1、湖南农业大学课程论文学 院：理学院 班 级：12 级材料化学一班姓 名：翦磊 学 号：201240262118课程论文题目：新型复合材料的研究进展金属基复合材料课程名称：复合材料原理评阅成绩：评阅意见：成绩评定教师签名：期： 年 月 日新型复合材料的研究进展金属基复合材料学生：翦磊（理学院 12 级材料化学一班 学号：201240262118）摘要：随着世界航天工业的蓬勃发展，迫切需求具有高比强度的结构材料。于是在 60 年代开始开发的、在当时并不引人注目的金属基复合材料（MMC）重新提上开发日程关键词：金属基复合材料 分类 性能 应用 制备 发展趋势1、什么是金属基复合材料1.1 金属基复合
2、材料的简介复合材料是继天然材料，加工材料和合成材料之后发展起来的新一代材料。按通常的说法，复合材料是指两种或两种以上不同性质的单一材料，通过不同的复合方法所得到的宏观多相材料。随着现代科学技术的迅猛发展，对材料性能的要求日益提高。常希望复合材料即具有良好的综合性能，又具有某些特殊性能。金属基复合材料是近年来迅速发展起来的高性能材料之一，对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用。相信随着科学技术的不断发展，新的制造方法的出现，高性能增强物价格的不断降低，金属基复合材料在各方面将有越来越广阔的应用前景。1.2 金属基复合材料的发展历史及研究现状20 世纪 60 年代为满足发
3、展高性能武器装备的军事需要，人们开始对金属基复合材料(MMCs)进行研究和开发。70 年代末，军事领域也开始强调经济性和风险性，政府军事采购的数量明显减少，使得高性能 MMCs 的开发和应用变得相当困难。80 年代，成本低、加工性能好的非连续增强 MMCs 出现，使 MMCs 的研发复兴，也开始进入其它应用领域。至今,MMCs 已成为继金属材料、无机非金属材料、高分子材料之后的第四大类材料，应用前景广阔。MMCs 除了具有基体金属或合金具备的良好的导热、导电性能，抗苛刻环境能力，抗冲击、抗疲劳性能和断裂性能以外，MMCs 还具有高强度、高刚度，出色的耐磨性能和更低的热膨胀系数(CTE)。基体材
4、料的改变，增强体材料、尺寸、形状和基体材料的改变，增强体材料、尺寸、形状和分布的几乎没有穷尽的组合，使 MMCs 具有多样性。众多基体中，目前以铝、镁、钛基发展较为成熟。增强体中以 SiC 的使用量最大， 远远超出了其它复合材料；其次是 Al2O3。增强体不同，制造成本也有很大不同。连续纤维增强 MMCs 要比颗粒增强 MMCs 价格高很多，短纤维和晶须增强 MMCs 价格居中。2、金属基复合材料的性能2.1、结构性能强度和刚度是结构应用的两个最重要的特性。轴向性能，石墨环氧复合材料(Gr)的比强度和比刚度远高于其它材料，Ti(f)和 Al(f)的次之。平面增强的 Gr 是 (在平面内)准各向
5、同性的，且 Gr 比钛基复合材料(TMCs)廉价，比其它 MMCs 易得，注定了它是最大单向结构效率的首选材料。典型的结构件必须承受多向载荷，因此单向复合材料的应用受到限制。非连续增强 MMCs 的比强度和比刚度适中，易于获得，是最具竞争力的结构材料。MMCs 越来越多地应用于那些断裂敏感的场合，并被实践证明完全可以满足使用要求。2.2、热学管理性能热学管理是 MMCs 的一项很重要的应用，应用范围很广，包括计算机处理器的芯片基片，功率半导体设备和远程通信中的微波元件封装。高的热导率是首要的性能，比热导率是运动系统中组件的一个非常重要的性能。CTE 是热学管理中第二重要的性能。2.3、用于精密
