原位金属基复合材料的合成与制备
钛基体上碳纳米管的原位合成及其复合材料的制备与性能研究
钛基体上碳纳米管的原位合成及其复合材料的制备与性能研究Preparation and Properties Research of Titanium matrix composite reinforced with in-situ synthesized CNTs学科专业：材料学研究生：雷红指导教师：赵乃勤教授天津大学材料科学与工程学院二零一三年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
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（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要钛基复合材料具有低密度、高比强度、良好耐蚀性以及高温性能等优点，成为最具潜力的新一代航空航天用结构材料之一。
碳纳米管（CNTs）具有高比强度、高比模量以及优异的综合性能，被认为是金属基复合材料最理想的增强相。
要使CNTs的优异性能在复合材料中得到充分发挥，关键要实现其在金属基体上的均匀分散，与基体形成良好的界面结合，并避免材料成形过程中CNTs与基体的反应。
因此，探索CNTs/Ti复合材料新的制备方法，对于发展钛基复合材料在航空航天领域的应用具有重要的理论意义和实用价值。
本论文采用化学气相沉积法在钛基体表面原位合成均匀分散的CNTs，研究了催化剂与碳源种类、合成温度、合成时间、碳源气体与载气比例对合成的CNTs 结构、分布以及产率的影响，并探讨了CNTs的生长机理。
一种基于原位合成的石墨烯铜基复合材料的制备方法[发明专利]
![一种基于原位合成的石墨烯铜基复合材料的制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/289b3cee581b6bd97e19ea5c.png)
专利名称：一种基于原位合成的石墨烯铜基复合材料的制备方法
专利类型：发明专利
发明人：李秀辉,燕绍九,洪起虎,陈翔,王楠
申请号：CN201910299341.6
申请日：20190415
公开号：CN110125385A
公开日：
20190816
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种基于原位合成的石墨烯铜基复合材料的制备方法。
本发明先通过溶液浸渍工艺在电解铜粉表面包覆高分子固态碳源，然后通过化学气相沉积工艺在铜粉表面原位生成石墨烯，进一步地，采用机械球磨工艺将石墨烯球磨进铜颗粒内部，获得石墨烯铜复合粉体，最后采用粉末冶金成型及变形加工工艺获得质量良好的石墨烯铜基复合材料。
本发明以高分子为固态碳源在电解铜粉表面原位合成石墨烯，实现了石墨烯在铜粉中的均匀分散，节省了石墨烯原料成本。
本发明工艺简单，有效解决了石墨烯均匀分散及石墨烯与铜界面结合的问题，大量节省了石墨烯原料成本，非常适用于高性能石墨烯铜基复合材料批量化生产制备。
申请人：中国航发北京航空材料研究院
地址：100095 北京市海淀区北京市81号信箱科技发展部
国籍：CN
代理机构：中国航空专利中心
代理人：仉宇
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原位合成纳米金刚石增强铁镍基复合材料的制备与性能
原位合成纳米金刚石增强铁镍基复合材料的制备与性能赵佩佩;张法明;刘腾飞;刘苏丽;于金【摘要】在FeNi30合金粉末的基体上添加碳纳米管(0.25～1.0 wt.％),利用放电等离子烧结工艺在温度1050℃、压力80 MPa的条件下,原住合成了纳米金刚石增强铁镍基复合材料.文章通过XRD、SEM、TEM研究了复合材料的微观组织结构,并测试了复合材料的显微硬度、力学性能和热膨胀系数.结果表明铁镍基复合材料中有20 nm附近的纳米金刚石生成,也存在着没有转化完全的残余碳纳米管;随着碳纳米管含量的增加,复合材料的显微硬度和屈服强度呈现逐渐增加的趋势,但是由于碳纳米管的团聚,在碳纳米管含量达到1.0 wt.％时,显微硬度有所下降.复合材料在温度为25℃～150℃的热膨胀系数也随着碳纳米管含量的增加而降低.碳纳米管含量为0.75 wt.％是FeNi30基复合材料最佳的加入比例,此时复合材料的硬度提高了4％,压缩屈服强度提高了23.4％,热膨胀系数降低了64.8％.【期刊名称】《超硬材料工程》【年(卷),期】2017(029)005【总页数】6页(P6-11)【关键词】纳米金刚石;碳纳米管;放电等离子烧结;力学性能;热膨胀系数【作者】赵佩佩;张法明;刘腾飞;刘苏丽;于金【作者单位】江苏省先进金属材料与高技术研究重点实验室,东南大学材料科学与工程学院,南京211189;江苏省先进金属材料与高技术研究重点实验室,东南大学材料科学与工程学院,南京211189;江苏省先进金属材料与高技术研究重点实验室,东南大学材料科学与工程学院,南京211189;江苏省先进金属材料与高技术研究重点实验室,东南大学材料科学与工程学院,南京211189;江苏省先进金属材料与高技术研究重点实验室,东南大学材料科学与工程学院,南京211189【正文语种】中文【中图分类】TQ164几十年来，金刚石的合成受到了国内外研究者的广大关注。
