1、金属基复合材料摘要 ：概述了金属基复合材料的发展历史、制造方法,不同金属基复合材料的研究现状及发展。指出了金属基复合材料以后的发展方向。 关键词 ：金属基复合材料；基体材料；引言 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
2、，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。 近代金属基复合材料的研究始于 1924 年 Schmit 关于铝/ 氧化铝粉末烧结的研究工作。在 30 年代，又出现了沉淀强化理论，并在以后的几十年中得到了很快地发展。到了 60 年代，金属基复合材料已经发展成为复合材料的一个新的分支。到了 80 年代，日本丰田公司首次将陶瓷纤维增强铝基复合材料用于制造柴油发动机活塞，从此金属基复合材料的研制与开发工作得到了飞快地发展。土耳其的 S.Eroglu 等用离子喷涂技术制得 NiCr-Al/MgO-ZrO2 功能梯度涂层。目前,金属基复合材料已经引起有
3、关部门的高度重视，特别是航空航天部门推进系统使用的材料，其性能已经接近了极限。因此，研制工作温度更高、比钢度、比强度大幅度增加的金属基复合材料，已经成为发展高性能材料的一个重要方向。1990 年美国在航天推进系统中形成了 3250 万美元的高级复合材料，主要为 MMC 市场，年平均增长率为 16%，远远高于高性能合金的年增长率4。到 2000 年，金属基复合材料的市场价值达到 1.5 亿美元。国防/航空用金属基复合材料已占市场份额的 80%。预计到 2005 年市场对金属基复合材料的需求量将达 161t，平均年增长率为 4.4%。1 金属基复合材料定义金属基复合材料定义金属基复合材料定义金属基
4、复合材料定义 金属基复合材料是以金属或合金为基体与各种增强材料复合而制得的复合材料。增强材料可为纤维状、颗粒状和晶须状的碳化硅、硼、氧化铝及碳纤维。金属基体除金属铝、镁外，还发展有色金属钛、铜、锌、铅、铍超合金和金属间化合物，及黑色金属作为金属基体。金属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有高强度、高模量外，它能耐高温，同时不燃、不吸潮、导热导电性好、抗辐射。2 金属基复合材料的分类2.1 按组成组分的类型分类：金属基复合材料 MMC，有机材料基复合材料，无机非金属基复合材料 2.2 按分散材料的类型分类： 无机非金属增强材料，金属增强材料，有机纤维增强材料 2.3 按分散材料的形态和排布方式
5、： 颗粒状分散相复合材料，纤维状分散相复合材料。 2.4 按复合效果分类：结构材料 力学型复合材料，功能材料 功能型复合材料 颗粒增强金属基复合材料（PRM ）： 由于 WC、TiC、TaC 等颗粒硬度高，颗粒平均直径 1mm 以上，容积比高，主要是利用颗粒本身的硬度和强度，基体是起把颗粒结合在一起的作用，故称为颗粒增强金属基复合材料（PRMPRM） 。 分散强化（DS）金属基复合材料： 其强化相的平均直径小于 0.10.1m， ，体积比仅占百分之几，由于强化相阻止基体位错运动而强化基体 纤维增强金属基复合材料（FRM ）：连续纤维增强金属基复合材料：利用高强度高模量低密度的碳（石墨）纤维，硼
6、纤维，碳化硅纤维，氧化铝纤维，金属合金丝等增强金属基体组成高性能的复合材料。通过基体、纤维类型。纤维的排布方向。含量方式的优化设计组合，可获得各种高性能。纤维是复合材料的主要承载体，增强金属强度的效果明显。基体起固定纤维，传递载荷和部分承载的作用。因纤维具有方向性，复合材料的性能具有各向异性，纤维轴向性能高于横向性能。制造过程中要考虑纤维的排布、含量、均匀分布等，制造难度大，成本高。 非连续纤维增强金属基复合材料：短纤维，晶须，颗粒为增强物。随即分布，各向性能相同。非连续增强物的加入提高了热力学性能，弹性模量，降低热膨胀系数。可以用常规的粉末冶金、液态金属搅拌、液态金属挤压铸造、真空压力浸渍等
