畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-金屬基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)

1、金屬基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)摘 要明確了金屬基復(fù)合材料的內(nèi)涵，且對(duì)金屬基復(fù)合材料的分類、性能特點(diǎn)、制備技術(shù) 方法及工藝進(jìn)行了詳細(xì)綜述，闡述了國(guó)內(nèi)外對(duì)金屈基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀和生產(chǎn)現(xiàn)狀， 及指出目前制備技術(shù)存在問題和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水平與世界的差距，并指出金屬基復(fù)合材料的 發(fā)展趨勢(shì)和提出回收處理的問題關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料 發(fā)展現(xiàn)狀 趨勢(shì)引 言11金屬基復(fù)合材料21.1金屬基復(fù)合材料的分類21.2金屬基復(fù)合材料的制備方法21.21金屬基復(fù)合材料的制備方法21.2.1.1液態(tài)金屬/陶瓷顆粒攪拌鑄造法21.2.1.5加壓凝固鑄造法31.2.1.6真空鑄造法41.2.1.7噴射成形法41.2.1.8疊層

2、復(fù)合法41.2.1.9原位生成復(fù)合法4121.10直接氧化（dimon）法51.2.1.11放熱彌散（xd） 法5121.11反應(yīng)噴射沉積技術(shù)（rsd） 51.3金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)6131高比強(qiáng)度和高比模量61.3.2導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能61.3.3熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好61.3.4良好的高溫性能61.3.5耐磨性好61.3.6良好的疲勞性能和斷裂韌性71.3.7不吸潮、不老化、氣密性好72金屬基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀81增強(qiáng)相分布狀態(tài)的控制81.2潤(rùn)濕性91.3相容性93金屬基復(fù)合材料的未來(lái)趨勢(shì)91.1趨勢(shì)91.2金屬基復(fù)合材料研究方向111.3金屬基復(fù)合材料的再生與回收111.3.1金屬基

3、復(fù)合材料再生工藝研究11結(jié) 論13致 謝14參考文獻(xiàn)14附錄a 部分制造工藝圖15復(fù)合材料(composite materials)是為達(dá)到預(yù)期的使用特性將不同性質(zhì)的兩種或 兩種以上材料結(jié)合為體而設(shè)計(jì)制造的新材料。金屬基復(fù)合材料(mmcs即metal matrix composites)集高比模量、高比強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性、可控的熱膨脹系數(shù) 以及良好的高溫性能于一體，為當(dāng)代發(fā)展迅速的重要先進(jìn)材料z-o金屈基復(fù)合材料是 以金屬為基體，以高強(qiáng)度的第二相為增強(qiáng)體而制得的復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料的研究 始于20世紀(jì)60年代，它的發(fā)展與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。伴隨 航空航天工業(yè)和宇宙空

4、間技術(shù)及民用行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，金屬基復(fù)合材料獲得驚人的發(fā) 展。特別是航天、航空、電子、汽車以及先進(jìn)武器系統(tǒng)的迅速發(fā)展。如航天技術(shù)和先進(jìn) 武器系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的需求十分強(qiáng)烈；又如大規(guī)模集成電路迅速 發(fā)展的關(guān)鍵是需要熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)高的電子封裝材料。雖然到口前為止，金屬基復(fù)合材料應(yīng)用尚不如高分子基復(fù)合材料普遍，但一般認(rèn) 為，金屬基復(fù)合材料是21世紀(jì)發(fā)展?jié)摿ψ钊说母咝阅芙Y(jié)構(gòu)材料之一。金屬基復(fù)合材 料的復(fù)合工藝和技術(shù)相對(duì)復(fù)雜和困難，這是由于金屈熔點(diǎn)較高、對(duì)增強(qiáng)基體表而潤(rùn)濕 性差等因索造成的，因此，冇效而實(shí)用的金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)的研究和發(fā)展是決定 此類復(fù)合材料能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵

5、問題。現(xiàn)今金屬基復(fù)合材料的研究在美、口和歐洲已取得顯著成果。我國(guó)雖然對(duì)金屬基復(fù) 合材料的研究起步較晚，但由于其具有優(yōu)開的力學(xué)性能和物理性能而受到高度重視，已 成為近年來(lái)高新技術(shù)中新材料研究和開發(fā)的重要領(lǐng)域并取得顯著成就。1金屬基復(fù)合材料1.1金屬基復(fù)合材料的分類金屬基復(fù)合材料可分為宏觀組合型和微觀強(qiáng)化型兩人類。宏觀組合型指其組分能用 肉眼識(shí)別和具備兩組分件能的材料（如雙金屬、包履板等）；微觀強(qiáng)化型指其組分需用顯 微鏡才能分辨的以提高強(qiáng)度為主要fi的的材料。根據(jù)復(fù)合材料基體可劃分為鋁基、鏤 基、鋼基、鐵基及鋁合金基復(fù)合材料等。按增強(qiáng)相形態(tài)的不同可劃分為顆粒增強(qiáng)金屬?gòu)?fù) 合材料、品須或短纖維增強(qiáng)金屈

