金屬基復(fù)合材料綜述

1、金屬基復(fù)合材料綜述專業(yè):學(xué)號:姓名:時間:金屬基復(fù)合材料綜述摘要：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)合材料對促進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，對金屬基復(fù)合材料的分類、性能、應(yīng)用、制備方法、等進行了綜述，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。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Abstract: The research development and

2、application of new composites are one of the important matters in modern high science and technology. This paper summarizes the met al matrix composites and the development history of the present situation and the classific ation of the metal matrix composites, performance, application and preparati

3、on methods, w as reviewed, and put forward the metal matrix composites the problems existing in the res earch, discusses the metal matrix composites trend of development.Keywords： Metal matrix composites; Classification; Performance; Application; Preparation; Development trend.1. 引言復(fù)合材料是繼天然材料，加工材料和合

4、成材料之后發(fā)展起來的新一代材料。按通常的說法，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，對促進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)，高性能增強物價格的不斷降低，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，人們開始對金屬基復(fù)合材

5、料 (MMCs維行研究和開發(fā)。70年代末，軍事領(lǐng)域也開始強調(diào)經(jīng)濟性和風(fēng)險性，政府軍事采購 的數(shù)量明顯減少，使得高性能 MMCS勺開發(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 MMCM現(xiàn)，使MMCS勺研發(fā)復(fù)興，也開始進入其它應(yīng)用領(lǐng)域。至今 ，MMCs 已成為繼金屬材料、無機非金屬材料、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，增強體材料、尺寸、形狀和基體材料的改變，增強體材料

6、、尺寸、 形狀和分布的幾乎沒有窮盡的組合，使MMCiM有多樣性。眾多基體中，目前以鋁、鎂、鈦基發(fā)展較為成熟。增強體中以SiC的使用量最大，遠遠超出了其它復(fù)合材料；其次是Al 203。 增強體不同，制造成本也有很大不同。連續(xù)纖維增強MMC裳比顆粒增強 MMCf格高很多，短纖維和晶須增強 mmcst格居中。3. 金屬復(fù)合材料的性能3.1結(jié)構(gòu)性能強度和剛度是結(jié)構(gòu)應(yīng)用的兩個最重要的特性。軸向性能，石墨環(huán)氧復(fù)合材料(Gr)的比強度和比剛度遠高于其它材料，Ti(f)和Al(f)的次之。平面增強的 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，比其它MMC甥得，注定了它是最大單向結(jié)構(gòu)

7、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)合材料的應(yīng)用受到限制。非連續(xù)增強MM3勺比強度和比剛度適中，易于獲得，是最具競爭力的結(jié)構(gòu)材料。MMC越來越多地應(yīng)用于那些斷裂敏感的場合，并被實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MMC酌一項很重要的應(yīng)用，應(yīng)用范圍很廣，包括計算機處理器的芯片基片， 功率半導(dǎo)體設(shè)備和遠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)率是運動系統(tǒng)中組件的一個非常重要的性能。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)動器、錄像頭、原子力顯微鏡的載物臺、機械臂、慣性引導(dǎo)系統(tǒng)、人造衛(wèi)星天線、高速制造設(shè)備和推進系統(tǒng)，

8、在運行時承受很大的熱梯度和機械應(yīng)力的同時還要保持嚴(yán)格的尺寸公差。對機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/ p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，所以增大入/ a有利于減小熱誘導(dǎo)變形。3.4耐磨性能耐磨性能是MMCS勺眾多性能中很重要的一項。硬質(zhì)增強顆粒的加入從本質(zhì)上增強了基 體金屬的耐磨性能。MMC站于作耐磨材料，性價比更高，經(jīng)濟性能更好。4. 金屬基復(fù)合材料的分類金屬基復(fù)合材料的增強體是一些不同幾何形狀的金屬或非金屬材料。目前，其增強相已有很多，重要的有氧化鋁纖維、硼纖維、石墨（碳

9、）纖維、SiC纖維、SiC晶須；顆粒型的有SiC、碳化硼、圖化鈦等；絲狀的有鴇、皺、硼、鋼等。金屬基復(fù)合材料按其增強材料的幾 何形態(tài)可劃分為五類。（1）連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料纖維增強金屬基復(fù)合材料是利用無機纖維（或晶須）及金屬細(xì)線等增強金屬得到質(zhì)量輕且強度高的材料，纖維直徑從3150mm偈須直徑小于 1mm）縱橫比（長度直徑）在102以上。（2）短纖維增強金屬基復(fù)合材料作為金屬基復(fù)合材料增強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 增強體