6、装置的性能像磁盘驱动器、录像头、原子力显微镜的载物台、机械臂、惯性引导系统、人造卫星天线、高速制造设备和推进系统，在运行时承受很大的热梯度和机械应力的同时还要保持严格的尺寸公差。对机械变形的抗力取决于材料的特性，比如刚度和密度，还有组件的几何形状和承受载荷的方式。特定质量下具有更高的 E/ 值的材料具有更好的抗弹性挠曲的能力。大的热导率能减小热梯度从而减小热诱导应力，所以增大 / 有利于减小热诱导变形。2.4、耐磨性能耐磨性能是 MMCs 的众多性能中很重要的一项。硬质增强颗粒的加入从本质上增强了基体金属的耐磨性能。MMCs 适于作耐磨材料，性价比更高，经济性能更好。3、金属基复合材料的分类金
7、属基复合材料的增强体是一些不同几何形状的金属或非金属材料。目前，其增强相已有很多，重要的有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、SiC 纤维、SiC 晶须；颗粒型的有 SiC、碳化硼、图化钛等；丝状的有钨、铍、硼、钢等。金属基复合材料按其增强材料的几何形态可划分为五类。(1)连续纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料是利用无机纤维(或晶须)及金属细线等增强金属得到质量轻且强度高的材料，纤维直径从3150mm(晶须直径小于 1 mm)，纵横比(长度直径)在 102 以上。 (2)短纤维增强金属基复合材料作为金属基复合材料增强体的短纤可分为天然纤维制品和短切纤维。天然纤维主要是一些植物纤维和菌
8、类纤维索等，长度一般为 35150 mm；短切纤维一般是由连续纤维(长纤维)切割而成，长度 150 mm，用于金属基复合材料短纤维增强体的材料主要有SaffilAl2O3、Al2O3SiO2、SiC 等。(3)晶须增强金属基复合材料晶须是指在特定条件下以单晶的形式生长而成的一种高纯度纤维，其原子排列高度有序，几乎不含晶界位错等晶体结构缺陷，有异乎寻常的力学性能。(4)颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料是利用颗粒自身的强度，其基体起着把颗粒组合在一起的作用，颗粒平均直径在 1 微米以上，强化相的容积比可达 90。常用作金属基复合材料增强体的颗粒主要有：SiCAl2O3、TiC、TiB2
9、、NiAl、Si3N4 等陶瓷颗粒，以及石墨颗粒，甚至金属颗粒。(5)混杂增强金属复合材料对上述四种单一的增强形式进行有机的组合就形成了混杂增强。增强体的混杂组合可分为三种：颗粒短纤维(或晶须)连续纤维颗粒、连续纤维连续纤维、在短纤维或晶须的预制件中，易出现增强的粘结、团聚现象，颗粒的混入可以解决这一问题与单一的增强金属基复合材料相比，可以大幅度提高材料的横向强度，改善材料的力学性能。4、金属基复合材料的应用4.1、地面运输汽车行业中的主要应用包括局部增强的柴油机活塞，局部增强的 Al 发动机组的缸体，进气阀和排气阀，驱动轴和连杆，制动组件(刹车盘、转子和卡钳)，混合式车或电车的电源模块。4.
10、2、热学管理热管理零件具有很高的附加值，通常是每平方英寸几美元。这方面应用最多的是 Cu/Mo 和 Cu/W。以前多采用液态金属浸渗来制造，现在用 P/M 法，可以实现近净成形工艺，用搅拌铸造、液态浸渗、P/M 的方法制造的 Al/SiC 正被越来越广泛地应用。用 P/M 法制得的 Be/BeO 用于高性能的场合。AlBeMet 是金属/金属复合材料，通常用 P/M 或铸造方法制造，应用于需要良好结构性能的热管理零件。4.3、航空航天航空学的 MMCs 应用已经建立起了飞机结构学、飞机推进学和辅助系统三类。飞机结构组件包括 F16 飞机的机腹尾翼、燃料通道门盖板,欧洲直升机 EC120 和N4