6、基復(fù)合材料及連續(xù)纖維增強(qiáng)金屈基復(fù)合材料。顆粒增強(qiáng) 金屬基復(fù)合材料是利用顆粒i身的強(qiáng)度，基體起著把顆粒組合在一起的作（vf）可達(dá)90%4。纖維增強(qiáng)金 屬基復(fù)合材料是利用無(wú)機(jī)纖維（或品須）及金屬細(xì)線等增強(qiáng)金屬得到輕而強(qiáng)的材料，纖維 直徑從3卩m到150 u m（品須直徑小于lum）,縱橫比（長(zhǎng)度/直徑）在102以上。1.2金屬基復(fù)合材料的制備方法金屬基復(fù)合材料的復(fù)合工藝相對(duì)比較復(fù)雜和困難。這是由于金屬熔點(diǎn)較高,需要在 高溫下操作;同吋不少金屬對(duì)壇強(qiáng)體表面潤(rùn)濕性很差，其至不潤(rùn)濕，加上金屬在高溫下很 活潑,易與多種增強(qiáng)體發(fā)生反應(yīng)。目前雖然已經(jīng)研制出不少?gòu)?fù)合工藝，但各自存在一些問 題?，F(xiàn)在較普遍的制造方

7、法可分為擴(kuò)散粘結(jié)法、鑄造法及疊層復(fù)合法。本文又可根據(jù)增 強(qiáng)和的不同把制備方法分別分類。1.2.1金屬基復(fù)合材料的制備方法根據(jù)制備過程中基體的溫度可將制備工藝分為液相工藝、固相工藝和液-固兩相工 藝。針對(duì)不同工藝可以分出不同的制備方法。1.2.1.1液態(tài)金屬/陶瓷顆粒攪拌鑄造法surappa和rohtgi 3最早采用攪拌法制備prmmcs,通過機(jī)械攪拌在熔體中產(chǎn)生渦 流引入顆粒。還可采用其它方法引入顆粒，如離心鑄造法、氣流噴射分散法及零動(dòng)力工 藝等。loyddj3采用渦流法制備了 sicp/2l108復(fù)合材料，其顆粒分布均勻。研究結(jié)果 還顯示了對(duì)sic顆粒進(jìn)行預(yù)處理有利于制備prmmcso攪拌工

8、藝取得最重要的突破來(lái)口 t* ski bo和schuster開發(fā)的dural can工藝。這種工藝使用普通的鋁合金和未涂覆處理 的陶瓷顆粒，采用攪拌法引入增強(qiáng)相，顆粒尺寸可小到10 u m增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)可達(dá)25%。 dural can工藝在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程屮處于領(lǐng)先地位。另外hydroaluminumas公司和coma la公 司可制備與dural can工藝相媲美的復(fù)合材料。盡管攪拌鑄造法的開發(fā)取得了令人鼓舞 的成果，但是一些問題仍然存在，有待進(jìn)一步解決，包描攪拌過程的陶瓷顆粒偏聚、顆粒 在液體中的分散和界面反應(yīng)等。此外體積分?jǐn)?shù)還受到一定的限制。1.2. 1.2熔體浸滲法熔體浸滲工藝包括壓力浸滲和

9、無(wú)壓浸滲。當(dāng)前是利用惰性氣休和機(jī)械裝置作為壓力 媒體將金屬熔體浸滲進(jìn)多氣孔的陶瓷預(yù)制塊中，可制備體積分?jǐn)?shù)高達(dá)50%的復(fù)合材料，隨 后采用稀釋的方法降低體積分?jǐn)?shù)。這種方法被廣泛采用，己用于制造toyot發(fā)動(dòng)機(jī)活塞 （a1203/短纖維/a1合金）。東南大學(xué)的朱光明研制了 a1203短纖維局部增強(qiáng)鋁活塞，成 果于1989年獲得鑒定。最新的液相工藝是primex無(wú)壓浸滲工藝，在氮?dú)鈿夥障虏恍枋?加任何壓力,al-mg合金熔體就能良好的浸滲陶瓷粉末堆積體，可制備體積分?jǐn)?shù)高達(dá)55% 的復(fù)合材料，增強(qiáng)相可是sic和a12o3,顆粒尺寸可小至1 u mo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，

10、但是也存在缺點(diǎn)，如預(yù)制塊的變形、微觀結(jié)構(gòu)不均勻、 晶粒尺寸粗人和界面反應(yīng)等。1.2. 1.3半固態(tài)復(fù)合鑄造法半固態(tài)復(fù)合鑄造法是從半固態(tài)鑄造法發(fā)展而來(lái)的。通常金屬凝固時(shí)，初生晶以枝晶 方式長(zhǎng)大，固和率達(dá)0.2%左右時(shí)枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動(dòng)性。如果在 液態(tài)金屈從液相到固相冷卻過程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌則使樹枝品網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而保留分散 的顆粒狀組織形態(tài)，懸浮于剩余液相屮，這利顆粒狀非枝晶的微組織在固相率0.5% 06%仍貝有一定的流變性。液固相共存的半固態(tài)合金因具有流變性，可以進(jìn)行流變鑄 造；半固態(tài)漿液同時(shí)具有觸變性，可將流變鑄錠重新加熱到固、液和變點(diǎn)軟化，由于 壓鑄時(shí)澆口處及型壁的剪切作用