科研人员利用碳纳米管[1]、石墨烯和石墨等碳材料作为碳源在铁基、镍基和钴基催化剂[2]的作用下合成了不同尺寸的金刚石。
原位(In—stiu)反应合成技术在制备金属基复合材料中的应用
原 位 （ｎ ｓ ｕ 反 应 合 成 技 术 在 制 备 Ｉ ．ｔ ） ｉ 金 属 基 复 合 材 料 中 的 应 用
岳 云龙 公衍 生 沈 强 张联 盟 ｔ
（ 济南大学 ， 济南 ２０２ ；武汉理工大学 ， 汉 ４０７ ） ５０２ 武 ３００
关键 词 原位反应 制备技术 金属基复合材料
ＭＭＣ 原 位 反应 合 成 技 术 的基 本 原 理 是 在一 ｓ
１ 前 言
金 属基 复 合 材料 （ ｔ ｔｘｃｍ ｏｉｓ简 称 Ｍｅ ｌ ｒ ｏ ｐｓｅ， ａｍａｉ ｔ Ｍ ｓ因其 具 有 高 比强 度 、 比模 量 、 磨 及耐 高 ＭＣ ） 高 耐 温等 优 良性 能 。 航 空 航 天 和 汽 车 制 造 等 行 业 中 在 具有 广 阔 的 应 用 前 景… 。 长 期 以来 ， ＭＭＣ 制 １ 对 ｓ 备 工艺 的研 究 直 侧 重 于传 统 的外 加增 强 体与 基
的熔 点 以上 的 温 度 ， 时 反应 剂元 素 在 熔 体 中发 这 生 放热 化 学 反应 ， 成 陶 瓷粒 子 。 目前 ， 生 利用 该 工
过程 ： 一是液态金属 在环境气氛 的作 用下 向陶瓷 预制 件 中的 渗 透 ； 是 液 态 金 属 与周 围 气 体 反 应 二
定条 件 下 ， 过 元 素 之 间 或 元 素 与 化 合 物 之 间 的 通 化学 反 应 ， 在金 属 基 体 内原 位 生 成 一 种 或 几 种 高 硬 度 、 弹性 模 量 的 陶瓷 增 强 相 ， 而 达到 强 化金 高 从 属 基 体 的 目的 。 与 Ｍ ｓ 统 复 合 工 艺 相 比 。 ＭＣ 传 该 工 艺具 有 如下 特 点 【５： １增 强 体 是 从 金 属 基 体 （） ． Ｊ
金属基复合材料的制备方法及发展现状
金属基复合材料的制备方法及发展现状赵鹏鹏;谭建波【摘要】金属基复合材料具有较高的比强度和比刚度,广泛用于军事、航天等领域,其研究和发展受到了各行各业,尤其是重工业产业的密切关注.介绍了金属基复合材料的研究历史和发展现状,根据基体类型和增强相形态对其进行了分类.常见的金属基复合材料制备方法包括粉末冶金法、铸造凝固成型法(搅拌铸造法和挤压铸造法)、喷射成型法和原位复合法,重点介绍了粉末冶金法和铸造凝固成型法.指出了现阶段金属基复合材料发展需解决成本偏高、工艺复杂、分布不均匀、高温下易发生界面反应及偏聚等问题.%Due to their high specific strength and high specific stiffness,metal matrix composites are widely used inmilitary,spaceflight,etc.,and the research and development of which has been widely concentrated,especially in heavy industry.The research history and development status of metal matrix composites are introduced,andthe classification of metal matrix composites is given according to the types of the matrix and the morphology of the reinforcing phase.The common methods for the preparation of metal matrix composites include powder metallurgy,casting solidification molding (stir casting and squeeze casting),spray forming and in situ compounding.The powder metallurgy method and casting solidification forming method are mainly introduced.The problems that need be solved for the development of metal matrix composites including high cost,complicate craft,uneven distribution,and incident surface reaction and segregation under high temperature are pointed out.【期刊名称】《河北工业科技》【年(卷),期】2017(034)003【总页数】8页(P214-221)【关键词】金属基复合材料;基体类型;增强相;粉末冶金法;挤压铸造【作者】赵鹏鹏;谭建波【作者单位】河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018;河北省材料近净成形技术重点实验室,河北石家庄050018;河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018;河北省材料近净成形技术重点实验室,河北石家庄050018【正文语种】中文【中图分类】TG146.4近些年来，由于一些高新技术的兴起，一些传统材料已无法满足多种产业对其比强度、比刚度等性能的要求。
