金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)及難點(diǎn)

1、金屬基復(fù)合材料制備的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)摘要：針對(duì)金屬基復(fù)合材料的制備問(wèn)題，本文簡(jiǎn)述了金屬基復(fù) 合材料制備的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)，并簡(jiǎn)單指出了相應(yīng)的解決 方案。其中引用了一些文獻(xiàn)中較為優(yōu)秀的制備技術(shù)，并概述了 金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展方向。1、背景金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體，以纖維、顆粒、晶須等為增強(qiáng)體 材料，并均勻地分散于基體材料形成的兩相或多相組合的材料體系，而 用于制備這種復(fù)合材料的適當(dāng)方法稱之為復(fù)合材料制備技術(shù)。金屬基復(fù) 合材料的性能、應(yīng)用、成本等在很大程度上取決于材料的制備技術(shù)，因 此研究和發(fā)展有效的制備技術(shù)一直是金屬基復(fù)合材料研究的重要問(wèn)題 之一。2、內(nèi)容由于金屬所固有的物理和化學(xué)

2、特性，其加工性能不如樹(shù)脂好，在制 造金屬基復(fù)合材料中還需解決一些關(guān)鍵技術(shù)，其中主要表現(xiàn)為一下幾個(gè) 方面：加工溫度高，在高溫下易發(fā)生不利的化學(xué)反應(yīng)。在加工過(guò)程中， 為了保持基體的浸潤(rùn)性和流動(dòng)性，需要采取彳艮高的加工溫度(往往 接近或高于基體的熔點(diǎn))。在高溫下，基體與增強(qiáng)材料易發(fā)生界面反 應(yīng)，有時(shí)也會(huì)發(fā)生氧化生成有害的反應(yīng)產(chǎn)物。這些反應(yīng)往往會(huì)對(duì)增 強(qiáng)材料造成傷害，形成過(guò)強(qiáng)結(jié)合界面。過(guò)強(qiáng)結(jié)合界面會(huì)使材料產(chǎn)生 早期低應(yīng)力破壞。高溫下反應(yīng)產(chǎn)物通常呈脆性，會(huì)形成復(fù)合材料整 體破壞的裂紋源。因此控制復(fù)合材料的加工溫度是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。解決方法：盡量縮短高溫加工時(shí)間，使增強(qiáng)材料與基體界面反 應(yīng)時(shí)間降低至最低程

3、度；通過(guò)提高工作壓力使增強(qiáng)材料與基體浸潤(rùn) 速度加快；采用擴(kuò)散粘接法可有效地控制溫度并縮短時(shí)間。如朱波等人通過(guò)熱壓法在大氣環(huán)境下采用鎂鋁共晶合金粉末 (Mg-31at.%Al)和鋁鎂共晶合金粉末(Mg-62at.%Al)作為中間層(釬料)，熱 壓壓頭溫度分別在460C、480C和480C、500C下，施加30 MPa壓力， 保壓 1min，成功制備 了 100mmx 100mmX2.4mm 的 AZ31B/A1 復(fù)合板。X射線無(wú)損檢測(cè)表明鎂鋁復(fù)合板層界面完整，無(wú)氣孔、未熔合等缺陷。 利用掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)觀察分析了不同工藝參數(shù)下所制 備的鎂鋁復(fù)合板的層界面微觀組織結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明

4、：熱壓過(guò)程中,中 間層(釬料)與兩側(cè)基體均發(fā)生明顯的擴(kuò)散，層界面通過(guò)擴(kuò)散形成冶金 結(jié)合。在采用鎂鋁共晶合金粉末制備的鎂鋁復(fù)合板的層界面上，從 AZ31B鎂合金板到1050純鋁板依次形成a-Mg+Mg17Al12雙相層、 Mg17Al12單相層和Mg2Al3單相層；在采用鋁鎂共晶合金粉末制備 的鎂鋁復(fù)合板的層界面上，從AZ31B鎂合金板到1050純鋁板依次形 成Mg17Al12單相層和Mg2Al3單相層。采用粘接拉伸法，測(cè)試了鎂鋁 復(fù)合板層界面的結(jié)合強(qiáng)度，并利用掃描電鏡和X射線衍射儀觀察和分 析了斷面的組織形貌和物相組成。結(jié)果表明：鎂鋁復(fù)合板的層界面 結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)24 MPa,層界面沿較厚的單相