11、，可恢復(fù)流變性而充滿鑄型。強(qiáng)化顆粒或短纖維強(qiáng)化材 料加入到受強(qiáng)烈攪拌的半固態(tài)合金111,由于半固態(tài)漿液球狀碎晶粒對(duì)添加顆粒的分散和 捕捉作用，既防止顆粒的凝聚和偏析，又使顆粒在漿液屮均勻分布，改善了潤(rùn)濕性并促 進(jìn)界面的結(jié)合。1. 2. 1. 4離心鑄造法丿' 泛應(yīng)用于空心件鑄造成形的離心鑄造法，可以通過兩次鑄造成型法成形雙金屬層 狀復(fù)合材料，此方法簡(jiǎn)單，具有成本低、鑄件致密度高等優(yōu)點(diǎn)，但是界面質(zhì)量不易控 制，難以形成連續(xù)長(zhǎng)尺寸的復(fù)合材料。1.2.1.5加壓凝固鑄造法該法是將金屬液澆注鑄型后，加壓使金屬液在壓力下凝固。金屬?gòu)囊簯B(tài)到凝固均處 于高壓下，故能充分浸滲，補(bǔ)縮并防止產(chǎn)生氣孔，得到

12、致密鑄件。鑄、鍛相結(jié)合的方法 乂稱擠壓鑄造、液態(tài)模鍛、鍛鑄法等。此法最適合復(fù)雜的界型mmcso加壓凝固鑄造法 可制備較復(fù)朵的mmcs零件，亦可局部增強(qiáng)。由丁復(fù)合材料易在熔融狀態(tài)卜壓力復(fù)合， 故結(jié)合| 分牢固，可獲得力學(xué)性能很高的零件。這種高溫下制成的復(fù)合坯，二次成型比 較方便，可進(jìn)行各種熱處理，達(dá)到對(duì)材料的多種要求。121.6真空鑄造法用此法是先將連續(xù)纖維纏繞在繞線機(jī)上，用聚甲丙烯酸等能分解的有機(jī)高分子化合 物方法制成半固化帶，把預(yù)成型體放入鑄型中，加熱到500°c使有機(jī)高分子分解。鑄型 的一端浸入基體金屈液，另一端抽真空，將金屈液吸入型腔浸透纖維。1.2.1.7噴射成形法噴射成形又

13、稱噴射沉積(spray forming),是用惰性氣體將金屬霧化成微小的液 滴，并使z向一定方向噴射，在噴射途中與另一路由惰性氣體送出的增強(qiáng)微細(xì)顆粒會(huì) 合，共同噴射沉枳在有水冷襯底的平臺(tái)上，凝固成復(fù)合材料。凝固的過程比較復(fù)雜， 與金屬的霧化情況、沉積凝固條件或增強(qiáng)體的送入角有關(guān)，過早凝同不能復(fù)合，過遲 的凝固則使增強(qiáng)體發(fā)生上浮下沉而分布不勻，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝快速，金屬人范圍 偏析和晶粒粗化可以得到抑制，避免復(fù)合材料發(fā)生界面反應(yīng)，增強(qiáng)體分布均勻。缺點(diǎn)是 出現(xiàn)原材料被氣流帶走和沉積在效應(yīng)器壁上等現(xiàn)象而損失較大，還有復(fù)合材料氣孔率以 及容易出現(xiàn)的疏松。利用噴射成形原理制備工藝有添加法(inert

14、 spray form-ing) 和反應(yīng)法(reactive spray forming)兩種。osprey metals 研究的 osprey 工藝是噴 射成形法的代表，其強(qiáng)化顆粒與熔融金屬接觸時(shí)間短，界面反應(yīng)得以有效抑制。反應(yīng) 噴射沉積法是使強(qiáng)化陶瓷顆粒在金屬霧或基體中口動(dòng)生成的方法。lawly等人采用含氧 5%12%的氮?dú)?將fe- al 3 (al)二2%熔霧合金霧化，使其生成a1203獲得 非常細(xì)小的a1203彌散強(qiáng)化詼基復(fù)合材料的預(yù)成形體。1.2.1.8疊層復(fù)合法疊層復(fù)合法是先將不同金屬板用擴(kuò)散結(jié)合方法復(fù)合，然后采用離了濺射或分了朿外 延方法交替地將不同金屈或金屬與陶瓷薄層疊合在一

15、起構(gòu)成金屬基復(fù)合材料。這種復(fù)合 材料性能很好，但工藝復(fù)雜難以實(shí)用化?？谇斑@利射料的應(yīng)用尚不廣泛，過去主要少量 應(yīng)用或試用于航空、航天及其它軍用設(shè)備上，現(xiàn)在正努力向民用方向轉(zhuǎn)移，特別是 在汽車工業(yè)上有很好的發(fā)展前景。1.2.1.9原位生成復(fù)合法原位生成復(fù)合法也稱反應(yīng)合成技術(shù)，最早岀現(xiàn)于1967年前用shs法合成tib2 /cu功能梯度材料的研究屮。金屬基復(fù)合材料的反應(yīng)合成法是指借助化學(xué)反應(yīng)，在一定 條件下在基體金屈內(nèi)原位生成一種或幾種熱力學(xué)穩(wěn)定的增強(qiáng)相的一種復(fù)合方法。這種增 強(qiáng)相一般為具冇高硬度、高彈性模量和高溫強(qiáng)度的陶瓷顆粒，即氧化物、碳化物、氯化 物、硼化物、甚至硅化物，它們往往與傳統(tǒng)的金屬