原位合成技术在材料制备中的应用
原位合成技术在材料制备中的应用材料科学是一门研究材料性质和特性以及制备过程和应用的学科。
由于材料的性质和特性与其结构和成分密切相关，因此制备材料的方法对材料的性能起着关键作用。
原位合成技术就是材料制备中一种重要的方法，它能够在制备过程中直接将原材料反应生成目标产物，而不需要先合成中间体或者添加剂。
原位合成技术在材料制备中广泛应用于金属、陶瓷、高分子和复合材料等领域，在提高材料性能、拓展材料应用和促进工业发展方面具有重要作用。
一、原位合成技术的基本原理原位合成技术指的是在材料制备过程中直接将原材料反应形成目标产物的一种制备方法。
其中原位合成的主要途径是化学反应，可以利用液相、气相或者固相的化学反应进行。
具体地说，就是将两种或者更多种原材料在一定条件下混合反应形成目标产物，而不需要对原材料进行物理或化学变化。
这种方法在制备过程中避免了中间体或者添加剂的存在，提高了材料制备的效率，并且获得的材料结构更加纯净、均匀和稳定。
二、 1. 金属材料金属材料是工业中广泛应用的材料之一，其制备过程中原位合成技术被广泛应用。
例如，在制备超导材料方面，FeSe和CuO被广泛应用于高温超导材料的制备中。
另外，利用原位合成技术可以实现钕铁硼磁体的制备，实现了磁性材料的高性能和低成本。
2. 陶瓷材料陶瓷材料是一种非金属材料，由于其具有高温、高压、耐腐蚀、机械强度高等特性，被广泛应用于化工、能源、医疗、传感等领域。
原位合成技术在陶瓷材料的制备过程中也发挥了重要作用。
例如，在高温超导陶瓷材料的制备中，利用原位合成可以保护陶瓷材料避免被氧化，提高了超导材料的稳定性。
3. 高分子材料高分子材料是一种由分子聚合形成的材料，由于其形态和分子结构的不同，可以在材料制备中利用原位合成技术实现其性能的改善。
例如，在聚乳酸材料的制备中，利用原位合成可以获得具有高分子结晶度和熔体流动性的材料，提高了高分子材料的成型性和性能。
4. 复合材料复合材料是一种由两种或多种不同材料组成的材料，因此在制备过程中很难实现理想的物理和化学稳定性。
金属基复合材料(MMC)制备工艺
contents
目录
• 引言 • 金属基复合材料的制备方法 • 金属基复合材料的制备工艺流程 • 金属基复合材料的应用与发展前景
01 引言
金属基复合材料的定义与重要性
金属基复合材料是由两种或两种以上材料组成的新型材料，其中一种材料为金属 ，其他材料为增强体（如陶瓷、玻璃、碳纤维等）。这种材料具有优异的力学性 能、物理性能和化学性能，广泛应用于航空航天、汽车、能源、电子等领域。
电子工业
用于制造电子产品的外壳、散 热器、连接器等，以提高导热 、导电和绝缘性能。
医疗器械
用于制造医疗器械，如牙科植 入物、手术刀等，以提高生物
相容性和耐腐蚀性能。
金属基复合材料的发展趋势与挑战
发展趋势
随着科技的进步，金属基复合材料的 应用领域不断扩大，新型的制备技术 和复合材料不断涌现，如纳米增强复 合材料、自修复复合材料等。
制备工艺中的问题与解决方案
界面反应控制
在制备过程中，金属基体与增强相之间可能发生界面反应， 影响材料性能。通过选择合适的金属基体和增强相、控制 制备工艺参数等措施来控制界面反应。
增强相分散
为了获得均匀的复合材料，需要确保增强相在基体中均匀 分散。采用适当的分散剂和搅拌方式，提高增强相的分散 效果。
挑战
金属基复合材料的制备成本较高，性 能稳定性有待提高，同时环保法规对 材料生产和废弃处理提出了更高的要 求。
金属基复合材料的前景展望
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激光熔覆法
利用激光束将增强体与金属基体 熔化混合，快速冷却固化后形成 复合材料。
03 金属基复合材料的制备工 艺流程
原材料的选择与处理
金属基复合材料ppt课件
（3）、热膨胀系数小、尺寸稳定性好
金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗 粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的 模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热 膨胀系数。加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料 的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过 调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种 应用的要求。
铝基复合材料是在金属基复合材料中应用得最广
