金属基纳米复合材料制备工艺

金属基纳米复合材料制备工艺

材料研1203 石南起Z1205020金属基纳米复合材料是以金属及合金为基体，以高性能的第二相为增强体，与一种或几种金属或非金属纳米级增强体结合的复合材料，因兼有金属和纳米相而具有独特的结构特征和物理、化学及力学性能，成为一种新兴的纳米复合材料和新型金属功能材料。

1.金属基纳米复合材料的种类和基本性能

（1）相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度；

（2）与聚合物基复合材料相比，它又具有优良的导电性与耐热性；

（3）与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能。

2.金属基纳米复合材料的种类

金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可按基体来进行、也可按增强体来进行。

按增强体类型分为：1.颗粒增强复合材料；2.层状复合材料；3.纤维增强复合材料。

按基体类型分为：1.铝基复合材料；2.镍基复合材料；3.钛基复合材料；4.镁基复合材料。

按用途分为：1.结构复合材料；2.功能复合材料。

3.金属基纳米复合材料性能特征

金属基复合材料的性能取决于所选用金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布等。综合归纳金属基复合材料有以下性能特点。

A．高比强度、比模量

B. 良好的导热、导电性能

C．热膨胀系数小、尺寸稳定性好

D．良好的高温性能和耐磨性

E．良好的断裂韧性和抗疲劳性能

F．不吸潮、不老化、气密性好

4.金属基纳米复合材料制备工艺的分类：

（1）固态法：粉末冶金法、真空热压扩散结合、热等静压、超塑性成型 / 扩散结合、模压。（2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。

（3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。

（4）原位生长法。

制备金属基纳米复合材料的具体方法有机械合金化法、熔融纺丝法、粉末冶金法、机械诱发自蔓延高温合成反应法、真空蒸发惰性气体凝聚及真空原位加压法等。

A.机械合金化法

将按合金粉末金属元素配比配制的试料放入立滚、行星或转子高能球磨机中进行高能球磨，制得纳米晶的预合金混合粉末，为防止粉末氧化，球磨过程中采用惰性气体保护；球磨制得的纳米晶混合粉经烧结致密化形成金属基纳米复合材料。在球磨过程中，大量的碰撞现象发生在球粉末与磨球之间，被捕获的粉末在碰撞作用下发生严重的塑性变形，使粉末反复的焊合和断裂。经过“微型锻造”作用，元素粉末混合均匀，晶粒尺度达到纳米级，层状结构达到1um下，比表面积大大增加。由于增加了反应的接触面积，缩短了扩散距离，元素粉末间能充分进行扩散，扩散速率对反应动力的限制减小，而且晶粒产生高密度缺陷，储备了大量的畸变能，使反应驱动力大大增加。

B.高能球磨法

20世纪60年代末，美国首先用高能球磨法制备出氧化物弥散强化合金，高能球磨法是利

用球磨机的转动或振动，使研磨介质对原料进行强烈的撞击研磨和搅拌，其粉碎为纳米级微粒的方法。采用高能球磨法，适当控制球磨条件可以制备出纯元素合金或纳米复合粉末，如再采用热挤压热等静压等技术加压可制成各种块体纳米材料制品。具有成本低，产量高，工艺简单易行等特点，并能制备出常规方法难以获得的高熔点金属或合金的纳米微粒及纳米复合材料。缺点是能耗大，粒度不够细，粒径分布宽，杂质易混入等，较适合于金属及合金材料。目前，运用高能球磨法已成功地制备出各种金属—金属纳米复合材料，金属—陶瓷纳米复合材料及陶瓷—陶瓷纳米复合材料。

C.原位复合技术

原位复合技术作为一种突破性新的复合技术而受到国内外学者的普遍重视。近年来已开发出许多纳米原位复合体系及其相关制备技术，有些已得到实际应用，如利用液-固，固-固之间的化学反应原位生成金属基复合材料的反应机械合金化复合技术，反应热压法和内氧化工艺。原位复合的原理是:根据材料设计的要求选择适当的反应剂，在适当的温度下借助于基材之间的物理化学反应，原位生成分布均匀的第二相。由于原位复合技术基本上能克服其他工艺，通常出现的一系列问题，如克服基体与第二相或与增强体浸润不良，界面反应产生脆性层，第二相或增强相分布不均匀，特别是微小的第二相或增强相难以进行复合问题等，而因而在开发新型金属基纳米复合材料方面具有巨大的潜力。

D.大塑性变形法

大塑性变形法是近年来逐步发展起来的一种独特的超微粒子纳米金属及其合金材料制备工艺。它是指材料处于较低的温度，在大的外部压力作用下发生严重塑性变形，从而将材料的晶粒尺寸细化到亚微米或纳米量级。SPD法细化晶粒的原因在于这种工艺能大大促进大角度晶界的形成。SPD细化法有两种,分别是大扭转塑性应变法和等槽角压法。

SPD工艺与其他的纳米材料制备技术如惰性气体凝聚法，快速凝固法及高能球磨法等相比较言最突出的优点在于粉末压实的同时晶粒显著细化。为直接从微米量级金属粉末得到块体金属基纳米复合材料提供了可能性。利用SPD工艺可以制备出无残留空洞和杂质且粒度可控性好的块体金属基纳米复合材料。

E.快速凝固工艺

快速凝固对晶粒细化有着显著的效果。利用RS工艺可以获得与传统材料性能迥异的新型材料,这些新材料具有特殊的性能，在航空航天电子电气等高新技术领域可获得广泛的应用，希望能解决材料科学中的某些难题。近年来，国内外学者已开始尝试采用快速凝固技术直接制备各种高性能块体金属基纳米复合材料。

F.溅射法

溅射法是采用高能粒子撞击靶材的表面的原子或分子交换能量或动量，使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成金属基纳米复合材料。与惰性气体凝聚法相比较，由于溅射法中靶材无相变，化物的成分不易发生变化。粒子能量比蒸发沉积高出几十倍，所形成的纳米复合薄膜附着力大，溅射法镀制薄膜理论上可溅射任何物质，是应用较广的物理沉积纳米复合薄膜的方法。

金属基纳米复合材料因其具有优良的力学、热学、电学、磁学和光学性能，以及金属与非金属的综合特殊性能，在航空航天及其他高科技领域有着极其广泛的应用前景。材料中引入纳米相，还可以显著提高材料的耐腐蚀、耐高温、抗氧化性能等。目前,国内外研究重点主要集中在纳米结构材料和纳米涂层的研究开发及其表面改性与功能强化应用方面。例如纳米颗粒增强、纳米氧化物弥散强化、碳纳米管增强、高能超声法制备等。相信随着技术的不断发展和完善，金属基纳米复合材料必将在航空、航天、汽车、通讯、民用工业等领域得到广泛应用。