5、金屬間化合物層開(kāi)裂。鎂 鋁復(fù)合板層界面處較厚的鎂鋁金屬間化合物層,尤其是Mg2Al3層，是 層界面的薄弱位置。采用a-Mg+Mg17Al12共晶合金比采用a -Al+Mg2Al3共晶合金作釬料利于減小Mg2Al3層的厚度，界面結(jié)合強(qiáng) 度也相對(duì)提高。電化學(xué)腐蝕結(jié)果表明：鎂鋁復(fù)合板的耐蝕性較鎂合 金基體有很大的提高。在3.5wt.%NaCl溶液中，腐蝕電流從AZ31B的 10.75A/cm2降低至8.68 X 10-3A/cm2,與純Al板的相當(dāng)。采用鋅板 中間層，壓頭溫度440C,熱壓30s,壓強(qiáng)15MP持續(xù)60s制備 AZ31B/Zn/Al復(fù)合板,中間層與鎂合金基體反應(yīng)劇烈,而與鋁基體無(wú) 明顯

6、反應(yīng)和擴(kuò)散。增強(qiáng)材料與基體濕潤(rùn)性太差是金屬基復(fù)合材料制造的又一難點(diǎn)。 絕大多數(shù)的金屬基復(fù)合材料如碳/鋁、碳/鎂、碳化硅/鋁、氧化鋁/ 銅等，基體對(duì)增強(qiáng)材料浸潤(rùn)性太差，有時(shí)根本不發(fā)生浸潤(rùn)現(xiàn)象。解決方法：加入合金元素，優(yōu)化基體組分，改善基體對(duì)增強(qiáng)材 料的浸潤(rùn)性，常用的合金元素有鈦、鋯、鈮等；對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行表 面處理，涂敷一層可抑制界面反應(yīng)的涂層，可有效改善其浸潤(rùn)性， 表面涂層方法很多，如化學(xué)氣相沉淀、物理氣相沉積、溶膠一凝膠 和電鍍或化學(xué)鍍等。如比較先進(jìn)的電熱爆炸超高速噴涂法、納米復(fù)合電刷鍍技術(shù)等。按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，使增強(qiáng)材料按設(shè)計(jì)要求分布于基體中也是金屬 基復(fù)合材料制造中的難點(diǎn)。增強(qiáng)材料的種類很多

7、，如短纖維、晶須、 顆粒等，也有直徑較粗的單絲，直徑較細(xì)的纖維束等。在尺寸、形 態(tài)、理化性能上也有很大差異，使其均勻地、或按設(shè)計(jì)強(qiáng)度的需要 分布比較困難。解決方法：對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，使其浸?rùn)基體速 度加快；加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪馗纳茩C(jī)體的分散性；施加適當(dāng)?shù)膲毫Γ?使其分散性增大。3、結(jié)論近年來(lái)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的異軍突起，終于實(shí)現(xiàn)了在先進(jìn)飛機(jī) （包括大型客機(jī)）上作為主承載構(gòu)件的成功運(yùn)用，并迅速將其應(yīng)用范圍 擴(kuò)大到電子商品、交通運(yùn)輸工具、運(yùn)動(dòng)器材等民用領(lǐng)域。因此，可以預(yù) 見(jiàn)以顆粒增強(qiáng)鋁為代表的低成本金屬基復(fù)合材料，在未來(lái)的高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng) 中必將能占有一席之地，并有希望成為重要的結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu) 功能一一 體化的材料。參考文獻(xiàn)：【1】于化順 主編 【金屬基復(fù)合材料及其制備技術(shù)】化學(xué)工業(yè)出 版社 2006.8.【2】陶杰 趙玉濤 潘蕾 駱心怡 【金屬基復(fù)合材料制備新技術(shù)導(dǎo) 論】化學(xué)工業(yè)