的一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑 性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格 低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。
在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各 种铝合金。
铝基复合材料
• 大型运载工具的首选材料。如波音747、757、767 • 常用：B/Al、C/Al、SiC/Al • SiC纤维密度较B高30％，强度较低，但相容性好。 • C纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。 • 基体材料可选变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝。它们
（2）、导热导电性能
虽然有的增强体为绝缘体，但在复合材料中占 很小份额，基体导电及导热性并未被完全阻断， 金属基复合材料仍具有良好的导电与导热性。
为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已 研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金 刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的热导率比纯 铝、铜还高，用它们制成的集成电路底板和封装 件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路的 可靠性。
氧化铝和硅酸铝短纤维增强铝基复合材料的室温 拉伸强度并不比基体合金高，但它们的高温强度明显 优于基体，弹性模量在室温和高温都有较大的提高， 热膨胀系数减小，耐磨性能得到改善。
• 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采 用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维 采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。
原位自生法
金属基复合材料原位自生法班级：材料092姓名: 朱光辉学号：109012042课程：复合材料金属基复合材料原位自生法摘要:在现有的金属基复合材料制备技术中,原位反应合成技术具有显著的技术优势和经济优势,它已成为当今复合材料领域中最活跃的研究方向。
原位反应合成技术主要有:放热弥散法、气液反应合成法、自蔓延燃烧反应法、直接氧化法、无压力浸润法、反应喷射沉积法、接触反应法、机械合金化法等。
文中综合评述了各种原位反应合成工艺方法的原理、特点和应用前景。
利用原位反应合成法制备金属基复合材料,在同等条件下,其力学性能一般都高于强制法制备的复合材料。
并且原位反应合成技术的原料来源广泛、价格较低,工艺又相对简单、制作成本低,适合并能够大规模工业化生产,是一种很有前途的合成技术。
金属基复合材料所具有的高比强度、比模量、良好的导热、导电性、耐磨性、高温性能、低的热膨胀系数、高的尺寸稳定性等优异的综合性能,使金属基复合材料在航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统中均具有广泛的应用前景。
由于金属基复合材料制作工艺复杂、成本昂贵,在一段时间内其发展规模一直落后于树脂基复合材料。
自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,金属基复合材料的研制和开发获得了飞速发展,20世纪80 年代末期出现了一系列新的复合材料制备技术,其中原位反应合成技术因其工艺简单,材料性能优异、产品成本低、可近终形成型等而成为当今复合材料研究领域的前沿课题之一。
该技术的原理是根据材料设计的要求,选择适当的反应剂(气相、液相或粉末固相) ,在适当的温度下,借助于基体金属或合金和它们之间的化学反应,原位生成尺寸十分细小,分布均匀的增强相。
合成的增强相包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、甚至硅化物,如:Al2O3、TiC、SiC、TiN、TiB2、Si3N4 等颗粒。
这些原位生成的增强相粒子与基体间的界面无杂质污染,两者之间有理想的原位匹配,界面结合非常好,增强相粒子热力学稳定。
铝基复合材料制备方法
铸造法可以说是一种传统工艺，因为其制取工艺简单、设备简单、成本低，并可以制造出形状复杂与尺寸相对较大的零件，因而自从有了粉末冶金法，铸造法就受到重视。但是，这种工艺又是一种新工艺，因为在传统的搅拌铸造工艺的基础上，人们发展了挤压铸造、熔体浸渗、半固态搅拌、离心铸造、超声波法、喷射法、电磁场法等多种新工艺，大大丰富了铸造法的内涵，使得这种工艺的研究成为热点14,31。但就人们目前运用较多的半固态搅熔铸造法((Semi-Solid Compocasting)而言，其原理为把金属液温度控制在液相线和固相线之间且不断搅拌，然后把颗粒状增强物按一定比例加人到含有一定组分固相粒子的金属液中，并迅速升温至液相线以上直接进行浇注，就得到所需复合材料。使用这种工艺，增强相与基体的浸润性好，增强相粒子分布均匀，增强物不会结集和偏聚，能得到较为理想的结果15,6j。但是，因为金属液处于半固态，粘度较大，其浆液中的气体和夹杂不易排出。另外，在工业化过程中，要准确控制和保持金属液处于半固态温度也是很困难的。武汉冶金科技大学王蕾等用半固态方法制备了性能指标接近汽车活塞的SiCp/Al复合材料。
