金属基复合材料的研究进展

金属基复合材料的研究进展姓名：@@@学号：@@@@学院：@@@@专业：@@@@目录1金属基复合材料发展史 (1)2金属基复合材料的制造方法 (1)2.1扩散法 (1)2.1.1扩散粘结法 (1)2.1.2无压力金属渗透法 (2)2.1.3预制体压力浸渗法 (2)2.2沉积法 (2)2.2.1反应喷射沉积法(RAD) (2)2.2.2溅射沉积法 (2)2.2.3化学气象沉积法 (2)2.3液相法 (2)2.4熔体搅拌法 (3)3金属基复合材料的应用概况 (3)3.1金属基复合材料的范畴界定 (3)3.2金属基复合材料全球市场概况 (3)3.2.1MMCs在陆上运输领域的应用 (4)3.2.2MMCs在电子/热控领域的应用 (4)3.2.3MMCs在航空航天领域的应用 (5)3.2.4MMCs在其它领域的应用 (5)3.3中国的金属基复合材料研究现状 (7)4金属基复合材料研究的前沿趋势 (7)4.1金属基复合材料结构的优化 (7)4.1.1多元/多尺度MMCs (8)4.1.2微结构韧化MMCs (8)4.1.3层状MMCs (8)4.1.4泡沫MMCs (8)4.1.5双连续/互穿网络MMCs (8)4.2结构-功能一体化 (8)4.2.1高效热管理MMCs (8)4.2.2低膨胀MMCs (9)4.2.3高阻尼MMCs (9)4.3碳纳米管增强金属基纳米复合材料 (9)5总结与展望 (9)参考文献 (10)金属基复合材料的研究进展摘要：在过去的三十年里，金属基复合材料凭借其结构轻量化和优异的耐磨、热学和电学性能，逐渐在陆上运输(汽车和火车)、热管理、民航、工业和体育休闲产业等诸多领域实现商业化的应用，确立了作为新材料和新技术的地位。

本文概述了金属基复合材料的发展历史和制造方法。

并且在综述金属基复合材料的研究与应用现状的基础上，对其研究的前沿趋势进行了展望。

关键词：金属基复合材料；制造方法；性能；应用；前沿展望金属基复合材料（MMCs），是在各金属材料基体内用多种不同复合工艺，加进增强体，以改进特定所需的机械物理性能。

金属基复合材料在比强度、比钢度、导电性、耐磨性、减震性、热膨胀等多种机械物理性能方面比同性材料优异得多。

因此，金属基复合材料在新兴高科技领域，宇航、航空、能源及民用机电工业、汽车、电机、电刷、仪器仪表中日益广泛应用。

1金属基复合材料发展史近代金属基复合材料的研究始于1924年Schmit[1]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[2,3]，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了NiCr-Al/MgO-ZrO2功能梯度涂层。

目前，金属基复合材料已经引起有关部门的高度重视，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3 250万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了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%[5]。

预计到2005年市场对金属基复合材料的需求量将达161 t，平均年增长率为4.4%。

2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。

2.1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[6]。

2.1.1扩散粘结法这种方法常用于粉末冶金工业。

对于颗粒、晶须等增强体可以采用成熟的粉末冶金法，即把增强体与金属粉末混合后冷压或热压烧结，也可以用热等压工艺。

对于连续增强体比较复杂，需先将纤维进行表面涂层以改善它与金属的润湿性并起到阻碍与金属反应的作用，再浸入液态金属中制成复合丝，最后把复合丝排列并夹入金属薄片后热压烧结，对于难熔金属则用等离子喷涂法把金属喷射在纤维已排好的框架上制成复合片，再把这些复合片热压或热等静压成型。

这类方法成本高，工艺及设备复杂，但制品质量好[7]。

2.1.2无压力金属渗透法此方法是将熔化的金属暴露在氧化环境中，并使其通过铝的氧化物粒子层，从而制成复合材料。

最后复合材料的基体是由氧化反应的产物和未氧化反应的铝合金组成。

这种方法可得到所需形状的零件，这种复合材料的性能可以进行调整，以适合特殊需要。

2.1.3预制体压力浸渗法预制体压力浸渗法的第一步是先制出具有一定强度的预制体，然后在外加压力下将熔融金属液渗入预制体内的空隙中制成复合体的方法。

2.2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，然后再用冷压或热压完成全过程的方法[6]。

2.2.1反应喷射沉积法(RAD)此种工艺是在DIMOXTM法和喷射工艺的基础上发展起来的，利用一个特殊的液体喷射分散装置，在氧化性气氛中，将铝液分散成大量细小的液滴，使其表面氧化成Al2O3膜，这些带有Al2O3膜的液滴在沉积过程中，相互碰撞使Al2O3膜破碎分散，同时内部的铝液迅速冷却凝固，从而形成具有弥散分布的Al2O3粒子增强的铝基复合材料。

如果将喷射室抽真空后，再通过等离子气体（如Ar、He、H2等）和反应气体（CH4、N2、O2等），并利用等离子弧发生器使室内气体加热和电离，这样，在这种高能等离子体的轰击碰撞下，反应气体和喷射金属液滴吸收能量而相互反应，生成相应的陶瓷颗粒，再与剩余的金属液滴一起沉积后即得到这种陶瓷颗粒增强的金属基复合材料。