11、 直升机的转子叶片。4.4、工业、娱乐业和基础设施工业工业应用包括硬质合金、金属陶瓷、电镀和浸渍金刚石刀具，铜和银 MMCs 电触点，石化行业的抗腐蚀涂层。TiC 增强的铁和镍合金具有出色的硬度和良好的耐磨性能，在工业中应用广泛：切削、轧制、制粒、冲压、冲孔、金属热加工、拉拔、模锻、钻孔等；制作的零件包括：锻锤、冲压模、罐装工具、压纹辊、止回阀、挤压机喷嘴、弯曲模、挤压模、热锻模模衬等。5、金属基复合材料制备工艺5.1、制备工艺与分析金属基复合材料的复合制备工艺复杂、技术难度较大，但制备技术研究是决定该类材料迅速发展和广泛应用的关键问题。所以，研究开发实用有效的制备方法一直是金属基复合材料的重
12、要问题之一目前，虽然已经研制出不少复合工艺，但都存在一些问题。按照制备过程中基体的温度，将其工艺分为液相工艺、固相工艺和液固两相工艺、液相复合工艺。5.2、液相工艺搅拌复合工艺搅拌复合工艺又称搅拌铸造法，是通过机械搅拌装置使颗粒争强体与液态金属基体混合，然后通过常压铸造或真空常压铸造或压力铸造制成复合材料锭子或零件。浸渗复合工艺浸渗工艺包括高压 气压 无压浸渗三种，该制备技术已用于制造 Toyoto 发动机活塞。液态金属浸渗法是一种制备大体积分数复合材料的好方法，但是存在预制块的变形、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗大和界面反应等缺点。(1)挤压铸造挤压铸造是将增强体材料制成一定形状并有一定强度的预
13、制体，再将金属液浸渗到预制体中，保压凝固而成。(2)气压浸渗气压浸渗能有效防止金属和增强体的氧化，限制了界面反应，改善界面，提高了浸润性，减少了出现气孔等缺陷的几率。由于其制造过程气压不超过 10 MPa，所以零件不易开裂。但是，低气压浸渗难以制造大型件，生产效率低，工艺步骤多，周期长。(3)无压浸渗无压浸渗是金属液体在没有外压力和真空的条件下，自发地渗入预制体间隙，冷却凝固获得致密的复合材料喷射共沉积复合工艺喷射共沉积复合技术克服了粉末冶金含氧量大、搅拌复合界面反应严重的缺点。其最大的工艺特粒和不连续纤维等容易堵塞喷口。5.2、固相复合工艺粉末冶金法粉末冶金法采用热压或热静压的方法使材料扩散
14、复合，从而制成复合材料锭块 该技术对基体合金和增强体的限制少，增强体体积分数易调节控制，这点也是铸造法难以比拟的，且经二次加工增强体分布均匀，基体晶粒细小，性能稳定扩散结合工艺扩散结合工艺是在低于基体合金熔点的适当温度下施加高压，通过与基体发生的塑性变形 蠕变以及扩散，将基体与基体 基体与增强体紧密结合，从而得到完全压实的金属基复合材料的方法 该方法能有效抑制复合材料的界面反应，解决润湿性问题，是连续纤维增强体金属基复合材料的主要制备方法 但仅能生产平板状或低曲率板等形状简单的构件5.3、固液两相区复合工艺流变铸造法流变铸造法是对处于固液两相区的熔体施加强烈搅拌形成低粘度的半固态浆液，同时引入
15、陶瓷颗粒，利用半固态浆液的触变特性分散增强相，阻止陶瓷颗粒的下沉或漂浮，保证陶瓷颗粒弥散分布于金属熔体中，但存在搅拌工艺所有的问题，仅适用于凝固区间较宽的金属，也存在界面反应 颗粒偏析等问题固液两相区热压复合工艺固液两相区热压复合工艺具有流变性，可进行流变铸造；半固态浆液具有触变性，可将流变铸造锭重新加热到所要求的固相组分的软化度，送到压铸机中压铸，由于压铸时浇口处的剪切作用，可恢复其流变性而充满铸型，此称作触变铸造 颗粒或短纤维增强材料加入到强烈搅拌的半固态合金中 由于半固态浆液中球状碎晶粒子对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，又使添加粒子在浆液中均匀分散，改善了
16、润湿性，促进界面结合。5.4、金属基复合材料的制备工艺存在的问题通过多年研究积累，我国已在金属基复合材料制备过程方面取得突破性的进步，为推动复合材料的发展作出了巨大贡献 但我国金属基复合材料制备技术水平与发达国家相比仍存在较大差距，主要是金属基复合材料增强体与基体的润湿机理 增强体与基体的微观作用机理等领域研究薄弱，这是严重制约我国新型金属基复合材料研发的主要因素故在未来研究中，应基于金属基体与增强体间发生的界面反应机理 金属基复合材料的强化机制，开展增强体与基体的润湿机理，阐明界面反应物脆性相对增强体的损伤程度；并结合金属基复合材料的强化机制，探讨金属基复合材料的凝固过程，研究增强相与基体的