7、方法制造，并可用铸造、挤压。锻造、轧制、旋压等加工方法进行加工成型，制造方法简便，成本低廉。3 影响金属基复合材料的因素 3.1 基体的影响 不同的基体对复合材料的抗拉强度、屈服强度、结合强度有较大的影响。但并不是基体强度越高，复合材料的强度越高，而是存在一个最佳匹配。姜龙涛等、对 AlN 颗粒在不同铝合金中的增强行为的研究表明，在低强度的 L3 纯铝上可以得到最大的增强率，而在高强度的 LY12 合金上没有得到高的增强率，相比之下具有良好塑性和较高强度的 LD2 合金作为基体时，具有较高的强度。而康国政等认为基体本身的强度较低时，复合材料中基体的强度将有较大幅度的提高，因此对基体本身强度较低
8、的复合材料通过基体原位性能的大幅度提高使复合材料抗拉强度的提高十分明显。这些研究都说明基体同增强体之间存在着优化选择、合理匹配的问题。基体的合金化也对复合材料的强度有重要影响。Tsudo 等探讨过铝合金成分对 Al2O3 颗粒增强铝基复合材料力学性能的影响。他们的研究表明 Cu 和 Ni加到铝合金中，高温时抗弯强度增加，增加 Al 的体积分数也能增加抗弯强度 另外稀土元素的加入也能提高复合材料的强度，如稀土 Ce 的加入对基体起着强化作用。但是稀土元素对复合材料具体的强化原因目前尚未有一致的结论。 3.2 增强体的影响 增强体的加入可以通过对基体金属的显微组织，如亚结构、位错组态、晶粒尺寸及材
9、料密度等的改变，改善和弥补基体金属性能上的不足。增强体的性质对复合材料的强度起着至关重要的作用。加入增强体后，材料的抗拉强度和屈服强度都有所提高。增强体的主要贡献是通过基体合金的微观组织变化实现的，另外它是载荷的主要承受者，其次它对位错的产生，亚晶结构细化也起着重要的影响。例如 SiCpAl 复合材料由于增强颗粒的加入，晶界面积增加，固溶处理时，基体内由于热错配产生的位错，异号位错相互抵消，同号位错则经攀移排列成垂直于滑移晶面的小角度晶界形成亚晶界，这样亚晶界面积也随之相应增加。由 Hall-Petch 关系式可知，晶界、亚晶界的增加，基体合金晶粒、亚晶结构和共晶 Si 颗粒细化，可在一定程度
10、上提高复合材料的强度。 3.3 基体和增强体相容性的影响 基体合金与颗粒增强体之间的界面相容性也是一个必须重视的问题。尤其当采用铝合金为基体时，界面上常出现氧化物元素富集等现象，有时界面上基体与增强体发生化学反应生成新相，如 Al4C3、MgO 或 MgAl2O4。因此对于不同的颗粒增强体，为避免界面反应物产生的危害，在保证复合材料性能的前提下基体合金的成分应有所调整。由于铝合金中的不同溶质元素所引起的时效析出行为具 有一定的差异，颗粒增强铝基复合材料对基体的显微组织十分敏感。从这一角度出发，为充分发挥复合材料的性能优越性，也必须选择合适的基体合金。此外，颗粒增强体的加入，导致了基体合金的微观
11、组织发生显著的变化。主要体现为，由于基体和增强体热膨胀系数（CET）的差别引起的错配应力在基体中诱发了高密度位错、晶粒尺寸变化、残余应力（热错配应力） 、时效析出组织等。这些微观组织的改变都会不同程度地对复合材料的性能产生重要的影响。 3.4 工艺的影响 不同的制备方法使得复合材料的性能有很大的差异。热处理工艺，例如淬火就能对复合材料起到一定的强化作用。时效对复合材料也有明显的强化作用。二次加工对复合材料的强度也有很大的影响。 原位生成法制备的复合材料，由于原位增强相不仅尺寸非常细小（一般1um） ，而且与基体有着良好的界面相容性，从而使得这种复合材料较传统的外加增强相复合材料具有较高的强度。
