金属基复合材料

现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。

传统的单一材料已经很难满足这种需要。

因此，人们将注意力转向复合材料，复合材料是指由两种或两种以上成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。

其以最大限度的发挥各种材料的特长，并赋予单一材料所不具备的优良性能，复合材料的性能还具有可设计性的重要特征。

作为复合材料重要分支的金属基复合材料（MMCs），发展于20世纪50年代末期或60年代初期。

现代材料方面不但要求强度高，还要求其重量要轻，尤其是在航空航天领域。

金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。

1.金属基复合材料的分类
金属基复合材料（Metal matrix Composite，简称MMCs）是以陶瓷（连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒）为增强材料，金属（如铝、镁、钛、镍、铁、桐等）为基体材料而制备的。

金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。

前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等)；后者需显微观察分辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。

根据用途分类：（1）结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。

用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。

（2）功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等
工业。

强调具有电、热、磁等功能特性。

（3）智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。

根据复合材料基体可划分为铝基、镁基、钢基、钛基、高温合金基、金属间化合物基及耐热金属基复合材料等。

按按增强体分类划分为颗粒增强金属基复合材料、层状增强金属基复合材料和纤维增强金属基复合材料。

2.金属基复合材料的性能特点
与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度，而与高分子基复合材料相比，它又具有优良的导电性而耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。

金属基复合材料性能特点有:高比强度、高模量、高韧性、高导热导电性、膨胀系数小、耐磨性好、高温强度高、表面稳定性好等。

金属基复合材料具有强大的综合性能，在外层空间结构以及一些工业领域中有广泛应用前景，因而继树脂基复合材料之后，掀起了对其研究开发的热潮。

目前，金属基复合材料（MMCs）作为材料的一个新兴领域已在航空航天系统，汽车系统及建筑等各个系统中得到广泛应用。

3.金属基复合材料的发展
金属基复合材料的实际研究开始于20世纪20年代关于铝和氧化铝的粉末烧结研究，对于弥散强化机理的研究，是利用小颗粒第二相阻碍位错运动，通过存在于金属基体中的微细氧化物或者沉淀相颗粒而获得强化的。

在20世纪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20世纪60年代，研究集中在用纤维强化的连续纤维增强金属基复合材料，从这时候开始，金属基
复合材料发展成为复合材料的一个新的分支。

于20世纪80年代初，日本丰田汽车首次将陶瓷纤维增强铝基复合材料试用于制造发动机活塞以来，发展了非连续强化的金属基复合材料，该种金属基复合材料的基体和增强体的承载比例都介于弥散强化与纤维强化这两种极端情况之间，从此金属基复合材料的研究和开发获得了飞速的发展。

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MMCs)市场，年平均增长率为16%，远远高于高性能合金的年增长率。

到2000年，金属基复合材料的市场价值达到了1.5亿美元，国防、航空用金属基复合材料己占市场份额的80%。

随在金属基复合材料应用领域的扩大，最近几年市场对金属基复合材料的需求量越来越大。

从这些数据可以看出，金属基复合材料在各个行业的地位越来越重要，显示出了巨大的应用潜力。

4.金属基复合材料的制备工艺
金属基复合材料的制造方法大致分为三种：
1.固态法
固态法是在基体金属处于固态情况下与增强材料混合组成新的复合材料的方法。

其中包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、扎制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法等。

2.液态法
液态法是基体金属处于熔融状态时与增强材料混合组成新的复合材料的方法。

其中包括真空压力浸渍法、挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法、原位反应生成法等。

3.表面复合法
表面复合法包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、热喷涂法、化学镀法、电镀法及复合镀法等。

5.金属基复合材料的研究状况
在航天航空工业及民用工业的推动下,金属基复合材料的制备和成形制造工艺有了很大的进展。

其研究热点主要围绕在轻金属和重金属合金基体材料方面。

5.1金属基复合材料在汽车领域的研究
金属基复合材料用于汽车工业主要是颗粒增强和短纤维增强的铝基、镁基、钛合金等有色合金基复合材料。

由于铝合金、镁合金等是传统的轻质材料,随着汽车轻量化进程的不断推进和科学技术的日益进步,在汽车工业中采用铝合金、镁合金,要求具有良好的耐磨、抗腐蚀、耐热和尺寸稳定性,并且要求质量更轻,强度、刚度更高。

