金属基复合材料的应用及前景

附录：题目：金属基复合材料的应用级展望院（系）轻纺工程系专业高分子材料加工技术届别2012届学号0919080102姓名汪振峰指导老师袁淑芳老师黎明职业大学2011年12月金属基复合材料的应用及展望汪振峰（黎明大学，福建泉州，362000）摘要:金属基复合材料是近几年来复合材料研究中的热点。

本文综述了金属基复合材料的分类、性能特点、制备方法,总结了其主要进展及应用。

关键词:金属基复合材料；特点；应用1、前言随着近代高新技术的发展,对材料不断提出多方面的性能要求，推动着材料向高比强度、高比刚度、高比韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展。

复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题，推进了材料的进展。

复合材料(Composite Materials)是为达到预期的使用特性将不同性质的两种或两种以上材料结合为一体而设计制造的新材料。

金属基复合材料(MMCs即Metal matrix composites)是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料。

其目标是解决航空、航天、电子、汽车、先进武器系统等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要,它在60年代末才有了较快的发展,是复合材料一个新的分支.目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导电性和导热性以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点,成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料。

金属基复合材料集高比模量、高比强度、良好的导热导电性、可控的热膨胀系数以及良好的高温性能于一体,成为当代发展迅速的重要先进材料之一。

2、金属基复合材料的分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。

2.1按基体分类：2.1.1铝基复合材料这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。

这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。

至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性能需要来决定。

2.1.2镍基复合材料这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。

由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。

人们研制镍基复合材料的一个重要目的，即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的工作温度。

但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。

2.1.3钛基复合材料钛比任何其它的结构材料具有更高的比强度。

此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。

因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提高到超音速时，钛比铝合金显示出了更大的优越性。

随着速度的进一步加快，还需要改变飞机的结构设计，采用更细长的机冀和其它冀型，为此需要高刚度的材料，而纤维增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求。

2.1.4镁基复合材料以陶瓷颗粒、纤维或晶须作为增强体，可制成镁基复合材料，集超轻、高比刚度、高比强度于一身，比铝基复合材料更轻，具有更高的比强度和比刚度，将是航空航天方面的优选材料。

2.2按增强体分类2.2.1颗粒增强复合材料这里的颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积超过20％的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。

此外，颗粒增强复合材料的颗粒直径和颗粒间距很大，一般大于1μm。

在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传递载荷和便于加工。

虽然颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比，但是基体性能也很重要。

除此以外，这种材料的性能还对界面性能及颗粒排列的几何形状十分敏感。

2.2.2层状复合材料这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。

层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。

因为增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。

由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。

然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。

2.2.3纤维增强复合材料金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须，它们均属于一维增强体。

因此，由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特征。

当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。

3、金属基复合材料的性能特点金属基复合材料的性能取决于所选金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布等.通过优化组合可以获得既具有金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等优良综合性能的复合材料金属基复合材料有以下性能特点。

3.1高比强度和高比模量在金属基体中加入适量高比强度、高比模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强物,g的碳纤维的最高强度可达到.1cm85/能明显提高复合材料的比强度和比模量.密度只有37000MPa,比铝合金强度高出10倍以上,石墨纤维的最高模量可达91GPa。

加入质量分数为30%～50%高性能纤维作为复合材料的主要承载体,复合材料的比强度、比模量成倍地高于基体合金或金属的比强度和比模量。

3.2导热和导电性能金属基复合材料中金属基体一般占有60%以上的体积分数，因此仍保持金属所具有的良好导热和导电性。

金属基复合材料采用高导热性的增强物可以进一步提高导热性能,使热导率比纯金属基体还高。

良好的导热性可有效地传热散热，减少构件受热后产生的温度梯度。

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和铜基复合材料的导热率比纯铝和钢还高,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，提高集成电路的可靠性。

良好的导电性可以防止飞行器构件产生静电聚集。

热膨胀系数小,,尺寸稳定性好3.3热膨胀系数小金属基复合材料中所用的增强物碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等既具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量。