10、的材料主要有 Saffil A12O3、A12O3 SiO2、SiC等。（3）晶須增強金屬基復(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）顆粒增強金屬基復(fù)合材料顆粒增強金屬基復(fù)合材料是利用顆粒自身的強度，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，強化相的容積比可達 90%。常用作金屬基復(fù)合材料增強體的顆粒主要有：SiCAl2O3、TiC、TiB2、NiAl、Si3N4等陶瓷顆粒，以及石墨顆粒，甚至金屬顆粒。（5）混雜增強金屬復(fù)合材料對上述四種單一的增強形式進行有機的組合就形成了

11、混雜增強。增強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)增強的粘結(jié)、團聚現(xiàn)象，顆粒的混入可以解決這一問題與單一的增強金屬基復(fù)合材料相比，可以大幅度提高材料的橫向強度，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地面運輸汽車行業(yè)中的主要應(yīng)用包括局部增強的柴油機活塞，局部增強的Al發(fā)動機組的缸體，進氣閥和排氣閥，驅(qū)動軸和連桿，制動組件 （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

12、制造，現(xiàn)在用 P/M法，可以實現(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/SiC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MMCSZ用已經(jīng)建立起了飛機結(jié)構(gòu)學(xué)、飛機推進學(xué)和輔助系統(tǒng)三類。飛機結(jié)構(gòu)組件包括F16飛機的機腹尾翼、燃料通道門蓋板，歐洲直升機EC120和N4直升機的轉(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，石化行業(yè)的抗腐蝕涂層。TiC增強的鐵

13、和鐐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、拉拔、模鍛、鉆孔等；制作的零 件包括：鍛錘、沖壓模、罐裝工具、壓紋輾、止回閥、擠壓機噴嘴、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、固相工藝和液一固兩相工藝、液相復(fù)合工藝。6.2液相工藝

14、 攪拌復(fù)合工藝攪拌復(fù)合工藝又稱攪拌鑄造法，是通過機械攪拌裝置使顆粒爭強體與液態(tài)金屬基體混 合，然后通過常壓鑄造或真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)動機活塞。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。(1) 擠壓鑄造擠壓鑄造是將增強體材料制成一定形狀并有一定強度的預(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

15、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，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。其最大的工藝特粒和不連續(xù)纖維等容易堵塞噴口。6.2固相復(fù)合工藝粉末冶金法粉末冶金法采用熱壓或熱靜壓的方法使材料擴散復(fù)合，從而制成復(fù)合材料錠塊該技術(shù)對基體合金和增強體的限制少，增強體體積分?jǐn)?shù)易調(diào)節(jié)控制，這點也是鑄造法難以比擬的， 且經(jīng)二次加工增強體分布均勻，基體晶粒細(xì)小，性能穩(wěn)

16、定擴散結(jié)合工藝擴散結(jié)合工藝是在低于基體合金熔點的適當(dāng)溫度下施加高壓，通過與基體發(fā)生的塑性變形 蠕變以及擴散，將基體與基體 基體與增強體緊密結(jié)合，從而得到完全壓實的金屬基復(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處于固-液兩相區(qū)的熔體施加強烈攪拌形成低粘度的半固態(tài)漿液，同時引入陶瓷顆粒，利用半固態(tài)漿液的觸變特性分散增強相，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，

17、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，送到壓鑄機中壓鑄，由于壓鑄時澆口處的剪切作用，可恢復(fù)其流變性而充滿鑄型，此稱作觸變鑄造顆?；蚨汤w維增強材料加入到強烈攪拌的半固態(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，又使添加粒子在漿液中均勻分散，改善了潤濕性，促進界面結(jié)合。6.4金屆基復(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步，為推動復(fù)合材料的發(fā)展作出了巨大貢獻

18、但我國金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)水平與發(fā)達國家相比仍存在較大差距，主要是金屬基復(fù)合材料增強體與基體的潤濕機理增強體與基體的微觀作用機理等領(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體間發(fā)生的界面反應(yīng)機理金屬基復(fù)合材料的強化機制，開展增強體與基體的潤濕機理， 闡明界面反應(yīng)物脆性相對增強體的損傷程度；并結(jié)合金屬基復(fù)合材料的強化機制，探討金屬基復(fù)合材料的凝固過程，研究增強相與基體的微觀作用機理，實現(xiàn)低密度高強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I可題及發(fā)展趨勢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，大都為試驗件，真正能用于生產(chǎn)的很少。這是當(dāng)前不少先進的尖端材料普遍存在的 一個共同問題。這些問題的原因主要是如下四個方面：1.工藝技術(shù)復(fù)雜；2.價格昂貴；3.性能有待改進，工藝尚須完善；4.設(shè)計與使用經(jīng)驗不足。7.2金屆基復(fù)合材料研究趨勢(1) 簡化制備工藝，降低制備成本，始終是研究熱點之一。