金属基复合材料综述

金属基复合材料研究综述

摘要：本文着重介绍了复合材料特别是金属基复合材料的分类，制备工艺及其主要的研究方向，应用领域。最后总结金属基复合材料的前景及发展要求。

关键词：金属基复合材料制备工艺前景展望

The present condition and prospects on Metal Matrix Composites

Kang Yongqiang class Ⅱof Materials science and Engineering

Abstract：The Types,Fabricating Techniques,Principal Direction of Research of metal matrix composites are introduced in this paper.Respects and development requirements of metal matrix composite material is also described.

Keywords: Metal-Matrix Composites ,Fabricating Techniques,development trend

材料是社会发展的物质基础和先导, 而新材料则是社会进步的重要里程碑。新材料技术是支撑当今人类文明的现代工业关键技术, 新材料技术一直是世界各国科技发展规划之中一个十分重要的领域,它与信息技术、生物技术、能源技术一起, 被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。复合化是新材料的重要发展方向, 也是新材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一[1]。复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一。

先进复合材料是比原有通用复合材料具有更高性能的复合材料，包括各种高性能增强剂与耐温性好的热固性和热塑性树脂基体所构成的高性能树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料和碳基复合材料，包括使用其力学性能的结构复合材料和使用其他性能的功能复合材料[2]。

我们可以广义地把弥散强化和纤维增强的金属称为复合材料。改进金属的机械强度的可能性是[3]：

1、塑性变形；

2、固溶休；

3、弥散第二相；

4、掺入比基体更强的纤维；

金属基复合材料（MMCs ）是以金属为基体的复合材料，对它的研究起步于20 世纪50 年代末、60 年代初，该材料于70 年代成功地应用于航天飞机上。由于其制造成本占总成本的60 % !70 % ，研究发展高效、省时、低能耗、设备简单、能实现近似无余量成型的工艺方法乃当务之急。尽管MMCs 目前尚未获得大规模应用，但它具有耐温较高、抗磨性好、力学性能一般比基体金属高、热膨胀系数比基体金属小、导热率较高、以及所有性能均可在一定范围内加以设计等特点，并具有一定的二次加工性能，必定存在着充分发挥其性能优势的应用领域。目前除了航空航天及其他一些尖端技术领域，还用于民用工业如汽车齿轮、活塞、连杆及体育用品等，随着工艺技术的提高而不断降低成本，MMCs 将会凭其优异的性能进入能发挥其优势的市场，它将有更加广阔的应用前景［4］。

MMCs 的类型及其应用

按照基体的不同, 金属基复合材料可以分为铝基、铁基、钛基和铜基等复合材料。

MMCs 按增强体的形式可分为连续纤维增强、非连续增强（短纤维或晶须、颗粒增强）和片层叠合和共晶定向凝固型四大类。

1.1基体

为了保证金属基体与增强颗粒能够进行良好的复合，金属基体必须有足够的流动性和成型性。但在一般情况下，金属基体的熔点高，在制备过程中容易发生界面反应、氧化反应, 而这些反应不利于复合材料的制备。金属基复合材料的基体选择最多的是Al、Ti、Mg 合金体系。以铝及其合金为基体的复合材料具有高的比强度和比刚度，是颗粒增强金属基复合材料中开

发最早, 品种和规格最多，应用最广泛的一类复合材料。以钛及其合金为基体的复合材料具有很好的抗氧化性和高温力学性能，在航空航天工业中可以替代镍基耐热合金。镁及其合金具有比铝更低的密度，以镁为基体的复合材料在航空航天和汽车一均业应用中具有很广阔的应用前景。

1.2 连续纤维增强MMCs

连续纤维增强MMCs 由于必须先制成复合丝或复合片等先驱体，工艺复杂而成本高，因此与颗粒增强MMCs 相比，其商品化进程相对缓慢。B／Al 是连续纤维增强MMCs 得到实际应用的最好范例。美国于20 世纪60 年代开始研究，70 年代成功应用于航天飞机轨道器上。用B／Al 管材制造的主骨架、肋条桁架的支柱、骨架稳定支架、制动器支撑架等共89 种243 根150kg ，比最初设想的铝合金方案减轻145kg ，相当于质量降低44 % 。

1.3非连续增强MMCs

非连续增强体MMCS 包括颗粒增强、晶须增强和短纤维增强MMCS 。这种材料虽然其增强效应远不及连续纤维，但它主要是可以弥补某些材料性能的不足，如增加刚度、耐磨性、耐热性、抗蠕变等。使增强相颗粒在金属基体中能够和基体良好结合, 并且保证其在金属基体中均匀分布是制备金属基复合材料首要解决的2 个问题。陶瓷颗粒增强相多选择A12 O3、SiC、Zr O2、Mg O、Si3N4、SiO2和W C等。选择颗粒增强相时, 既要考虑颗粒增强相的应用条件和制备工艺, 又要考虑材料的成本等因素。目前在MMCs 中仍以Si C 和Al 20 3颗粒增强铝为主，其次为短纤维增强和连续纤维增强的MMCs 。颗粒增强型MMCs 以其高耐磨、高强度、低成本等优点受到广泛关注[5]。目前已具备批量生产条件，具有良好的发展及应用前景。

1.4 片层叠合MMCS

片层叠合MMCS 是由纤维树脂预浸料和薄金属板组成的层间复合材料。其中的ARALL（Arami dFi ber A1umi ni um Lami nate ）是一类具有优良性能的新兴材料，于20 世纪80 年代问世，它是由纤维浸渍树脂基体后和薄铝合金板经过复杂的预处理过程后交叠铺层再热压而形成的层间超混杂复合材料。它将纤维复合材料和合金铝的良好性能溶为一体，具有高强度、低密度、抗冲击、耐高温、抗雷击和耐老化等特性，应用前景广阔。目前国外在F -27 、F -50 和C-17 等飞机上进行了机翼下蒙皮、机身圆筒段蒙皮和货舱门等的设计与试飞，并取得成功[4]。它也可以用于其他军工和民用产品上。

1.5 共晶凝固MMCS

铸造复合的复合材料中常会发生因浸渗不良或基体凝固收缩而造成孔隙, 已有报道可以采用两种途径来解决: 一是用定向凝固法在较大的温度梯度下进行凝固, 另一是在凝固的过程中施加较高的压力来提高体系的密度。当然这两种方法都存在不足之处, 前者的设备和工艺均复杂不易用于生产, 后者又会由于压力过高而导致增强体破坏。另外, 对不同凝固条件下使基体金属晶粒尺寸改变的情况也有一些研究工作。由于复合材料中金属基复合材料的晶粒尺寸取决于形核速度及凝固过程中液态的滞留情况, 形核速度受凝固时冷却速度及增强体异相形核的作用, 从而可以改变基体金属的晶粒尺寸, 而液态滞留时间长会使晶粒不断长大[6]。

MMCS 的制备方法

2.1粉末冶金法

首先把基体粉末和增强相粉末混合后进行球磨, 然后在不同的工艺条件下, 于燥并烧结混合粉末。粉末冶金法分粉末混合、压实和烧结3 个步骤。粉末冶金法不存在界面反应, 可以制备出大体积分数的复合材料, 任何合金都可以作为基体材料, 允许使用几乎所有种类的增强相；增强相颗粒分布均匀, 质量稳定。但此法成本高, 一般需要二次成型; 粉末在球磨的过程中形状受到限制；工艺程序复杂, 制备周期长[7]。