加入相当含量的增强物不仅可以大幅度地提高材料的强度和模量,也可以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，以满足各种工作情况的要求。

3.4良好的高温性能金属基复合材料具有比金属基体更好的高温性能,特别是连续纤维增强金属。

在复合材料中纤维起着主要承载作用，纤维强度在高温下基本不降，纤维增强金属的高温性能可保持到接近金属熔点。

金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上，可大幅度地提高发动机的性能和效率。

3.5耐磨性好金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很幻的耐磨性。

在基体金属中加入了大量硬度高、耐磨、化学性能稳定的陶瓷增强物，特别是细小的陶瓷颗粒，不仅提高了材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。

高耐磨的SiC/A1复合材料用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件，明显地提高零件的性能和寿命。

3.6良好的疲劳性能和断裂韧性金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等增强物与金属基体的界面结合状态、增强物在金属基体中的分布、金属和增强物本身的特性等,特别是界面状态，最佳的界面结合状态既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性。

3.7不吸潮、不老化、气密性好金属基复合材料性质稳定,组织致密,不存在料化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化。

4、金属基复合材料的制备方法金属基复合材料制备科学的研究与发展是决定其迅速发展和广泛应用的关键问题。

研究开发有效而实用的制备方法一直是金属基复合材料的重要问题之一。

常用的制备方法以下4种：扩散粘结法铸造法、叠层复合法和原位复合法。

4.1扩散粘结法对于颗粒、晶须等增强体可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，也可以用热等静压的工艺；对于连续增强体则较复杂，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，再浸入液态金属制成复合丝，然后再把复合丝排列并夹人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，再把这些片材层叠热压或热等静压成型。

这类方法成本高，工艺及装备复杂，但制品质量好。

4.2铸造法铸造法主要有熔体搅拌铸造法、液相浸渗法和共喷射沉积法等。

用铸造法制备金属基复合材料工艺比较简单，制品质量也较好，所以受到普遍的关注。

4.2.1熔体搅拌铸造法熔体搅拌铸造法是一种简单常用的方法，分液态和半固态搅拌法两种。

液态搅拌法是将固态颗粒逐步混合于处在机械搅拌下的液态金属中；而半固态搅拌法是利用含有一定固相的半固态熔体在高速切应力作用下的流变行为使之粘度降低，颗粒逐步加入后，熔体中的固相可以起到阻止颗粒上浮和下沉的作用,这种方法也称复合铸造法(Compocast2ing)。

这类方法的设备与工艺相对简单，同时可以制成铸锭,用常规二次加工方法制成工件或型材，但是制件中容易形成气孔、夹杂、增强体分布不均匀等现象而影响质量。

4.2.2液相浸渗法液相浸渗法中有挤压法(Squeezecasting)和真空一压力浸渗法（Vacum-pressure infiltration)。

这两种方法均需要把增强体制成预制件(Preform)。

挤压法将预制件放入模具预热后，将金属熔体倾入，同时压下压头，使其在压力下浸渗，熔体凝固后即可脱模。

这种方法工艺简单，但预制件中的气体不易在凝固前排出而造成气孔与疏松，同时预制件也易发生变形和偏移。

因此，在此基础上又发展了真空一压力浸渗法，即将预制件放入位于承压容器的模具内，先抽真空,排出预制件内的气体，再用气压把金属熔体由通道压入模具内，使之浸渗预制件，等其冷凝后取出。

这种方法虽然需要专用设备，但是制件质量好。

4.3叠层复合法这种方法是先将不同金属板用扩散结合方法复合，然后来用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料。

这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。

目前这种材料的应用尚不广泛，过去主要少量应用或试用于航空、航天及其它军用设备上现在正努力向民用方向转移，特别是在汽车工业上有很好的发展前景。

4.4原位自生复合法金属基复合材料的原位复合工艺基本上能克服其它工艺中常出现的一系列问题，如基体与增强体浸润不良、界面反应产生脆性、增强体分布不均匀、对微小的(亚微米和纳米级)增强体极难进行复合等，它作为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视，其中包括直接氧化法、自蔓延法和原位共晶生长法等。