三、新的制备工艺
新的制备工艺主要指原位合成工艺((in-situ)，原位合成18.91是在一定条件下，由加人到基体金属熔液中的粉末或其他材料与基体发生化学反应
，在金属基体到强化金属基体的目的。原位合成的第二相颗粒尺寸细小、界面清洁、与基体相容性好，且.弥散分布。此外，原位合成工艺降低了原材料成本，可以实现材料的特殊显微结构设计并获得特殊性能，使得这种制备工艺成为金属基复合材料研究的热点。这种工艺主要包括自蔓延合成法、放射反应法、接触反应法、XD法、VIS法、固一液反应法、液一液反应法、混合盐法等多种方法19-101。目前这种工艺主要用来生产TiC,TiN,AIN,TiB:等增强的复合材料。国内石锋等用Lanxide"'法制备了低空隙率的SiCp/Al复合材料，陈康华等用自蔓延工艺合成了高导热、低膨胀SiCp/AI复合材料。
原位金属基复合材料的合成与制备
原位金属基复合材料的合成与制备摘要：金属基复合材料(MMCs), 由于融合了金属与陶瓷的特性，因此既具有优异的力学性能，又具有导电、导热、耐磨损、不吸湿、不放气、尺寸稳定、不老化等一系列金属特性，是一种优良的结构材料。
常规的MMCs的制造方法有DIMOX TM直接氧化法、PRIMEM TM法、DX TM法和共晶自生法。
关键词:合成，制备，DIMOX TM直接氧化法，PRIMEM TM法，DX TM法，共晶自生法1.前言原位复合材料制备技术的基本思想是依靠合金设计，通过合金内部反应生成增强体。
由于原位生成的增强体表面未受污染，且避免了与基体浸润不良的问题，因而与基体的结合良好。
较之陶瓷颗粒或晶须表面处理后再与基体结合的传统工艺，在相同的增强体百分含量情况下，可得到更高的强度和弹性模量，同时能得到较好的韧性。
根据热力学基本原理，好的合金设计应使生成增强体反应的吉布斯自由能变化为绝对值较大的负值，并使有害相的生成反应吉布斯自由能变化为绝对值较小的负值，且最好为正值。
这就要求首先从理论上解决在反应合金体设计方面有益增强体相能够形成、有害相不能形成的问题。
常规的金属基复合材料的制造方法有粉末冶金法、铸造法和共喷法。
①粉末冶金法是制造颗粒增强金属基复合材料的主要方法之一，粉末冶金法制备过程如图3所示。
其中压实过程包括冷压、除气、热等静压或真空热压等过程，经压实后的毛坯复合材料通常能达到98%的理论密度。
然后再采用二次加工方法优化力学性能。
该法制成的MMCs具有颗粒均匀、成型能力好、力学性能较高的点，但制备成本高。
②铸造法又可分为复合铸造法、压铸法、压力浸渍法和真空压力浸渍法等，其中真空压力浸渍法制造的MMCs力学性能较好，且制备过程也较科学合理。
③共喷法的实验装置示意图见图 4 。
共喷或喷射沉积法是使增强体粉末与液态金属短时间接触即凝固成固体复合材料的方法，这种工艺方法可避免基体和增强体的剧烈反应，且基体的选择范围也比较大。
原位合成及其在材料制备中的应用
原位合成及其在材料制备中的应用在材料科学领域，原位合成是一个重要的概念。
它指的是在材料制备过程中，通过合适的方法和条件，在原有材料基础上发生化学反应，制备出新的材料。
原位合成不仅可以用于提高材料的性能和功能，还可以控制材料的形貌和结构，满足不同领域的需求。
一、原位合成的基本原理原位合成的基本原理是在原有材料基础上发生化学反应，生成新的材料。
这个过程可以通过不同的方法实现，例如化学沉淀法、气相沉积法、物理气相沉积法、溶胶凝胶法等。
这些方法中，化学沉淀法是应用最广泛的一种方法，它通过溶液中的化学反应使产生沉淀，从而合成出新的材料。
原位合成可以控制材料的形貌和结构，实现材料性能的优化。
例如，通过控制原位合成的反应条件和过程，可以制备出具有不同形貌和晶体结构的纳米材料。
这些纳米材料具有表面积大、活性高、催化效率高等优点，可以应用于催化、传感、能源等领域。
二、原位合成在材料制备中的应用1. 纳米材料制备原位合成可以用于制备纳米金属、纳米二氧化钛、纳米氧化铁等纳米材料。
在纳米材料制备过程中，通过调节反应条件和过程，可以控制纳米材料的尺寸、形状和分散度。
例如，采用化学沉淀法制备纳米氧化铁，可以通过调节反应物浓度、溶液温度和pH值等因素，控制纳米氧化铁的形状。
制备出的纳米氧化铁具有具有较小的粒径、高的比表面积、良好的磁响应性能，可以应用于催化、污水处理、磁性材料等领域。
2. 复合材料制备通过原位合成可以将不同形态的材料结合成一种具有新的性能和应用的复合材料。
例如，在陶瓷制备过程中，可以采用原位合成方法将不同材料的粉末结合，得到具有优异性能的陶瓷材料。
与传统制备方法相比，原位合成方法可以控制材料中质量分数、表面积、分布尺寸等因素，获得更高的材料性能。
3. 功能材料制备原位合成可以用于制备具有特殊功能的材料，例如强化剂、导电材料、涂层材料等。