16、材料，如al、mg、ti、fe、cu 等金屬及其合金，或(niti) 、( alti)等金屬間化合物復(fù)合，從而得到具有優(yōu) 良性能的結(jié)構(gòu)材料或功能材料。金屬基復(fù)合材料的原位復(fù)合工藝基本上能克服其它工藝 中常出現(xiàn)的一系列問題，如基體與增強(qiáng)體浸潤(rùn)不良、界面反應(yīng)產(chǎn)生脆性、增強(qiáng)體分布 不均勻、對(duì)微小的(亞微米和納米級(jí))增強(qiáng)體極難進(jìn)行復(fù)合等。它作為一種具有突破 性的新工藝方法而受到普遍的重視，其中包括直接氧化法、自蔓延法和原位共晶生長(zhǎng)法 等。1.2.1.10直接氧化（dimon）法直接氧化法是由氧化性氣體在一定工藝條件下使金屈合金液直接氧化形成復(fù)合材 料。通常直接氧化法的溫度比較高，添加適量的合金元索如驅(qū)

17、、si等，可使反應(yīng)速度 加快。這類復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性取決于形成粒子的狀態(tài)和最終顯微組織形態(tài)。由于形 成的增強(qiáng)體可以通過合金化及其反應(yīng)熱力學(xué)進(jìn)行判斷，因此可以通過合金化、爐內(nèi)氣氛 的控制來(lái)制得不同類型增強(qiáng)體的復(fù)合材料。1.2.1.11放熱彌散（xd）法放熱彌散復(fù)合技術(shù)（exothermic dispersion）的基本原理是將增強(qiáng)相反應(yīng)物料與 金屬基粉末按一定的比例均勻混合，冷壓或熱壓成型，制成坯塊，以一定的加熱速率加 熱，在一定的溫度f(wàn)（通常是高于基體的熔點(diǎn)而低于增強(qiáng)相的熔點(diǎn)）保溫，使增強(qiáng)相 各組分z間進(jìn)行放熱化學(xué)反應(yīng)，生成增強(qiáng)和。增強(qiáng)和尺寸細(xì)小，呈彌散分布。xd技術(shù) 具有很多優(yōu)點(diǎn)：可合成的

18、增強(qiáng)相種類多，包括硼化物、碳化物、硅化物等；增強(qiáng)相 粒子的體積百分比可以通過控制增強(qiáng)相組分物料的比例和含量加以控制；增強(qiáng)相粒子 的大小可以通過調(diào)節(jié)加熱溫度加以控制；可以制備齊種mmc；由于反應(yīng)是在融熔狀 態(tài)下進(jìn)行，可以進(jìn)-步近終形成型。xd技術(shù)是合成顆粒增強(qiáng)金屬基及金屬間化合物基 復(fù)合材料的最有效的工藝z。但用xd工藝制成的產(chǎn)品存在著較大孔隙度的問題，口 前-般采用在反應(yīng)過程中直接壓實(shí)來(lái)提高致密度。1.2.1.11反應(yīng)噴射沉積技術(shù)（rsd）反應(yīng)噴射沉積工藝（reactive spray deposition）生成陶瓷顆粒的反應(yīng)有氣-液 反應(yīng)、液-液反應(yīng)、固-液反應(yīng)和加鹽反應(yīng)等多種類型。它綜合了

19、快速凝固及粉末冶金的 優(yōu)點(diǎn)，并克服了噴射共沉積工藝屮存在的如顆粒與基體接近機(jī)械結(jié)合、增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù) 不能太高等缺點(diǎn)，成為目前金屬基復(fù)合材料研究的重耍方向之一。反應(yīng)噴射沉積工藝過 程為：金屬液被霧化前噴入高活性的i占i體顆粒發(fā)生液同反應(yīng)，導(dǎo)致噴入的顆粒在霧化過 程中溶解并與基體中的一種或多種元索反應(yīng)形成穩(wěn)定的彌散相，控制噴霧的冷卻速率以 及隨后坯件的冷卻速率可以控制彌散相的尺寸。楊濱等人采用液相接觸反應(yīng)合成技術(shù)進(jìn) 行反應(yīng)合成，然后再進(jìn)行后續(xù)的霧化噴射沉積成形步驟，成功地開發(fā)出了一種熔鑄-原 位反應(yīng)噴射沉積成形顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備新技術(shù)。制備ilitic/al- 20si- 5fe 復(fù)合材料

20、。近年來(lái)，原位反應(yīng)霧化噴射沉積成形技術(shù)得到工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的關(guān)注。但由于 相關(guān)的基礎(chǔ)性研究工作滯后，工藝上難以獲得增強(qiáng)相均勻分布和顯微組織一致的沉積坯 件，致使原位反應(yīng)霧化噴射沉積成形技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用受到限制。這是因?yàn)閲娚涑尚芜^程 是一個(gè)復(fù)雜的工藝過程，眾多的工藝參數(shù)都影響著沉積坯的組織和性能，現(xiàn)冇的理論模 型并不能精確地控制噴射沉積過程，因此要大力加強(qiáng)對(duì)這一技術(shù)的基礎(chǔ)和模型化研究， 預(yù)測(cè)和掌握各種工藝參數(shù)對(duì)噴射沉積凝固過程的影響規(guī)律，為工藝過程的優(yōu)化控制提供 可靠的理論依據(jù)。13金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)金屈基復(fù)合材料的性能取決于所選金屈或合金基體和增強(qiáng)物的特性、含豊分布 等。通過優(yōu)化組合可以獲得既

