综述大纲

第1章绪论

纵观人类发展的历史，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。每一种重要材料的发现与利用，都会将人类支配和改造世界的能力引领到一个新的水平，给社会以及人类的生活带来巨大变化。复合材料的产生是金属、陶瓷、高分子等单质材料发展和应用的必然结果，是单质材料研制和使用的综合，同时更是单质材料的技术升华。

根据国际标准化组织（International Organization for Standardization , ISO）所下的定义，复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。在复合材料中，通常是连续相被称为基体，分散相被称为增强体。分散相是以独立的形态分布在连续相中，两相之间存在相界面。分散相可以是增强纤维，也可以是增强颗粒或弥散的基体。从定义可以看出，一般简单混合的材料与复合材料的本质区别主要表现在：一是复合材料不仅保留了原有组分的特点，而且由于各组分之间“取长补短”、“协同作用”，可以获得原有组分材料所没有的优越性能；二是复合材料具有可设计性，如对于结构复合材料而言，除了可以根据在使用中的受力要求对材料的组分进行选材设计，而且还可以通过调整增强体的比例、分布、取向等因素对材料进行复合结构设计。

事物的发展都会有一定的基础，复合材料就是在三大基本材料，即金属材料、无机材料、高分子材料的基础上发展起来的，也将成为材料科学中的第四种基本材料。复合材料的分类有很多种，但均可归结为金属基复合材料、聚合物复合材料、陶瓷基复合材料三大类型。

1.1金属基复合材料

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、晶须和颗粒）为增强体材料，金属（如镁、铝、钛、铁、铜、镍等）为基体材料而制备的。金属基复合材料自问世以来已有四五十年的时间，由于具有较高的比强度、比模量、耐磨损、耐高温以及热膨胀系数小、尺寸稳定等优良的物理和力学性能，成为各国高新技术研究开发的重要领域。目前，金属基复合材料已经在航空航天领域、军事领域及汽车、电子仪表等行业表现出巨大的应用潜力。但是，我们也要看到金属基复合材料存在的弊端，如加工工艺不够完善、成本较高、还未形成大规模批量生产，因此它仍然是研究和发展的热点。

金属基复合材料的性能是由所选用的金属或者是合金基体和增强相的特性、分布、含量等因素所决定的，可以通过优化组合来获得综合性能最好的复合材料。一般来说，金属基复合材料具有以下的性能特点：

1）高比强度、比模量；

2）导热、导电性能好；

3）线性系数小，尺寸稳定性好；

4）高温性能好，使用温度范围广；

5）耐磨性好；

6）疲劳性能和断裂韧性良好；

7）不吸潮，不老化，气密性较好；

8）二次加工性能较好；

金属基复合材料一直处于快速发展中，老工艺不断改善，价格不断降低，新兴的技术与工艺不断涌现，应用的范围也在不断扩展。其最新进展及主要发展趋势主要表现在以下几个方面：

（1）微结构设计的优化及新型复合材料的开发

（2）结构-功能一体化

（3）制备与成型加工一体化

（4）工艺技术的低成本化

（5）生产的规模化与应用的扩大化

从金属基复合材料的应用进程来看，最初的阶段是从连续纤维增强金属基复合材料成为最尖端的航天飞机的构件开始，随后经历了成本壁垒，直到近年来颗粒增强铝基复合材料的异军突起，最终实现了在先进大飞机上用作主承载构件的成功运用，并迅速将其范围扩展到交通运输工具、运动器械等民用领域。因此，以颗粒增强铝基复合材料为代表的低成本金属基复合材料，在未来的高科技的竞争中必然会赢得一席之地。

1.2颗粒增强铝基复合材料

颗粒增强铝基复合材料（PRA）是以纯铝或是铝合金为基体，与颗粒增强相人工合成的复合材料。它不仅解决了纤维增强铝基复合材料中的增强纤维成本昂贵的问题，而且材料各向同性，克服了在制备中出现如纤维损伤、微观组织不均匀、反应带过大等许多缺点。所以，在金属基复合材料中具有很大的发展潜力，其中以TiC、Al2O3颗粒增强铝基复合材料的发展最为迅速，已经在航空航天、电子电气以及汽车制造等许多领域获得广泛应用，成为铝合金、钛合金、钢等的优良替代品，而且还可以提高材料的性能、使用寿命和精度。

1.2.1颗粒增强铝基复合材料的增强机制

颗粒增强体通过两种机制产生增韧效果：①当材料受到破坏应力时，处在裂纹尖端的颗粒发生明显变化，如体积变化、晶型变化、微裂纹的产生与扩展等，这些变化将消耗能量，从而提高材料的韧性；②第二相颗粒将使裂纹的扩展路径发生改变，诸如裂纹偏转、分叉、弯曲、桥接、钉扎等等，也会产生增韧效果。当同时发生这两种机制时，称为混合增韧。

1.2.2颗粒增强铝基复合材料的性能

因为颗粒增强铝基复合材料是在基体中加入了高强度、高模量的陶瓷颗粒, 因此, 陶瓷颗粒增强的铝基复合材料具有高比强度、高比模量。

铝合金基体占有很大的体积分数, 大约为80%-90%, 因此具有良好的导热性。

加入的增强颗粒, 提高了材料的弹性模量和强度, 但同时会使延伸率下降。增强相是通过五种强化机制（固溶强化、位错强化、细晶强化、亚结构强化和应变硬化）对材料的性能产生影响【】。强化机制对材料性能的影响程度往往要根据材料的种类和处在的变形阶段来确定，一般很难进行精确分析。

颗粒增强铝基复合材料的强度归结于协同效应，它反映了组分材料的原位特性, 即每个组分单独存在时的性能不能表示出共同组成的复合材料的性能。复合材料的强度随着增强体的类型、含量，以及基体合金的类型，材料的热处理状态不同而异。一般来说，基体强度越低，强化效果越明显，但是基体强度过低时，不利于发挥增强相的强化作用。除此之外，颗粒增强铝基复合材料的强度和破坏方式具有一定程度的随机性。

颗粒增强铝基复合材料的最大缺点就是延伸率低, 产生的主要原因是复合材料

的断裂方式与基体不同。当材料承受载荷时, 粗大的颗粒( 大于10μm) 就很有

可能成为裂纹源。而对于弱强度结合的界面,容易发生界面脱离,也会导致裂纹的