金屬基復(fù)合材料簡(jiǎn)介及研究現(xiàn)狀

1、金屬基復(fù)合材料簡(jiǎn)介及研究現(xiàn)狀摘要:本文介紹了金屬基復(fù)合材料的研究狀況與發(fā)展展望。介紹了它的定義、分類、性能特征并歸納了它的制備工藝。對(duì)金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)存問(wèn)題進(jìn)行了一定的分析與總結(jié)。最后對(duì)金屬基復(fù)合材料的發(fā)展前景做出展望。關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料、制造工藝、研究現(xiàn)狀、存在問(wèn)題、發(fā)展前景一、復(fù)合材料簡(jiǎn)介復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同物理、化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)以微觀或宏觀的形式復(fù)合而成的多相材料。各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。復(fù)合材料按其組成分為金屬與金屬?gòu)?fù)合材料、非金屬與金屬?gòu)?fù)合材料、非金屬與

2、非金屬?gòu)?fù)合材料。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為：纖維復(fù)合材料。夾層復(fù)合材料。細(xì)粒復(fù)合材料。將混雜復(fù)合材料。60年代，為滿足航空航天等尖端技術(shù)所用材料的需要，先后研制和生產(chǎn)了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。這種復(fù)合材料稱為先進(jìn)復(fù)合材料。按基體材料不同，先進(jìn)復(fù)合材料分為樹(shù)脂基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。其使用溫度分別達(dá)250350、3501200和1200以上。先進(jìn)復(fù)合材料除作為結(jié)構(gòu)材料外，還可用作功能材料，如梯度復(fù)合材料、機(jī)敏復(fù)合材料、仿生復(fù)合材料、隱身復(fù)合材料等。二、金屬基復(fù)合材料

3、簡(jiǎn)介在此主要對(duì)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行介紹與研討。 (1)定義：金屬基復(fù)合材料是以金屬或合金為基體，以高性能的第二相為增強(qiáng)體的復(fù)合材料。它是一類以金屬或合金為基體, 以金屬或非金屬線、絲、纖維、晶須或顆粒狀組分為增強(qiáng)相的非均質(zhì)混合物, 其共同點(diǎn)是具有連續(xù)的金屬基體。(2)分類：按增強(qiáng)體類型分為：1.顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料；2.層狀復(fù)合材料；3.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 按基體類型分為：1.鋁基復(fù)合材料；2.鎳基復(fù)合材料；3.鈦基復(fù)合材料；4.鎂基復(fù)合材料 按用途分為：1.結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；2.功能復(fù)合材料（3）性能特征：金屬基復(fù)合材料的性能取決于所選用金屬或合金基體和增強(qiáng)物的特性、含量、分布等。綜合歸納金屬基復(fù)合材料

4、有以下性能特點(diǎn)。 A高比強(qiáng)度、比模量 B. 良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能 C熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好D良好的高溫性能和耐磨性E良好的斷裂韌性和抗疲勞性能F不吸潮、不老化、氣密性好三、金屬基復(fù)合材料的制造工藝金屬基復(fù)合材料品種繁多，其制造方法也因基體和增強(qiáng)物的不同，而有不同的制造方法。歸納起來(lái)可以分成以下三類：（1）固態(tài)法1將金屬粉末或金屬箔與增強(qiáng)物(纖維、晶須、顆粒等)按設(shè)計(jì)要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再經(jīng)加熱、加壓，將金屬基體與增強(qiáng)物復(fù)合粘結(jié)在一體形成復(fù)合材料。整個(gè)工藝過(guò)程處于較低的溫度，金質(zhì)基體與增強(qiáng)物均處于固體狀態(tài)。金屬與增強(qiáng)物之間的界面反應(yīng)不嚴(yán)重。粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓

5、法、軋制法、拉拔法等均屬于固態(tài)復(fù)合成型方法。（2）液態(tài)金屬法金屬基體處于熔融狀態(tài)下與固體增強(qiáng)物復(fù)合在一起的方法。液態(tài)法制造金屬基復(fù)合材料時(shí)，制備溫度高，易發(fā)生嚴(yán)重界面反應(yīng)，有效控制界面反應(yīng)，是液態(tài)法的關(guān)鍵。擠壓鑄造法、真空吸鑄、液態(tài)金屬浸漬法、真空壓力浸漬法、攪拌復(fù)合法等均屬于液態(tài)法。（3）自生成法及其他制備法在基體金屬內(nèi)部通過(guò)加入反應(yīng)元素，或通入反應(yīng)氣體在液態(tài)金屬內(nèi)部反應(yīng)，產(chǎn)生微小的固態(tài)增強(qiáng)相，一股是金屬化合物TiC，TiB2，A12O3等微粒起增強(qiáng)作用。通過(guò)控制工藝參數(shù)獲得所需的增強(qiáng)物含量和分布。其他方法還有復(fù)合涂覆法，將增強(qiáng)物(主要是細(xì)顆粒)懸浮于鍍液中，通過(guò)電鍍或化學(xué)鍍將金屬與顆粒同時(shí)