12、高能球磨法使增强体颗粒弥散均匀分布于基体中，而常规混合法制备的复合材料中存在增强体颗粒的偏聚现象。颗粒越均匀越有利于提高复合材料的强度。 3.5 界面的影响 界面是复合材料中普遍存在且非常重要的组成部分，是影响复合材料行为的关键因素之一。金属基复合材料宏观性能的好坏很大程度上取决于基体和增强体之间的界面结合状况。而温度时间引起的界面反应是金属基复合材料中大多数承载体不能发挥最佳性能的主要原因之一。为了获得更高的强度，应该形成稳定的界面结合。界面结构与性能是基体和增强体性能能否充分发挥，形成最佳综合性能的关键。金属基复合材料的界面结构非常复杂，有 3 种结合类型 5 种结合方式，而且界面区尺寸为
13、纳米级，难以分析表征，很多问题在理论上难以解释。为了兼顾有效传递载荷和阻止裂纹扩展两个方面，必须要有最佳的界面结合状态和强度。目前有很多界面优化的方法，具体手段有：金属基体合金化、增强体表面涂层处理、改变粘结剂及制备工艺和参数的控制等。4 金属基复合材料的制造方法金属基复合材料的种类繁多，制造方法多样，但总体上可以归纳为 4 种生产方法。4.1 扩散法 扩散法是将作为基本的金属粉末与裸露或有包覆层的纤维在一起压型和烧结，或在基体金属的薄箔之间置入增强剂进行冷压或热压制成金属基复合材料的方法。4.2 沉积法 沉积法是一种采取电沉积、等离子喷涂或真空沉积等手段，将金属基体包覆在纤维周围然后再用冷压
14、或热压完成全过程的方法。4.3 液相法 液相法主要是将纤维在液态基体中浸渗，然后将基体和纤维在基体熔点以上温度压型并使共晶合金，液态，定向凝固的方法。44 熔体搅拌法 搅拌法又称为漩涡法，是通过搅拌桨的高速旋转使金属熔体产生漩涡，增强体在高速切应力的作用下进入金属熔液，凝固后得到复合材料，是制备颗粒增强复合材料较为常见的方法。该法工艺简单、对设备要求不高，但易于出现增强体分布不均和卷气等问题。 5 金属基复合材料的性能 5.1 常用的增强相陶瓷增强体通常以三种形式使用，即颗粒、晶须和纤维。由于晶须和纤维制造成本较高。目前研究中多采用颗粒增强。用于研究的陶瓷颗粒增强有:Al2O3 、SiC、B4
15、C、TiB2、AlN、Si3N4 、NbN、SiO2、VC、WC、ZrC 、ZrB、ZrO2 、MgO、MoSi2、Mo2C、石墨等。增强相的选择并不是随意的。选择一个合适的增强相需考虑应用条件、制备工艺和材料成本等因素的要求，其中 Al2O3 和 SiC 由于其优异的物理性能而倍受青睐。目前已工业应用的 Al基复合材料多数使用 TiC、SiC 和 Al2O3 颗粒。5.2 基体材料 金属基复合材料的开发需要从选择工业上可应用的基体合金和增强体开始。近年的研究已表明，最佳的结构合金未必是基体合金的最佳选择。大量的研究表明: 环境效应、界面反应和相的稳定性强烈地影响复合材料的行为。这些因素与各组
16、元的物理性能、化学性质、温度和时间密切相关。研究基体合金目前主要集中在铝合金、钛合金。西安交通大学、华中科技大学等研究铸钢、铸铁复合材料，主要用于做耐磨材料铝基复合材料已研究的较深人和全面。但尚未有厂家生产钛基复合材料仍在深人研究和发展之中。铸钢、铸铁基复合材料处在实验研究阶段。由于增强颗粒的加入，PRMMC 具备了一些不同于基体合金的物理和力学性能，力学性能方面，PRMMC 的弹性模量值随增强颗粒的体积分数的增大而增大，强度也有不同程度的增加。延伸率则随颗粒体积分数的增大而减小。这常常是因为脆性增强颗粒的团聚、弱结合界面及粗大颗粒和杂质元素在界面上的偏聚等原因造成的。材料的拉伸性能 b、0.