通过原位合成可以控制添加量、分布状态、结构形貌等因素，实现材料性能的优化。
金属基复合材料MMC课件
高性能结构件
金属基复合材料具有高强度、高刚性和轻量化的特点，适用于制 造航空航天领域的高性能结构件。
耐高温性能
金属基复合材料能够承受高温环境，适用于制造飞机和火箭的燃烧 室和喷嘴等部件。
减振降噪性能
金属基复合材料的减振降噪性能较好，可用于制造飞机和火箭的起 落架和机身等部件。
电子封装材料的应用
散热性能
新材料与新技术的研发
1 2 3
高性能增强相的研发 利用新材料如碳纳米管、陶瓷纳米颗粒等，提高 金属基复合材料的力学性能和热稳定性。
金属基复合材料的制备技术 研究新的制备方法，如原位合成、喷射沉积、激 光熔覆等，以实现高效、低成本的生产。
多功能金属基复合材料 开发具有导电、导热、磁性等功能的新型金属基 复合材料，满足不同领域的应用需求。
分类
根据增强体的不同，金属基复合材料可分为连续增强金属基复合材料和非连续 增强金属基复合材料。
金属基复合材料的特性
高比强度和比模量
可设计性强
金属基复合材料具有较高的比强度和 比模量，能够满足轻量化设计的需求。
通过选择不同的增强体和金属基体， 可以定制金属基复合材料的性能，满 足各种应用需求。
良好的热稳定性和耐磨性
车、高尔夫球杆等。
医疗器械
用于制造医疗器械，如 手术刀、牙科工具等， 提高医疗器械的耐用性
和可靠性。
02
金属基复合材料的制备方法
粉末冶金法
粉末冶金法是一种常用的制备金属基复合材料的方法，通过将增强体（如碳纤维、陶瓷颗粒 等）与金属粉末混合，经过压制、烧结和热等静压等工序，制备出具有优异性能的金属基复 合材料。
界面设计与优化
01
02
03
界面类型
金属基复合材料简介
金属基复合材料简介金属基复合材料（Metal Matrix composites,MMCs）主要是指以金属、合金为基体材料，以纤维、晶须、颗粒等高强度材料作为增强体，制备而成的一种复合材料。
MMCs的常用的制备方法有：粉末冶金法、原位生成复合法、喷射成形法、铸造凝固成型法等。
按照不同增强相可以分为连续纤维增强（主要有碳及石墨纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维、不锈钢丝和钨丝）、非连续纤维增强（包括碳化硅、氧化铝、碳化硼等颗粒增强，碳化硅、氧化铝、等晶须增强，氧化铝纤维等短纤维增强）和叠层复合三类复合材料。
引入增强相在一定程度上会改变基体材料的显微结构和组织，如亚结构、位错形态和晶粒尺寸等，从而提高和弥补了基体材料在某些性能上的缺陷，使得MMCs 具备高的比强度和比模量、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小、尺寸稳定性强、良好的导电和导热性等优异的物理和力学性能。
因此，MMCs已经取代了部分传统材料，并逐渐成为国内外材料科学研究的重点领域。
铜是人类发现最早并最实用的金属之一，因其具有优良的延展性，仅次于银的电导率，仅次于金银的热导率，一直以来备受重视。
但是，铜的力学性能(耐磨性、硬度、强度、抗蠕变性等)较差，限制了铜在工业和军事等领域的应用。
在众多MMCs中，铜基复合材料以其优异的导电、导热性能、耐腐蚀性以及良好的加工性而被广泛关注。
从二十世纪六十年代开始，铜基复合材料的相关研究逐渐开展，许多科学家在铜基体中加入了不同的增强体，发现该复合材料既保持了铜的优点，又弥补了铜力学性能上的不足。
时至今日，铜基复合材料的研究已经持续了几十年，形成了以颗粒增强铜基复合材料、纤维增强铜基复合材料、晶须增强铜基复合材料三大类别。
1、颗粒增强铜基复合材料颗粒增强铜基复合材料目的是将性能优异的颗粒均匀分散于铜基体，提高铜基复合材料的综合性能。
颗粒增强相产生的钉扎作用能够极大的阻碍位错的运动从而增强复合材料的强度，使铜基复合材料的力学性能、耐磨以及高温性能大幅提高。
一种原位合成TiC增强铜基复合材料及其制备方法和应用[发明专利]
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专利名称：一种原位合成TiC增强铜基复合材料及其制备方法和应用
专利类型：发明专利
发明人：罗平,董仕节,汤臣,张艳华,蓝彬栩,陈晨,王义金,胡东伟,夏露,肖瑶,李智,覃富城,王冲,杨祺,邓宇鑫,张海一,
晁飞扬,王书文,徐小涵,张佳琪,陈岗,方泽成,邵轩宇,
夏宇欣,左雨菲,丁文祥,易少杰,陈成
申请号：CN201711397490.3
申请日：20171221
公开号：CN108034851A
公开日：
20180515
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种原位合成TiC增强铜基复合材料的制备方法，首先将钛粉和碳粉进行球磨，得到TiC前驱体；在TiC前驱体表面镀镍，得到镍包覆TiC前驱体粉末；然后将镍包覆TiC前驱体粉末和纯铜粉进行湿法球磨，得到混合物；将得到的混合物依次进行干燥、冷压成型、烧结和煅压处理，得到原位合成TiC增强铜基复合材料。
本发明提供的方法有效地改善了TiC增强相与铜基体之间的润湿性，而且本发明避免了杂质相Ti‑Cu、Cu‑C的产生，有效提高了TiC铜基复合材料的硬度和耐磨性能。
