3.5界面的影響界面是復(fù)合材料中普遍存在且非常重要的組成部分，是影響復(fù)合材料行為的關(guān)鍵因素之一。金屬基復(fù)合材料宏觀性能的好壞很大程度上取決于基體和增強(qiáng)體之間的界面結(jié)合狀況。而溫度時(shí)間引起的界面反應(yīng)是金屬基復(fù)

34、合材料中大多數(shù)承載體不能發(fā)揮最佳性能的主要原因之一。為了獲得更高的強(qiáng)度，應(yīng)該形成穩(wěn)定的界面結(jié)合。界面結(jié)構(gòu)與性能是基體和增強(qiáng)體性能能否充分發(fā)揮，形成最佳綜合性能的關(guān)鍵。金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有3種結(jié)合類型5種結(jié)合方式，而且界面區(qū)尺寸為納米級(jí)，難以分析表征，很多問題在理論上難以解釋。為了兼顧有效傳遞載荷和阻止裂紋擴(kuò)展兩個(gè)方面，必須要有最佳的界面結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度。目前有很多界面優(yōu)化的方法，具體手段有：金屬基體合金化、增強(qiáng)體表面涂層處理、改變粘結(jié)劑及制備工藝和參數(shù)的控制等。四金屬基復(fù)合材料的研究4.1金屬基復(fù)合材料有效性能研究九十年代中期Povirk,Gusev等人就研究證明了可以用一個(gè)有限

35、體積的代表體元來代替整體復(fù)合材料，模擬其細(xì)觀結(jié)構(gòu)，從而建立復(fù)合材料的宏觀性能同其組分材料性能及細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)值分析方法在復(fù)合材料力學(xué)分析中成為不可缺少的工具，在做計(jì)算數(shù)值模擬時(shí)，建立合適的數(shù)學(xué)模型，是進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算復(fù)合材料等效性能的基礎(chǔ)?；谟邢拊ǖ亩喑叨鹊刃阅苡?jì)算是目前一種行之有效的研究復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)行為之間關(guān)系的重要方法。采用這種方法的前提是建立復(fù)合材料的有限元模型，包括隨機(jī)顆粒分布區(qū)域的幾何建模和網(wǎng)格剖分，然后才能進(jìn)行多尺度計(jì)算。對(duì)于復(fù)合材料等效性能計(jì)算的數(shù)值方法，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了名目繁多的各種數(shù)值方法。一般來說，可以分為反分析法、

36、直接分析法。其中反分析法實(shí)質(zhì)就是根據(jù)現(xiàn)場觀測(cè)結(jié)果，來反演復(fù)合材料力學(xué)參數(shù)。反分析法主要依賴于材料程的實(shí)測(cè)位移、本構(gòu)模型以及材料參數(shù)的假定。由于現(xiàn)場觀測(cè)資料的獲取受客觀條件影響和對(duì)復(fù)合材料認(rèn)識(shí)上的不足，往往造成模型和材料參數(shù)假定與實(shí)際差異很大，因而該方法在實(shí)際應(yīng)用中遇到了一些困難。為此，人們?cè)噲D選擇另一種途徑-直接分析法來預(yù)測(cè)復(fù)合材料的力學(xué)參數(shù)。由于離散元元方法沒有很好解決對(duì)復(fù)合材料離散后的計(jì)算結(jié)果的誤差，因此基于離散單元法計(jì)算宏觀力學(xué)參數(shù)的研究較少目前主要是基于有限元法的數(shù)值分析法，其計(jì)算過程是首先建立顆粒材料的統(tǒng)計(jì)模型，然后模擬出不同尺度的復(fù)合材料試件;這樣得到的復(fù)合材料試件，可以視為由基體

37、和增強(qiáng)顆粒兩部分組成，其力學(xué)參數(shù)可以在實(shí)驗(yàn)室分別確定，然后應(yīng)用有限元方法進(jìn)行分析，進(jìn)而得到顆粒統(tǒng)計(jì)力學(xué)參數(shù)即。這一方法計(jì)算結(jié)果的正確性取決于顆粒統(tǒng)計(jì)模型的正確性以及有限元算法的合理性，這一過程雖然有誤差，但是誤差不會(huì)比原位實(shí)測(cè)更大。該方法的不足之處在于為避免尺寸效應(yīng)，模擬不同尺度試件時(shí)，增加了計(jì)算成木，并且當(dāng)計(jì)算尺度增大時(shí)，試件內(nèi)的顆粒數(shù)目明顯增加，給有限元的剖分和計(jì)算帶來了困難。還有學(xué)者基于有限元方法，基于等效觀點(diǎn)，對(duì)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的等效性能進(jìn)行了研究，即根據(jù)一定的等效原則，宏觀地考慮顆粒對(duì)材料力學(xué)特性的影響，將整個(gè)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料均勻化、連續(xù)化，然后用有限元計(jì)算得到等效力學(xué)特性.按等效方

38、式來分，主要有材料參數(shù)等效法、能量等效法等，這些等效方法有其適用的一面，但仍有一定局限性，例如等效體的尺寸效應(yīng)問題等.關(guān)于材料參數(shù)的均勻化理論.作為一種研究復(fù)合材料宏觀性質(zhì)的新方法，數(shù)學(xué)家們已進(jìn)行了大量的研究，例如A.Bensousson,J.L.Lion、等針對(duì)小周期結(jié)構(gòu)問題的漸進(jìn)分析，給出了均勻化材料系數(shù)的概念；O.A.Oleinik等對(duì)具有小周期結(jié)構(gòu)的均勻化理論和一階漸進(jìn)分析理論進(jìn)行了深入研究；T.Hou和陳志明等在此基礎(chǔ)上給出了一階漸進(jìn)展開有限元的理論估計(jì)；崔俊芝等針對(duì)小周期結(jié)構(gòu)提出了雙尺度禍合算法。針對(duì)具有對(duì)稱性的基本胞體給出了高階漸進(jìn)展式和有限元估計(jì)，并把此方法運(yùn)用到工程計(jì)算中，從

39、而使的均勻化從理論分析進(jìn)入了數(shù)值計(jì)算。階段和實(shí)際應(yīng)用階段，使得微觀構(gòu)造十分復(fù)雜的非均質(zhì)材料的宏觀力學(xué)參數(shù)計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)，并且給出了計(jì)算周期性編制復(fù)合材料的等效力學(xué)參數(shù)的雙尺度方法。在進(jìn)行等效計(jì)算時(shí)，首先需建立材料的單胞模型，如二維單胞模型、二維多顆粒單胞模型、三維單胞模型、三維多顆粒單胞模型及代表體單元模型。武漢理工大學(xué)的瞿鵬程教授等，根據(jù)掃描電鏡試樣截面細(xì)觀圖，建立了有限元模型，并且成功預(yù)測(cè)出了SiC顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料等效彈塑性力學(xué)性能特征曲線。Soppa根據(jù)體積含量10%Al2O3,增強(qiáng)6061Al基復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)細(xì)觀圖，構(gòu)件有限元分析模型，觀察殘余熱應(yīng)力對(duì)PRMMCs變形和破壞的影響。Han等人采用三維多顆粒單胞模型