17、2 则受增强颗粒的尺寸、分布及体积分数等多种因素的影响。对于 PRMMC 磨损抗力随着增强颗粒体积分数的增加可以显著增加，且颗粒尺寸越大，其耐磨性越好。有分析认为，对材料进行温轧等二次加工，通过塑性变形细化晶粒及增强颗粒或对脆性增强颗粒进行钝化处理可以在改善基体韧性的基础上提高复合材料的断裂韧性。6 不同种类金属基复合材料的研究现状6.1 硼纤维增强铝复合材料 国外硼纤维增强铝复合材料的研究工作始于 60 年代初，是历史最长、最成熟的一种金属基复合材料。曾制造过多种飞行器和发动机零件，并成功的应用于美国航天飞机的骨架(243 根硼/铝管材，总重 150 kg),使其减重 44。虽然近来关于硼纤
18、维增强铝复合材料的研究进展方面报道较少，但是在以后 10-20 年里硼纤维增强铝复合材料仍将是首选的高性能金属基复合材料,航材所在硼纤维立足本所的情况下。自 70 年代初开始了硼纤维增强铝复合材料的研究工作进行过多种工艺的探求和研制，取得了一些成果。北京航空材料研究所是国内较早的进行硼纤维增强铝复合材料研制的单位，并有较强的基础理论和研制经验。6.2 碳化硅纤维增强铝复合材料 碳化硅纤维由于具有抗氧化和耐高温等优点而成为金属基复合材料的增强体。目前连续碳化硅纤维有两种生产方法，化学气象沉积法，CVD，和纺丝法。化学气象沉积碳化硅纤维的直径为 100m 或 140m 的单丝，密度为 3.05 g
19、/ cm（3 碳芯纤维 ）或 3.4 g/ c（m3 钨芯纤维） ，拉伸强度为 35004000 MPa，模量为 400415GPa；纺丝碳化硅纤维由聚碳硅烷纺丝后烧结而成，直径为 12m，一般每束 500 根。纤维含 SiC 62，余下为 SO2(28%)与碳(10 )，拉伸强度为 28003000 MPa，模量为 200GPa，密度为 2.55g/cm3。与 CVD 碳化硅纤维相比，力学性能低。碳化硅纤维增强铝复合材料是目前国际上极其重视的研究方向。用低成本的铸造工艺研究此种材料 是多年来航材所和西德宇航院的科技合作项目之一。 6.3 金属基纳米复合材料 纳米复合材料是指材料中任意一相的某
20、一维的尺寸小于 100m ，甚至可以达到分子水平的复合材料。该材料由于纳米相具有的独特的尺寸效应、局域场效应以及表面效应，表现出不同于一般宏观复合材料的力学、热学、电、磁和光学性能。纳米复合材料还具有原组分不具有的特殊性能或功能，为设计和制备高性能的功能材料提供了新的机遇。所以，纳米复合材料已成为纳米材料工程的重要分支。世界上各发达国家已经把纳米复合材料的研究放在重要地位。我国在 20 世纪末开始发展纳米复合材料并在某些方面取得较大进展。近年来，因金属基的纳米复合材料具备金属和非金属材料特性。所以此材料已经成为纳米复合材料的一个研究热点，其中金属/沸石纳米复合材料和金属 /高聚物纳米复合材料的
21、研究最具有代表性。6.4 三维连续网络结构增强金属基复合材料 传统的复合材料，其增强相一般是晶须、长纤维、短纤维或颗粒。近来一种新型的复合材料网络交叉复合材料引起了人们的注意，其基体与增强相在整个材料中形成各自的三维空间连续网络结构并且互相缠绕在一起。实际上自然界中大量存在着这种材料，比如骨骼、树木等。在这种复合材料中，每一种组成相的特性能够被保留，从而为获得具有多功能的复合材料提供了可能，比如陶瓷相可用来提高耐磨性或断裂强度，而金属相就用来提高导电性或塑性。对于这种新型复合材料的研究现在还处于起步阶段，目前国外主要集中在陶瓷基与聚合物基复合材料方面，其中对于用金属相来增韧的陶瓷基复合材料，在