21、具有金屬特性，乂具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐熱、耐磨 等綜合性能的復(fù)合材料。金屈基復(fù)合材料有以下性能特點(diǎn)：131高比強(qiáng)度和高比模量在金屬基休中加入適量高比強(qiáng)度、高比模量、低密度的纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)物, 能明顯提高復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量。密度只有185g/cm3的碳纖維的最高強(qiáng)度可達(dá) 到7 ooompa,比鋁合金強(qiáng)度高出10倍以上，石墨纖維的最高模量可達(dá)91gpa。加入質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為30%50%高性能纖維作為復(fù)合材料的主要承載體，復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量 成倍地高于基體合金或金屬的比強(qiáng)度和比模量。1.3.2導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能金屈基復(fù)合材料中金屈基體一般占有60%以上的體積分?jǐn)?shù)，因此仍保持金屈所具有

22、 的良好導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。金屬基復(fù)合材料采用高導(dǎo)熱性的增強(qiáng)物可以進(jìn)一步提高導(dǎo)熱性能, 使熱導(dǎo)率比純金屈基體述高。良好的導(dǎo)熱性可冇效地傳熱散熱，減少構(gòu)件受熱后產(chǎn)生的 溫度梯度?，F(xiàn)已研究成功的超高模量右墨纖維、金剛石纖維、金剛石顆粒增強(qiáng)鋁基和銅 基復(fù)合材料的導(dǎo)熱率比純鋁和鋼還高，用它們制成的集成電路底板和封裝件可有效迅速 地把熱量散去，提高集成電路的口j靠性。良好的導(dǎo)電性口j以防止飛行器構(gòu)件產(chǎn)生靜電聚 集。133熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好金屬基復(fù)合材料中所用的增強(qiáng)物碳纖維、碳化硅纖維、晶須、顆粒、硼纖維等既具 右很小的熱膨脹系數(shù)，乂具有很高的模量。加入相當(dāng)含量的增強(qiáng)物不僅可以大幅度地提 高材料的強(qiáng)度和

23、模量，也町以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降，并可通過調(diào)整增強(qiáng)物的禽量獲 得不同的熱膨脹系數(shù)，以滿足各種工況要求。1.3.4良好的高溫性能金屬基復(fù)合材料具冇比金屬基體更好的高溫性能，特別是連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬。在復(fù) 合材料中纖維起著主要承載作用，纖維強(qiáng)度在高溫下基本不降，纖維增強(qiáng)金屬的高溫性 能可保持到接近金屬熔點(diǎn)。金屬基復(fù)合材料被選用在發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫零部件上，可大幅度 地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率。1.3.5耐磨性好金屬基復(fù)合材料，尤其是陶瓷纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具冇很好的耐 磨性。在基體金屬中加入了大量碩度高、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的陶瓷增強(qiáng)物，特別是細(xì) 小的陶瓷顆粒，不僅提高了材料的強(qiáng)度和剛度，也提

24、高了復(fù)合材料的硬度和耐磨性。高 耐磨的sic/ al復(fù)合材料用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、剎車盤、活塞等重要零件，明顯地提高零件 的性能和壽命。1.3.6良好的疲勞性能和斷裂韌性金屬基復(fù)合材料的疲勞性能和斷裂韌性取決于纖維等增強(qiáng)物與金屬基體的界面結(jié)合 狀態(tài)、增強(qiáng)物在金屈基體屮的分布、金屈和增強(qiáng)物本身的特性等，特別是界而狀態(tài)，最 佳的界面結(jié)合狀態(tài)既可有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的擴(kuò)展，提高材料的斷裂韌性。 1.3.7不吸潮、不老化、氣密性好金屈基復(fù)合材料性質(zhì)穩(wěn)定，組織致密，不存在老化、分解、吸潮等問題，也不會(huì)發(fā) 生性能的自然退化。2金屬基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀金屬基復(fù)合材料基本上可以分為連續(xù)增強(qiáng)體、非連續(xù)增強(qiáng)體（

25、包括顆粒、短纖維和 晶須）和疊層復(fù)合三類。所用的基休金屬包括al、mg、t i、zn等輕金屬及其合金、高 溫合金以及金屬間化合物等。連續(xù)增強(qiáng)體主要有碳及石墨纖維、碳化硅纖維（包括鴨芯 及碳芯化學(xué)氣相沉積絲）和先張?bào)w熱解纖維、硼纖維（鈣芯）、氧化鋁纖維、不銹鋼絲 和鉤絲等；非連續(xù)增強(qiáng)體中短纖維常用氧化鋁（含莫來(lái)石和硅酸鋁）纖維，顆粒則有碳 化硅、氧化鋁、氧化錯(cuò)、硼化鈦、碳化鈦和碳化硼等，而晶須類主要為碳化硅、氧化鋁 以及最近開發(fā)的硼酸鋁、鈦酸鉀等。用以上的各種基體和增強(qiáng)體雖可組成大量金屬基復(fù) 合材料的品種，但實(shí)際上只有極少數(shù)有應(yīng)用前景，多數(shù)仍處在研究開發(fā)階段，其至也有 不少品種目前尚看不到應(yīng)用前