17、微观作用机理，实现低密度 高强度和比刚度 高温性能和抗大气腐蚀性 低热膨胀系数的金属基复合材料的突破性发展。6、金属基复合材料存在的问题及发展趋势6.1、存在的问题金属基复合材料在国际上虽然很受重视，近年发展较快，但就规模与速度相 比，还远落后于碳/环氧等树脂基复合材料，特别在生产应用上，尚未真正打开局面。上面提及的应用情况，大都为试验件，真正能用于生产的很少。这是当前不少先进的尖端材料普遍存在的一个共同问题。这些问题的原因主要是如下四个方面：1.工艺技术复杂；2.价格昂贵；3.性能有待改进，工艺尚须完善；4.设计与使用经验不足。6.2、金属基复合材料研究趋势(1)简化制备工艺，降低制备成本，
18、始终是研究热点之一。(2)目前金属基复合材料的强化机制研究还不是很成熟，学术观点各有所见，很难达成共识。应加强对强化机制的研究，探讨复合材料的凝固过程，研究增强相与基体的微观作用机理，进一步推动金属基复合材料的发展。(3)润湿性问题一直困扰研究金属基复合材料的学者，给实际制备复合材料带来很大的困难。目前，有些学者研究了铝基复合材料的润湿性，并取得了一定的进展。但对钢基复合材料的研究却很少，国内目前尚未见报道。如果想制备优良的钢基复合材料，润湿性问题尤显重要。(4)研究的重点侧重于增强体与基体的结合界面及增强体在基体中的分布，却忽略了基体自身的性能。基体本身的性能对复合材料的影响也至关重要，性能
19、优越的复合材料同样要求有性能优越的基体，因此应加大对基体和增强体性能同步提高的研究。7、结束语与传统的单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料相比，金属基复合材料出除了具有优异的力学性能外，更具有某些特殊性能和良好的综合性能，并且应用范围也是越来越广泛。可以看出，金属基复合材料一开始因价格比较昂贵，首先应用于航空、航天和军事领域。而随着新的材料制备技术的研制成功和廉价增强物的不断出现，金属基复合材料正越来越多地应用于汽车、机械、冶金、建材、电力等民用领域。显示出广阔的应用前景和巨大的经济效益和社会效益。我们相信随着科学技术的不断发展以及相关领域研究工作的不断深入，金属基复合材料其理论基础和制备技术将
20、会有更大的突破，在各方面将有越来越广阔的应用前景。8、参考文献1闻荻江；复合材料原理；武汉理工大学出版社；2012 年 7 月2赵玉涛；金属基复合材料机械工业出版社；2010 年 10 月3高闰丰;Ti_3SiC_2 弥散强化铜基复合材料的制备和性能研究D;武汉理工大学;2006 年 4 宋文远;SiC_p/6066Al 复合材料弹性模量的研究D;重庆大学;2006 年 5崔国明;内生颗粒增强 Al-10Sn 复合减摩材料的研究D;广西大学;2006 年 6高跃岗;原位 VC_p/Fe 复合材料中 VC 生成条件及材料耐蚀耐磨性能研究D;哈尔滨理工大学;2006年7付原科;新型耐磨耐蚀高铬铁合金的研发D;哈尔滨理工大学;2006 年 8王晓芳;负热膨胀材料 ZrW_2O_8、ZrV_2O_7 及其与金属 Cu、Al 的复合技术与特性D;西安理工大学;2007 年 9孙洪强;微合金化与原位颗粒协同作用铝基复合材料的组织与性能D;江苏大学;2007 年 10戚道华;CNTs/ZM5 镁合金复合材料的制备与机械性能研究D;南昌大学;2007 年 11杨传胜;原位 VCp/Fe 复合材料微观结构及热处理工艺研究D;哈尔滨理工大学;2007 年 12许静;高频感应熔覆微纳米 WC-Ni60A 复合涂层性能的研究D;北京工业大学;2008 年