22、制备工艺和增韧机理模型的研究方面人们已经做了比较多的工作。它们有时被称作 C4 材料(co-continuous ceramic composites) 。与传统的复合材料相比，它们具有更高的机械强度和韧性，显示出网络交叉结构其潜在的优势。然而，在金属基复合材料方面，国内尚处于起步阶段。周伟、胡文彬、张荻等在1999 年提出在金属基复合材料中引入三维连续网络结构增强相，这不仅拓宽了增强相的选择范围，使之不再局限于颗粒、纤维、晶须等，更重要的是提出了一种新的增强结构和方式，将大大拓宽金属基复合材料的研究领域和范围。使我们能够获得一种完全新型结构的金属基复合材料。7 应用与发展趋势7. 1 存在的
23、问题金属基复合材料在民用行业中的应用与研究相对缓慢。要使其推广使用,还必须解决以下几个问题。(1) 金属基复合材料普遍存在制备成本问题。在制备过程中,制备工艺复杂，很难应用于生产。若要使复合材料真正进入到产业化，还需要进行更深一步的研究，简化制造工艺,降低制造成本,增强复合材料的市场竞争力。(2) 复合材料性能的优劣性依赖于增强体与基体的结合及增强体的分布状况,而决定结合及分布状况的主要因素之一是润湿性。由于大多数金属基体与增强体润湿差甚至不润湿，这就给复合材料的制备带来困难。研究表明，添加合金元素及提高液态金属温度会提高增强体与基体的润湿性，但该做法会提高成本或牺牲复合材料的性能,且润湿效果
24、并不十分明显。(3) 在较高温度下制备复合材料，基体与增强体之间不可避免发生程度不同的界面反应及元素偏聚等。界面反应促进润湿对制备复合材料是有利的。产生界面的脆性相,造成增强体损伤和改变基体成分。这类反应轻微,不损伤颗粒、晶须等增强体。一旦反应生成脆性相进而形成脆性层,就会造成增强体严重损伤，同时造成强界面结合，复合材料性能急剧下降,甚至低于基体性能。(4) 在制备金属基复合材料过程中,增强体在基体中偏聚是研究者遇到的难题之一。如何使其分布均匀也同样决定着复合材料的性能。在研究中试图通过离心铸造、加强搅拌、配制中间合金、原位复合等手段解决该问题。因此,如何使增强体分布均匀始终是众多学者研究的对
25、象。7. 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,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
26、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。8 展望 迄今为止，金属基复合材料的开发仍处于初级阶段，研究的精力主要集中在如何制造出高性能的材料上。由于制造技术复杂、可靠性和寿命问题等研究得尚不充分及价格高等原因，应用甚少。但是，复合材料的优越性、诱人的发展前景以及巨大的应用潜力已展现在我们面前。对于铸造工作者来说，应充分利用本专业的优势，积极开展用铸造成形法制造金属基复合材料的研究，以降低成本、拓展制造途径、简化生产工艺、扩大应用领域，为金属基复合材料的发展做出应有的贡献。参
27、 考 文 献 1 张效宁,王华,胡建杭,吴桢芬.金属基复合材料研究进展.云南冶金 2006(10) :53. 2 Taylor E I.The Mechanism of Plastic Deformation of Crytall, I-TheoreticalJ. Proc .Roy .Soc,1934, Al( 45):362 404. 3 Oro E.Eur Kristallplastizitat ,ber den Mechanismusdes GleitvorgangesJ. Z Phys, 1934, (89) :634 659. 4 王军 严彪 徐政.金属基复合材料的发展和未来J.上
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