这就为铝基复合材料的发展提供了广阔的应用前景。

活塞是发动机的主要零件之一。

它在高温高压下工作,与活塞环、汽缸壁不断摩擦,工作环境恶劣。

因此选择合适的活塞材料至关重要。

日本丰田公司于1983 年首次成功地用2Al 3O /Al 复合材料制备了发
动机活塞,与原来铸铁发动机活塞相比,重量减轻了5 %～10% ,导热性提高了4 倍左右。

连杆是汽车发动机中继活塞之后第二个成功地应用金属基复合材料的例子。

1984 年,Fogar 等人用氧化铝长纤维增强铝合金制造了第一根连杆。

后来,日本Mazda 公司亦制造出了2Al 3O / Al 合金复合
材料连杆。

这种连杆重量轻,比钢质连杆轻35%；抗拉强度和疲劳强度高,分别为560 MPa和392 MPa ；而且线性膨胀系数小。

可满足连杆工作时性能要求。

钛及钛合金由于具有质轻,比强度、比模量高,耐腐蚀,有较高的韧性等特点,汽车制造厂正在探索用钛合金来延长气门、气门弹簧和连杆等部件的寿命。

用钛制成的部件,质量可减轻60%～70 %。

但是钛的耐磨性、刚性、热稳定性较差限制了其广泛应用,通过颗粒增强得到的钛基复合材料(PMMC) 可以克服钛的上述缺点。

5.2金属基复合材料在航空航天领域的研究
早在20世纪80年代,低体积分数(15 %～20 %) 的结构级碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为非主承载结构件成功地应用于飞机,典型实例为洛克希德·马丁公司生产的机载电子设备支架。

F218“大黄蜂”战斗机上采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为液压制动器缸体,与替代材料铝青铜相比,不仅重量减轻、热膨胀系数降低,而且疲劳极限还提高一倍以上。

更为引人注目的是,在20世纪90年代末,碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大型客机上获得正式应用。

普惠公司从PW4084发动机开始,将以DWA 公司生产的挤压态碳化硅颗粒增强变形铝合金基复合材料(6092/SiC/17.5p-T6) ,作为风扇出口导流叶片,用于所有采用
PW4000 系发动机的波音777上。

与低体积分数的结构级碳化硅颗粒增强铝基复合材料相比,光学/仪表级的中等体积分数(35 %～45 %)碳化硅颗粒增强铝基复合材料
的功能化特性比较突出,不仅具有比铝合金和钛合金高出一倍的比刚度, 还有着与铍材及钢材接近的低热胀系数和优于铍材的尺寸稳定性。

因此,该种复合材料可替代铍材用作惯性器件,并被誉为
“第三代航空航天惯性器件材料”。

除用作惯性器件外,光学/仪表级碳化硅颗粒增强铝基复合材料还可替代铍、微晶玻璃、石英玻璃等用作反射镜镜坯。

电子级高体积分数(60 %～70 %)碳化硅颗粒/铝基复合材料,作为新型轻质电子封装及热控元件在一系列为世人所瞩目的先进航空航
天器上获得了正式应用。

在F222“猛禽”战斗机的遥控自动驾驶仪、发电单元、飞行员头部上方显示器、电子计数测量阵列等关键电子系统上,替代包铜的钼及包铜的殷钢作为印刷电路板板芯,达到减重70 %的显著效果。

此种材料的热导率可高达180W/(m·K) ,从而降低了电子模块的工作温度,减少了冷却的装置。

除印刷电路板板芯外,这种材料被用于F222 战斗机的电子元器件基座及外壳等热控构。

另外,目前采用无压浸渗法制备的碳化硅颗粒/ 铝电子封装复合材料应用在包括: F218“大黄蜂”战斗机、欧洲“台风”战斗机、EA26B“徘
徊者”预警机、AL E250 型诱饵吊舱以及摩托罗拉铱星、火星“探路者”和“卡西尼”深空探测器等著名的航天器上。

5.3重金属基复合材料的研究
美国Alloy Technology International 公司开发了热等静压法制造TiC 复合材料。

例如Cs240是以含20%Cr的不锈钢为基体,掺和
45 %(体积) TiC 的复合材料,可以用于制造标准件、阀座和机械密封
件。

它在油中或惰性气体下淬火,硬度达到HRC68 ,此类材料对食品加工所需要的环境具有良好的横向破断强度,可用作工具及承受很高的
弯曲和拉伸应力的制品,最易切削加工,并具有良好的耐热震性。