26、景。在金屈基復(fù)合材料的研究和制造屮，為了使增強(qiáng)相與 基體牢固結(jié)合，組織致密及均勻，性能達(dá)到使用要求，目詢主要要解決以下三大技術(shù)問 題。但迄今仍因存在成本高的問題而未能大幅度發(fā)展。由于防止環(huán)境污染的問題越來(lái)越 被人們重視，許多國(guó)家正不斷提高尾氣排放的指標(biāo)，為了使燃燒完全，勢(shì)必要提高活塞頂 的承受溫度，這無(wú)疑給mmcs活塞提供了發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的機(jī)會(huì)。其他部件仍在研究z中，目前 尚無(wú)明顯突破的跡象。另?yè)?jù)文獻(xiàn)報(bào)道，德國(guó)已用碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁作為高速列車的剎車 部件,使用效果很好，且明顯降低了車廂的重量。我國(guó)也正在將這種mmcs用于摩托車剎 車箍上，取得了縮短剎車距離和減輕重量的效果，受雨淋后也不會(huì)像原用鑄鐵剎

27、車箍那樣 會(huì)因生銹而降低剎車效率。此外，值得一提的還有鎂基復(fù)合材料。鎂是能制作成材料而 密度最低的金屬，過去因?yàn)殒V在鑄造時(shí)易燃加工性差，力學(xué)性能也不理想，所以一直只作 為合金來(lái)使用，應(yīng)用量也不人。但研究表明，如果制成鎂基復(fù)合材料，將能明顯改善其力 學(xué)性能，因而就不難找到合適的應(yīng)用場(chǎng)合。我國(guó)是鎂儲(chǔ)量很大的國(guó)家，所以這項(xiàng)工藝頗有 開發(fā)研究的價(jià)值?？偟目磥?lái),mmcs目両尚未在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中充分顯現(xiàn)它白身的價(jià)值， 但可以和信，隨著工藝技術(shù)的提高而不斷降低成木,mmcs將會(huì)憑借其特點(diǎn)進(jìn)入能發(fā)揮其 優(yōu)勢(shì)的市場(chǎng)。1.1增強(qiáng)相分布狀態(tài)的控制在連續(xù)纖維增強(qiáng)吋，纖維冇定向排列和多向排列之分；在短纖維和晶須增強(qiáng)時(shí)，

28、冇 定向排列和隨機(jī)排列之分。只有控制好纖維的分布，才能達(dá)到預(yù)期的性能。當(dāng)要求纖維 定向排列或多向排列時(shí)，往往要先制成預(yù)制帶、預(yù)浸線、預(yù)成形體或由預(yù)制帶疊層、預(yù) 浸線纏繞成預(yù)成形體，再與金屬?gòu)?fù)合制成復(fù)合材料。用液和法制造顆粒、短纖維或晶須 隨機(jī)分布的復(fù)合材料時(shí)，往往會(huì)因增強(qiáng)相與基體比重不同而產(chǎn)生凝聚、上浮或下沉，難 以均勻分布，這就要在處理方法上下功夫，如采用粉料供應(yīng)器均勻加入增強(qiáng)相材料，或 采用超聲波、機(jī)械攪拌或半固態(tài)鑄造法等。1.2潤(rùn)濕性采用液相浸滲法制取復(fù)合材料時(shí)，必須使被復(fù)合的材料間有良好的潤(rùn)濕性，其方法 有：1提高制造溫度；2往基體金屬中加合金元素；3對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理；！提 高液

29、相壓力。1.3相容性相容性指在制造和使用復(fù)合材料過程中，各組分間的相互配合性，它關(guān)系到高溫下 增強(qiáng)相與基體是否反應(yīng)而被消耗及能否保持原來(lái)強(qiáng)度的問題。其包括物理相容（指壓力 或熱變化時(shí)，材料性能與材料常數(shù)間的關(guān)系）和化學(xué)相容（指各組分間的結(jié)合、化學(xué)反應(yīng) 等）兩部分。物理相容中的力學(xué)相容主要指基體應(yīng)有足夠的韌性與強(qiáng)度,能有效地將外 部載荷傳遞到增強(qiáng)纖維上。物理相容中另一個(gè)重要問題是熱相容，即兩組分在熱膨脹 時(shí)應(yīng)配合良好。這關(guān)系到制造時(shí)的結(jié)合及應(yīng)力狀況、使用中的應(yīng)力和界面剝離等問 題?；瘜W(xué)相容較復(fù)朵，它涉及金屈基體與增強(qiáng)相的反應(yīng)問題。如鋁與碳可反應(yīng)生成a1 4c3,在制造碳纖維增強(qiáng)鋁合金吋，須設(shè)法防

30、止反應(yīng)而消耗碳纖維。改善化學(xué)相容性的 方法是對(duì)纖維進(jìn)行表而涂層，如碳纖維涂上tic層，不但可防止碳與鋁反應(yīng)，而月.改善 了碳與鋁液的潤(rùn)濕性。3金屬基復(fù)合材料的未來(lái)趨勢(shì)1.1趨勢(shì)金屈基復(fù)合材料要在未來(lái)取得進(jìn)一步的發(fā)展，并列人規(guī)模生產(chǎn)品種的行列，述有一 段艱難的路程，但是，由于它性能優(yōu)勢(shì)的存在,是冇明確發(fā)展前景的，這就需要廣人材料 研究工作者行深人細(xì)致的基礎(chǔ)研究，探索新的工藝方法并開拓新的有針對(duì)性的應(yīng)用范圍 在界面研究方面，應(yīng)致力于發(fā)展更有力的分析手段，在對(duì)界面結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)清楚的基礎(chǔ)上進(jìn) 行界面優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服金屬基復(fù)合材料突出的界面問題，并力求研究結(jié)果有助于改善生 產(chǎn)應(yīng)用問題,其他基礎(chǔ)性問題如凝固過程