本发明还提供了上述制备方法得到的原位合成TiC增强铜基复合材料，及其作为点焊电极材料的应用。
申请人：湖北工业大学
地址：430000 湖北省武汉市洪山区南李路28号
国籍：CN
代理机构：北京高沃律师事务所
代理人：刘奇
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原位金属基复合材料的合成与制备摘要：金属基复合材料(MMCs), 由于融合了金属与陶瓷的特性，因此既具有优异的力学性能，又具有导电、导热、耐磨损、不吸湿、不放气、尺寸稳定、不老化等一系列金属特性，是一种优良的结构材料。
常规的MMCs的制造方法有DIMOX TM直接氧化法、PRIMEM TM法、DX TM法和共晶自生法。
关键词:合成，制备，DIMOX TM直接氧化法，PRIMEM TM法，DX TM法，共晶自生法1.前言原位复合材料制备技术的基本思想是依靠合金设计，通过合金内部反应生成增强体。
由于原位生成的增强体表面未受污染，且避免了与基体浸润不良的问题，因而与基体的结合良好。
较之陶瓷颗粒或晶须表面处理后再与基体结合的传统工艺，在相同的增强体百分含量情况下，可得到更高的强度和弹性模量，同时能得到较好的韧性。
根据热力学基本原理，好的合金设计应使生成增强体反应的吉布斯自由能变化为绝对值较大的负值，并使有害相的生成反应吉布斯自由能变化为绝对值较小的负值，且最好为正值。
这就要求首先从理论上解决在反应合金体设计方面有益增强体相能够形成、有害相不能形成的问题。
常规的金属基复合材料的制造方法有粉末冶金法、铸造法和共喷法。
①粉末冶金法是制造颗粒增强金属基复合材料的主要方法之一，粉末冶金法制备过程如图3所示。
其中压实过程包括冷压、除气、热等静压或真空热压等过程，经压实后的毛坯复合材料通常能达到98%的理论密度。
然后再采用二次加工方法优化力学性能。
该法制成的MMCs具有颗粒均匀、成型能力好、力学性能较高的点，但制备成本高。
②铸造法又可分为复合铸造法、压铸法、压力浸渍法和真空压力浸渍法等，其中真空压力浸渍法制造的MMCs力学性能较好，且制备过程也较科学合理。
③共喷法的实验装置示意图见图 4 。
共喷或喷射沉积法是使增强体粉末与液态金属短时间接触即凝固成固体复合材料的方法，这种工艺方法可避免基体和增强体的剧烈反应，且基体的选择范围也比较大。
但此法设备投资大，过程控制困难。
以上几种MMCs的制造方法都有自己独特的优势。
2．原位复合材料的制备工艺及原理2.1 原位复合材料的制备工艺的分类原位复合材料的制备工艺主要可划分为以下四类：DIMOX TM直接氧化法、PRIMEM TM法、DX TM法、共晶自生法。
另外还有以上几种工艺派生和组合出来的新的制造方法。
DIMOX TM法即直接氧化法。
金属基或陶瓷基复合材料可由DIMOX TM制成。
如致密的Al2O3/Al复合材料就是由氧化性气体在一定工艺条件下使合金液体氧化得到的。
此工艺在一定的合金化条件下相关表面能的变化和总体自由能的变化有利于Al2O3的形成，具熔融Al与Al2O3相又有较好润湿性的特点。
在DIMOX TM 法直接氧化工艺中，温度上升在1173~1600 K，远高于Al的熔点933 K，而且添加元素如Mg、Si的加入可提高反应速率[1]。
这就导致了熔融金属通过显微管道(一个芯子）跟氧化层外面的O2(氧化性气氛)结合，使之继续氧化。
此工艺必须使得金属氧化时不阻塞“管道”。
如果此工艺在所有反应合金被消耗之前停止，生成体则为一个在Al基体中含有体积分数为5%~30% Al2O3的致密的相互连接(三维方向)的复合材料。
PRIMEM TM法即无压力金属浸润工艺。
这一低造价技术基于使用含Mg等合金元素的Al合金在含N气氛中、1023~1173 K 温度下,由金属液浸入广泛各类的可填充相如SiC、TiB2、MgO、ZrN、AlN等[2]。
图2 TiC/Al 复合材料制备工艺过程DX 工艺是将各种各样的增强相元素和组元混合在一起或混合在金属及金属间化合物基体中，当混合物体系加热到足够高的温度时(常在某一金属熔点以上存在一个“自蔓延点”) ，体系中元素开始放热反应而形成次显微颗粒分布于基体中而形成原位金属基复合材料。
图3 SiC 骨架的制备流程共晶自生结构复合材料是用共晶合金进行单向凝固，通过合理控制固/液界面前沿液相一侧的温度梯度、固/液界面的推移速率以及合金成分，使固/液面以平界面形式推进而获得的。
图 4 SiC 骨架的制备流程图2.2 原位金属基复合材料的拉伸性能2.2.1 原位金属基复合材料的弹性模量原位金属基复合材料的弹性模量是由于自生相的生成而比基体有较大的提高，这是原位金属基复合材料的主要优点之一。
表1是一些典型原位颗粒增强金属基复合材料的弹性模量。
从表1可知，原位颗粒增强金属基复合材料的弹性模量随体积分数的增加而增加，且基本符合混合法则，即(1c f f f E Em =-φ)+E φ表1 原位Al 2O 3/Al 颗粒增强复合材料的弹性模量组成弹性模量 参考文献 12%Al 2O 3.Al99.8 ［3］ 23%Al 2O 3/Al121 ［4］ 72%Al 2O 3/Al 231 ［4］2.2.2 原位金属基复合材料的屈服强度和极限拉伸强度在一般情况下，如同颗粒增强金属基复合材料一样，原位颗粒增强金属基复合材料的强度也随V f 的增加而增加，图5表现了TiCAl-Cu 复合材料的屈服强度及拉伸强度与TiC 增强体积分数的关系。