RAD工艺将金属的熔化、陶瓷增强颗粒的反应合成以及快速凝固等工艺结合在一起，既得到基体金属的晶粒细小和增强颗粒的均匀分布，也保证了增强颗粒与基体的牢固结合。

因此，所制得的复合材料可望有较高的性能，有着很好的发展和应用前景[8]。

2.2.2溅射沉积法使熔料雾化，将熔化的金属通过喷咀使其溅射成小液滴，并在基片上收集半固体液滴，通过引入增强剂到金属溅射物中，铸造成金属复合材料锭。

必须严格控制进给条件，以保证粒子的均匀分布[9]。

2.2.3化学气象沉积法化学气象沉积法是目前制备硼纤维的唯一工艺方法，其工艺原理是将炙热的细钨丝通过三氯化硼和氢气的混合气体，使其发生化学反应，生成的硼沉积在钨丝上。

为避免硼纤维与金属基体之间在复合过程中产生有害的化学反应，在纤维表面一般涂有碳化硼或碳化硅保护层[10]。

2.3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[6]。

2.4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[7]。

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。

3金属基复合材料的应用概况3.1金属基复合材料的范畴界定这是一个长期以来存在争议的话题。

从复合材料的定义出发，凡是包含金属相在内的双相和多相材料都可归于金属基复合材料，通常包括定向凝固共晶层片或纤维组织(如Al3Ni-A l，Al-CuA l，Ni-TaC，Ni-W)、双相金属间化合物层片组织(如γ-TiAl)、珠光体钢、高硅铝合金(Al-Si)等[11]。

以上材料习惯上被看作是金属合金，而不是金属基复合材料。

然而最近出现并颇受关注的非晶/初晶复合组织(如Zr基非晶合金) [12]，有望帮助人们冲破传统观念的束缚——通过控制凝固和固态相变在非晶基体中原位(in-situ)形成的晶相可以发挥增韧/增塑的作用，从而为本征脆性的非晶合金开辟了实用化途径。

总之，采用复合的思想发展金属材料具有巨大潜力，值得我们给以足够的重视，而合金与复合材料的争议本身却无关紧要。

本文涉及的仍然是比较狭义的金属基复合材料，其增强体要么是从外部引入到金属基体当中(Ex-situ)，要么是在金属基体内部由一至多种始终独立存在的反应物原位生成(In-situ)。

通常，金属基复合材料都是以包括颗粒、晶须、纤维等形态的陶瓷相作为增强体，但是作为特例，也有一些金属基复合材料是以金属相作为增强体，例如Cu-Mo和Cu-W材料。

3.2金属基复合材料全球市场概况根据美国商业资讯公司(BCC)最新的商业调查结果，2008年全世界的MMCs(金属基复合材料)市场总量达到4400t[12]。

这样的市场蛋糕虽然还小，却是由上百家各具特色的MMCs 公司分享的，它们或者拥有独家技术(如DW A公司的粉末冶金)，或者以某种材料(如Alcan 公司的铝基MMCs)见长，或者专注于特定产品类型(如CPS公司的热封装基板)。

据预测，2013年以前全球MMCs市场将保持5.9%的年增长率[12]。

根据应用领域不同，MMCs市场可细分为陆上运输、电子/热控、航空航天、工业、消费产品等5个部分，如图1所示[12]。

其中，陆上运输(包括汽车和轨道车辆)和高附加值散热组件仍然是MMCs的主导市场，用量占比分别超过60%和30%。

图1 金属基复合材料全球市场及展望（2004~2013年）3.2.1MMCs在陆上运输领域的应用随着能源和环境问题日益严峻，世界各国实行越来越严格的燃油效率标准和尾气排放标准，这迫使各汽车生产商采用轻质的MMCs取代目前的铸铁和钢，实现汽车轻量化的目的。

一般认为，汽车质量每降低10%，燃油经济性就提高5%。

而对于成本极端计较的汽车市场，唯一能接受的只有铝基MMCs。

无论传统的燃油汽车，还是混合动力车，MMCs主要被用于那些需要耐热耐磨的发动机和刹车部件(如图2所示的刹车件)，如活塞、缸套、刹车盘和刹车鼓等；或者被用于那些需要高强高模量运动部件，如驱动轴、连杆等[13]。

目前，在陆上运输领域消耗的MMCs中，驱动轴的用量超过50%，汽车和列车刹车件的用量超过30%。

图2 汽车刹车鼓和刹车碟（a），火车转向架及刹车盘（b）MMCs驱动轴在大型客车和卡车上尽显优势。

与传统的钢或铝合金驱动轴相比，MMCs 驱动轴可承受更高的转速，同时产生较小的振动噪声。

典型的6061/Al2O3/20p的比模量明显高于钢或铝，因此大型客车和卡车可采用较长的单根MMCs驱动轴而无需增大轴径和重量。

事实上，用单根MMCs驱动轴取代传统的二件式钢轴总成及所必需的支撑附件，减重效益高达9 kg。