31、的研究等也應(yīng)圍繞生產(chǎn)實(shí)際過程，提出有效的 措施，這樣才真正起到促進(jìn)金屬基復(fù)合材料的迅速發(fā)展的作用就當(dāng)前的實(shí)際情況來(lái)看， 顆粒和短纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料是有生命力的，并已在汽車工業(yè)等方面初步獲得應(yīng)用但 是其制備科學(xué)仁尚留下人量問題有待解決例如熔體浸潤(rùn)過程中的流變學(xué)問題，鑄造過 程中氣體吸附、脫附過程，增強(qiáng)體均勻分布與溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、塑性流動(dòng)場(chǎng)以及兩相體 積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，二次加工和超塑性加工過程中壇強(qiáng)體與基體之間的相互作用行為，以及 微結(jié)構(gòu)的變化等都是需要研究的問題此外需要指出的是，原位復(fù)合是有發(fā)展有前途的， 但是，目前在原位反應(yīng)時(shí),除了所預(yù)計(jì)生成的增強(qiáng)體外，仍不免其他副反應(yīng)夾雜物存在， 同時(shí)對(duì)增強(qiáng)體的

32、體積分?jǐn)?shù)也難以精確控制，因而影響材料質(zhì)量穩(wěn)定性這些都是急待解決 的問題相信經(jīng)過艱苦的努力，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，金屈基復(fù)合材料作為復(fù)合材料的一個(gè)分支， 會(huì)有舉足輕重的地位,并在眾多材料行列屮占有一席之地1959年美國(guó)空軍研究所開發(fā)成功在極細(xì)鉤絲(13協(xié)m)芯線七通過bc13與h:還原 反應(yīng)而形成硼覆層的纖維，它是一種強(qiáng)度較高而口很輕的連續(xù)硼纖維。1960年初首次 用這種纖維與鋁合金基體復(fù)合，從而開發(fā)成功金屬基復(fù)合材料，簡(jiǎn)稱b/a1。此后，相 繼開發(fā)成功碳纖維、碳化硅纖維，并同鋁和欽合金制成了復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材(mmc) 在70到80年代取得了顯著進(jìn)步，又開發(fā)成功以晶須和顆粒作為增強(qiáng)劑的mmc。mm

33、c制 造工藝，傳統(tǒng)的有壓鑄法、熱壓法以及粉末法等，但都存在著嚴(yán)重缺點(diǎn)。因此，近年開 發(fā)成功一系列的新工藝，其中最典型的有下列幾種：(1) 無(wú)壓滲透法，傳統(tǒng)的壓鑄法最終必須施加4898mpa的高壓，以致難以制作大尺 寸復(fù)合材料。新的無(wú)壓滲透法是利用熔融金屬對(duì)增強(qiáng)劑的良好潤(rùn)濕性，以及利用羅侖茲 力，使金屬熔液浸滲入纖維成形體中。例如對(duì)金屬熔體加高頻電磁脈沖，通過在金屬熔 體中產(chǎn)生的渦電流與磁場(chǎng)的相互作用而使金屬熔體以高速滲入纖維之中。此法也適用于 制作大型制。(2) 反應(yīng)壓鑄法:有效地利用了纖維成形體與金屬熔體z間的反應(yīng)。首先在陶瓷纖維 成形體111均勻地分散氧化物(與金屬熔體反應(yīng)的產(chǎn)物)或金屬顆

34、粒。通過放熱反應(yīng)生成的 1:03或金屈間化物，能捉高基烤的高溫強(qiáng)度、耐磨性和抗粘著性。(3) 霧化共堆積法:在基體金屬霧化噴射吋在半凝固狀態(tài)霧化顆粒中射入增強(qiáng)劑顆 粒，由于噴射增強(qiáng)荊用的氣休和水冷底板而使復(fù)合穎粒急冷凝固并受到?jīng)_擊，從而形成 密度較高的mmco半熔融觸融壓鑄法:此法特別適用于輕金屬mmc的制造。熔融鎂在空氣中發(fā)牛激 的氧化反應(yīng)，但與鐵幾乎不起反應(yīng)，所以使用密閉金屬模澆鑄能夠?qū)⑷廴阪V與空氣隔 離，從而開發(fā)成功由半熔態(tài)注入密閉模中的鎂基mmc制造工藝，是生產(chǎn)率、造型性、安 全性、環(huán)保性等方面都很優(yōu)越的mmc生產(chǎn)技術(shù)，很有前途。金屬直接氧化法(mim0x法);利用霧化氣體與熔融金屬之

35、間反應(yīng)生成物制作復(fù)合 材料的方法。首先把陶瓷纖維與顆拉制成預(yù)成形體，在浸滲例如鋁熔體時(shí)由于a1氧化 生成al:03,故可制得陶瓷基復(fù)合材料。在制造al:0:/al系復(fù)合材料吋，為促進(jìn)反應(yīng) 可在鋁熔體111添加適量的mg和a1。(6)xd法:通過自蔓延反應(yīng)合成制作復(fù)合材料的方法，把欽、銀、鋁、硼等基體材 料與增強(qiáng)劑混合后，通過加熱反應(yīng)而析出翻化物、碳化物、氮化物等微細(xì)顆粒從而制得 金屬基或金屬間化合物基復(fù)合材料?？梢匀我膺x擇原料和增強(qiáng)劑。例如用此法制得的 ti 45%al+7. svol%tib:復(fù)合材料，在800°c高溫下a、高達(dá)710mpa,是頗有前途的高 溫材料。mmc長(zhǎng)纖維強(qiáng)化