6、沉積在基板或零件表面形成復(fù)合材料層。也可用等離子等熱噴鍍法將金屬與增強(qiáng)物同時(shí)噴鍍?cè)诘装迳闲纬蓮?fù)合材料。四、金屬基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀1金屬基復(fù)合材料的界面金屬基復(fù)合材料的界面問(wèn)題一直是困擾本領(lǐng)域工作者的重大問(wèn)題因?yàn)榻饘倩鶑?fù)合材料的界面有三種類型，而且界面以五種不同的方式結(jié)合，所以界面區(qū)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜雖然多數(shù)金屬基復(fù)合材料是以界面反應(yīng)的形式結(jié)合，但是反應(yīng)的程度受工藝方法及溫度參數(shù)的影響極大，同時(shí)由于界面區(qū)尺寸僅為納米級(jí)，從而使分析表征工作困難很大2. 金屬基復(fù)合材料的凝固過(guò)程金屬的凝固過(guò)程已經(jīng)研究得比較成熟，但金屬基復(fù)合材料的凝固過(guò)程由于增強(qiáng)體的存在使基體金屬的凝固過(guò)程變得復(fù)雜，難以套用現(xiàn)有的金屬凝

7、固理論實(shí)際上由于增強(qiáng)體的存在，其凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)、晶體生長(zhǎng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程都會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)一般凝固過(guò)程均處于非平衡條件下，因此流體的流動(dòng)行為、溶質(zhì)的再分配規(guī)律以及凝固體的組織形態(tài)也有相應(yīng)的變化。3. 非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備科學(xué)非連續(xù)增強(qiáng)體（顆粒、短纖維、晶須）增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，由于其制造工藝較簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)低廉，所以在汽車、紡織等民用工業(yè)中初步獲得應(yīng)用，特別是SiC 顆粒增強(qiáng)和硅酸鋁（或莫來(lái)石）短纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料現(xiàn)在已有一定的生產(chǎn)規(guī)模。4. 金屬基復(fù)合材料的原位復(fù)合金屬基復(fù)合材料的原位復(fù)合工藝基本上能克服其它工藝中通常出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，如基體與增強(qiáng)體浸潤(rùn)不良，界面

8、反應(yīng)產(chǎn)生脆性層，增強(qiáng)體分布不均勻，特別是對(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，作為一種具有突破性的新工藝方法而受到普遍的重視，并廣泛開(kāi)展了研究工作。其中包括直接氧化法、無(wú)壓力浸潤(rùn)法、自蔓延法和在金屬中已有研究基礎(chǔ)的原位共晶生長(zhǎng)法等。五、金屬基復(fù)合材料的研究與應(yīng)用中存在的問(wèn)題21工藝技術(shù)復(fù)雜無(wú)論是增強(qiáng)纖維的制造，還是與金屬基體的復(fù)合，都有自己的特殊制造工藝和專門生產(chǎn)設(shè)備，技術(shù)難度大，效率低。2價(jià)格昂貴由于工藝技術(shù)復(fù)雜，必然增加成本。3.性能有待改進(jìn)，工藝尚需完善金屬基復(fù)合材料主要性能優(yōu)越，但在橫向沖度、沖擊韌性、加工性能等方面尚有不足。加之工藝復(fù)雜不夠穩(wěn)定，性能的分散度大，重復(fù)性較差。

9、4.設(shè)計(jì)與使用經(jīng)驗(yàn)不足金屬基復(fù)合材料是一種完全不同于普通金屬的新穎材料，由于發(fā)展時(shí)間尚短，性能數(shù)據(jù)還不充分，它的斷裂機(jī)理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與常規(guī)材料有很大差異。六、金屬基復(fù)合材料的發(fā)展前景3金屬基復(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，還有一段艱難的路程，但是由于它性能優(yōu)勢(shì)的存在，是有明確發(fā)展前景的，這就需要廣大材料研究工作者進(jìn)行深人細(xì)致的基礎(chǔ)研究，探索新的工藝方法并開(kāi)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(wèn)題，并力求研究結(jié)果有助于改善生產(chǎn)應(yīng)用問(wèn)題，其他基礎(chǔ)性問(wèn)題如凝固過(guò)程

10、的研究等也應(yīng)圍繞生產(chǎn)實(shí)際過(guò)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)仁尚留下大量間題有待解決。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。七、結(jié)束語(yǔ)我國(guó)金屬基復(fù)合材料的研究起步僅落后于美、日等國(guó)不到五年。鑒于國(guó)際上金屬基復(fù)合材料尚未大規(guī)模生產(chǎn)，因此目前差距不大。目前主要集中在以輕金屬（如鋁、鎂、鈦）等為基體的復(fù)合材料研究，少量研究致力于銅、鐵、鉛基體的復(fù)合材料。增強(qiáng)的形式包括連續(xù)纖維、短纖維、晶須和顆粒。但在關(guān)于其理論基礎(chǔ)性研究的理論深度上與國(guó)外有一定的差距，特別是在原子、分子水平上深入認(rèn)識(shí)界面的結(jié)構(gòu)方面不夠，這主要是缺少先進(jìn)的分析表征手段和物理學(xué)家的介入不夠有關(guān)。對(duì)于大批量生產(chǎn)的復(fù)合材料來(lái)講，軋制復(fù)合是特別有效的復(fù)合方法。無(wú)論采用熱軋還是冷軋，在不同的材料復(fù)合中都在廣泛的研究和應(yīng)用。其適用性和經(jīng)濟(jì)性是其它復(fù)合方法所不能比擬的?？傊?，我國(guó)對(duì)復(fù)合材料科學(xué)研究正