关于原位增强金属基复合材料的强化机制，P.Schoos 认为与颗粒增强金属基复合材料基本相同，虽然其界面结合较好，强化效果较为显著，仍可用位错强化理论来解释其强化机制。
关于颗粒增强金属基复合材料位错强化机理，学者们建立了一些数学模型来解释拉伸变形时第二相颗粒引起的一系列位错强化的贡献。
图5 A屈服强度B最终拉伸强度与TiC增强体体积分数的关系曲线2.2.3 温度对原位金属基复合材料力学性能的影响随着温度的升高，TiC/Ni3Al原位复合材料的强度下降。
S.Sem等人认为这是由于在较高温度基体晶界发生弱化所致。
由于原位生成弥散质点具备以下条件：生成热高；熔点高；相界面能低，界面结合好。
所有原位自生颗粒可推迟再结晶温度以提高材料的使用温度，所以原位自主颗粒弥散强化的复合材料不会因过时效、过回火、晶粒长大成弥散相的粗化而发生灾难性的软化。
所以其强度只是随着温度的升高而逐渐下降，而塑性随着温度升高逐渐上升。
2.3 原位复合材料的断裂韧性及晶须的增强机制颗粒增强金属基复合材料最突出的一个缺点就是其断裂韧性低，作为原位颗粒增强金属基复合材料，由于其通过改变反应过程的工艺参数可改变自生增强体的形貌，所以在需要较高断裂韧性时，可通过控制增强体长大为晶须或短纤维状，显著提高断裂韧性。
人们研究晶须增韧复合材料是从晶须补强陶瓷基复合材料开始的。
Becher等人将20%SiC晶须加入Al2O3中1850℃热压后复合材料的K IC可达8.7MPa*m1/2。
Claussen在Al2O3中加入SiC W时，材料的K IC可从无晶须的4.7 MPa*m1/2增加到8.5 MPa*m1/2[5]。
由此人们发现在基体材料中添加或自生晶须是提高复合材料韧性的一个较好途径。
2.3.1 裂纹偏转增韧机理复合材料中扩展的裂纹与第二相相遇将改变扩展途径，产生弯曲、偏转、倾斜或扭曲，消耗更多的裂纹扩展能而增韧的现象称为裂纹偏转增韧。
Faber和Evans认为裂纹偏转增韧量包括两个部分，由最初裂纹倾斜引起的增韧量和随后裂纹扭曲引起的增韧量，因此确定了由裂纹倾斜和裂纹纹扭引起的增韧量也就确定了裂纹偏转增韧总量。
Faber提出裂纹偏转增韧量G C可通过应变释放能增量<G>与一条没有偏转裂纹的应变释放率G M的比例求出GC =（G M/<G>）G MC2.3.2 桥联增韧机理当与扩展的裂纹相遇的第二相在裂纹面间架桥，在裂纹尖端的后部形成一个桥联区，给裂纹以闭合应力。
经过桥联的裂纹必须使架桥的第二相与基体间的界面解离，并使架桥第二相断裂拔出才能进一步扩展。
这一过程耗散了裂纹扩展能，从而起到增韧作用，这就是桥联增韧机理。
3．小结原位金属基复合材料制造工艺作为一种新的MMCs的制备方法日益受到人们的重视，这种复合材料已经成为新型结构复合材料的研究方向之一，而且正在不断取得进展。
目前，除已有DIMOX TM等四种基本的原位金属基复合材料制备方法之外，还派生和组合或创新出许多其他类似的或全新的制备技术来制取原位金属基复合材料。
当然，某些工艺只处于实验室规模的试验阶段。
在原位金属基复合材料的研究过程中，人们已对制备工艺过程和材料的二次加工、材料显微组织与力学性能、原位金属基复合材料形变的自生颗粒的强化机制及增强体的增韧机制等几方面做了较为具体的研究。
尤其在通过控制工艺参数来控制反应过程以及增强体的体积分数方面取得了一些进展。
参考文献［1］Christtodoulou L.High Temperature/High Performance Composites. Mater Rrs Soc Symp Proc , 1988, 120: 29-34［2］Daniel Muscat , Robin A L Drew . Modeling the infiltration kinetics of molten aluminum into porous titanium carbide . Metall Mater Trans 1994,25A(11):2357-2370［3］Liauo C S , Chang H , Huang J C . Microstructural evolution and mechanical properties of AC8A/ Al O short-fiber conpostites after thermal exposure at 150℃ to350℃. Metall Trans , 1995 , 26A(1) : 143-158［4］Aghajanian M K , Macmillan N H . Prooertoes and micrlstrures lf anxode Al O -A ceramic composite materials . J M ater Sci , 1989 , 24(2) : 658-670［5］Becher P F . Microstructural Pesign of Toughered Ceramics . J AM Ceram Soc , 1991 , 74 : 255-269。