在磨损条件下使用与工具钢相比,寿命提高约20 倍。

日本Kurimoto 公司研制了由烧结碳化钨合金粉和高铬铸铁组成
的复合材料,在一层烧结碳化钨合金粉上浇注熔化的高络铸铁形成复
合板。

新开发的这种超级耐腐复合材料,用作运输机的衬板,工作寿命超过670 d ,而原来用的高络铸铁仅为30～50 d。

日本富士电机公司
开发了用以制作水轮机和水泵等部件的耐气蚀、耐砂土腐蚀的复合材料,金属基体是一种双相不锈钢(质量分数: Cr 20 %～30 % , Ni 3 %～10 % , Mo 1 %～5 %) ,硬质颗粒为Cr3C2 、SiC、WC 等,添加量5 %～60 %(质量分数) ,比原来用的Cr13 铸钢件的耐气蚀性提高10 倍。

西德蒂森特钢公司用粉末冶金法生产了Ferro-Titantit 复合材料。

该材料含45 %(体积分数) TiC ,TiC 均匀分布并镶嵌在高合金钢中。

用它制成的模具比用莱氏体铬钢的寿命提高5～10倍,可用普通方法进行车、铣、钻削加工,最后淬硬到HRC70 而不发生变形。

E. Pagounis ,U. K. Lindroos 采用热等静压法制备了体积分数高达
30 %的陶瓷颗粒增强钢基复合材料。

其研究结果表明在所有增强体中, TiC和钢的结合最好,加人陶瓷颗粒后,钢的耐磨性显著提高,而抗拉
强度、延展性和冲击韧性反而下降,这和轻金属有很大区别。

A. IBRAHIM 等人也对颗粒增强复合材料进行了研究。

结果表明:制备颗粒增强金属基复合材料时,润湿性是一个大难题,可通过以下
途径来改变增强体与基体的润湿性: ①提高增强体的表面能；②降低固液界面能; ③降低液态金属的表面张力。

D. NATH 和P. K. ROHATGL 采用离心铸造法制备了颗粒增强复合材料。

结果表明:离心铸造时易造成颗粒偏聚区,偏聚区宽度随浇注温度提高和颗粒尺寸的增大而减小。

东北大学刘进平等采用离心预成型套法制成了SiC 颗粒/ 铸铁复合材料。

这种方法是依靠离心力把增强颗粒分布于铸件外表面,获得一定复合层厚度的复合材料,最大复合层厚度可达6～8mm。

刘政等研究了纤维增强金属基复合材料的界面。

结果表明界面在材料磨损中具有重要的保护作用。

复合材料可通过界面消耗裂纹扩散能量,阻止裂纹扩散,减轻材料的破坏程度。

这种机制为基体合金所不及,且在较大载荷下,复合材料的耐磨性更佳。

哈尔滨工业大学李道明等研究了金属基复合材料的拉伸断裂过程, 详细论述了微观裂纹的萌生及扩展,探讨了断裂机制, 并对拉伸断裂行为与纤维强度分布进行了微机模拟。

结果表明, 随着纤维强度分布的变动系数CV增加, MMC断裂形式由非积累型向积累型过渡, 纤维的平均承载能力随之下降。

徐大庆研究了金属基复合材料的抗冲蚀性。

研究表明复合材料的组织从表层至心部可分为复合层、过渡层、和基体三部分。

复合材料的抗冲蚀性能优于渗碳A3 钢, WC 粒度对抗冲蚀性能影响不大, 铁基复合材料的基体应选择有较高硬度和强度的材料。

权高峰等研究了增强体种类及含量对金属基复合材料性能的影响。

研究结果表明, 粉末冶金法制备非连续增强金属基复合材料可获得较高的强度和弹性模量, 复合
材料的断裂应变随增强体含量增加而减小。

6.存在的问题及发展方向
6.1存在的问题
金属基复合材料在民用行业中的应用与研究相对缓慢。

如果要使其推广使用,还必须解决以下几个问题。

（1）制备成本与制备技术问题
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）增强体/金属的润湿性
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便是润湿性。

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,但该做法又会提高成本或牺牲复合材料的性能,且润湿效果并不十分明显。

（3）增强体与基体的界面
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）增强体在基体中的分布
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象。

6.2金属基复合材料的发展方向
1.加强对制备工艺的研究简化制备工艺,降低制备成本,是
研究热点之一。

2.加强对强化机制的研究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.加强对增强相润湿性的研究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
4.提高基体性能,进而提高复合材料的性能性能优越的复
合材料要求有性能优越的基体 ,因此应加强对基体和增强体性
能同步提高的研究。