36、系在以宇航機(jī)器為主、醫(yī)療器械、文體用品等方面已實(shí)用。21 枇紀(jì)將用于宇宙往返機(jī)上。短纖維強(qiáng)化系比較經(jīng)濟(jì)，有可能成為汽車、傳動(dòng)系統(tǒng)、辦公 機(jī)器、家電、產(chǎn)業(yè)機(jī)械等方面的重耍材料。今后在耐高溫纖維和耐熱基體的開發(fā)上，將成為研究的重點(diǎn)。作為基體材料有各種 欽合金，金屈間化合物分散基鋁合金、feal、ti 一 al、ni -ah m。一 si、nbal等金屬間化合物。這些材料尚須進(jìn)一步進(jìn)行有關(guān)耐熱性的評(píng)價(jià)，有關(guān)界面控制技 術(shù)，尚須進(jìn)行深入研究。1.2金屬基復(fù)合材料研究方向(1) 加強(qiáng)對(duì)制備工藝的研究。簡(jiǎn)化制備工藝，降低制備成本，始終是研究熱點(diǎn)之一。(2) 加強(qiáng)對(duì)強(qiáng)化機(jī)制的研究。r而金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)

37、制研究還不是很成熟，各 家學(xué)者各有所見10,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)-步推動(dòng)金屈基復(fù)合材料的發(fā)展。(3) 加強(qiáng)對(duì)增強(qiáng)相潤(rùn)濕性的研究。潤(rùn)濕性問題一宜困擾研究金屬基復(fù)合材料的學(xué)者, 給實(shí)際制備復(fù)合材料帶來(lái)很大的困難。目前,冇些學(xué)者研究了鋁基復(fù)合材料的潤(rùn)濕性，并 取得了一淀的進(jìn)展但對(duì)鋼基復(fù)合材料的研究卻很少，國(guó)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(rùn)濕性問題尤顯重要。提高基體性能，進(jìn)而提高復(fù)合材料的性能目前多數(shù)學(xué)者研究的重點(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1t12,卻忽略了基體口身的性能?；w木

38、 身的性能對(duì)復(fù)合材料的影響也至關(guān)重耍，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。1.3金屬基復(fù)合材料的再生與回收由于地球的環(huán)境問題口趨嚴(yán)重，各種材料必須考慮它的再生與冋收。當(dāng)然,mmcs i 前的用量不大，問題還不突出，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，這個(gè)問題是不能冋避的。目前,原則上說(shuō)除連 續(xù)纖維增強(qiáng)的mmcs外,其他非連續(xù)增強(qiáng)的mmcs均可以采用重熔再鑄造的方法來(lái)再生。 然而，不少mmcs在高溫垂熔的過程屮會(huì)發(fā)牛界面反應(yīng)而生成界面產(chǎn)物，以致嚴(yán)重影響重 熔再生的材料性能，甚至自行碎裂。例如，碳化硅顆粒增強(qiáng)純鋁復(fù)。但是，不同種類的金屬基復(fù)合材料具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)因此

39、應(yīng)該單獨(dú)考慮其再生特 點(diǎn)。由于長(zhǎng)纖維增強(qiáng)金屈基復(fù)合材料自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，基本上不考慮其再生和回收問 題。對(duì)于短纖維和晶須增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，通過煉制的方法可以部分回收，煉渣可 以作為填料使用。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料作為一種新興材料己脫穎而出成為目前金 屬基復(fù)合材料研究發(fā)展的主要研究方向之一，在其大規(guī)模的實(shí)用過程中，降低其成本也 是影響其實(shí)用規(guī)?；囊粋€(gè)重要因素，因此，金屬基復(fù)合材料的再生主要集中在顆粒增 強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(prmmcs)_±«1.3.1金屬基復(fù)合材料再生工藝研究顆粒增強(qiáng)a1基復(fù)合材料的制備方法中較為成熟的主要有四種:粉末冶金法、攪拌鑄 造法、擠壓鑄造法和噴射

40、共沉積法。而再生的工藝方法，主要采用重熔后重新復(fù)合的方 法，控制重熔時(shí)的溫度、保溫時(shí)問等工藝參數(shù)，以及釆取有效的措施控制顆粒與基體的 界面反應(yīng)和凝固過程同時(shí)采用二次加工和熱處理的方法，使其性能不降低，從而達(dá)到 pmmc,的再生利用。1.3mmcs重熔再生過程屮的界面反應(yīng)特征在非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合 材料屮，增強(qiáng)體顆粒與基休間的作用行為極為復(fù)雜，這均與界面反應(yīng)的程度密切相關(guān), 特別是在金屬基復(fù)合材料的重熔再生過程中，由于顆粒與熔體長(zhǎng)時(shí)間的高溫接觸界面 反應(yīng)便會(huì)變得更加復(fù)雜。綜上所述，金屬基復(fù)合材料口前還存在許多的問題，有的研究比較成熟，已經(jīng)應(yīng)用 到生產(chǎn)實(shí)踐屮，而述有許多處于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，將會(huì)使金屬基 復(fù)合材料的特性進(jìn)-步提高。在21世紀(jì)，金屬基復(fù)合材料將大量取代傳統(tǒng)材料，在各 個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮積極的重要的作用。鎂合金在其它領(lǐng)威的