金属基纳米复合材料高分子基纳米复合材料

(c) 可以降低增强体与基体互相湿润的要求， 也降低了增强体与基体粉末的密度差要求，使 纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须等均匀分布在 金属基纳米复合材料中。 (d)采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、 均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷。 (e) 粉末冶金工艺制备的金属基纳米复合材料 可以通过传统的金属加工方法进行二次加工， 得到所需形状的复合材料零件毛坯。 (C)缺点：粉末冶金法工艺过程比较复杂，特 别是金属基体必须制成金属粉末，增加了工艺 的复杂性和成本。
（2）液相法

（A）定义：也可称为熔铸法，包括压铸成型法、 半固态复合铸造法、液态渗透法等。 （B）共同特点：金属基体在制备复合材料时均 处于液态。 （C）地位：是目前制备纳米颗粒、纳米晶片、 纳米晶须增强金属基复合材料的主要方法。 （D）优点：液相法的工艺及设备相对简便易 行；和传统金属材料的成型方法非常相似，制 备成本较低。

4、制备工艺 （1） 固相法 （A）制备工艺：主要 是采用粉末冶金法 (PM)。纳米颗粒、纳 米晶片、纳米晶须、 纳米纤维等增强金属 基复合材料的粉末冶 金工艺流程见图5.29。



（B）粉末冶金法制备金属基纳米复合材料的优 点： (a)热等静压或无压烧结温度低于金属熔点， 因而由高温引起的增强体材料与金属基体界面 反应少，以减小界面反应对复合材料性能的不 利影响。同时可以通过热等静压或无压烧结时 的温度、压力和时间等工艺参数来控制界面反 应。 (b)可以根据所设计的金属基纳米复合材料的 性能要求，使增强体材料与基体金属粉末以任 何比例混合，增强体含量可达50%以上。

（2）界面问题

（A）研究原因：金属基纳米复合材料的制备是 在高温下完成的，而且有的还要在高温下长期 工作，活性的金属基体与纳米增强体之间的界 面会不稳定。 （B）研究内容：界面结合类型、界面结构、界 面反应及其控制和界面优化等。 （C）界面类型：纳米增强相与金属基体间： 标准：纳米增强相与金属基体之间的物理与化 学相容性
结果：在压铸态的拉伸强度：AZ91镁合金为 163MPa，复合材料为439MPa

例3：采用压铸成型法可以制备Al2O3P/Al纳米复合材料。 条件：压铸后的铸坯经挤压成棒材，挤压比为30:1。 Al2O3颗粒平均粒度为l00nm左右，含量为20φ%Al2O3 颗粒在基体中分布均匀。复合材料固溶处理工艺为 530℃×lh，水冷。固溶后立即进行时效。160℃时效曲 线见图5.31。由时效分析可知，Al2O3P/Al纳米复合材 料的GP区析出被滞后，β‘相析出却被促进。

影响复合材料成型的工艺因素：熔融金属的温 度、模具预热温度、使用的最大压力、加压速 度等。 获得无孔隙复合材料的条件：一般压力不低于 50MPa，加压速度一般为1～3cm/s。 铝基复合材料：熔融金属的温度一般为 700 ～ 800℃。模具预热温度一般控制在500～800℃。 优点：设备简单，成本低，材料的质量高且稳 定，易于工业化生产。

金属基纳米复合材料 高分子基纳米复合材料

四、金属基纳米复合材料

1、定义 以金属及合金为基体，与一种或几种金属或非 金属纳米级增强相结合的复合材料。 2、优点 机械性能好、剪切强度高、工作温度较高、 耐磨损、导电导热性好、不吸湿不吸气、尺寸 稳定、不老化等。

3、研究内容

（1）制备工艺 出现多种新工艺 分类：压铸、半固态复合铸造、喷射沉积、金 属直接氧化法、反应生成法等。 效果：这些复合新工艺的不断出现，促进了纳 米颗粒、纳米晶片、纳米晶须增强金属基复合 材料的发展，使成本不断降低，从而由航空航 天工业转向民用，如在汽车工业的应用。
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结果：该复合材料在160℃×8h时效的强化效果最 佳，是由于β‘相弥散析出及高密度位错所致

（F）半固态复合铸造法(CC) 定义：将纳米第二相(主要是纳米颗粒)加 入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使纳 米颗粒在金属基体中均匀分布，并取得良好 的界面结合，然后浇注成型，或将半固态复 合材料注入模具进行压铸成型，是针对搅拌 法的缺点而提出的改进工艺。




(a)不反应不溶解； (b)不反应但相互溶解； (c)相互反应生成界面反应物。 （D）界面结合方式： (a)机械结合； (b)浸润与溶解结合； (c)化学反应结合； (d)混合结合。 （E）界面稳定性的影响因素： (a)物理因素（界面的溶解和析出） (b)化学因素（界面反应）



（F）纳米增强相与金属基体之间具有最佳的界 面结合状态应具备的条件 (a)良好的润湿性； (b)一定的溶解性； (c)适当的界面结合力； (d)适当的界面反应。 （G）采取措施： (a)增强相表面改性(如涂覆)； (b)基体合金化(改性)。 （H）分类：铝基、钛基、镁基和高温合金基。



（E）压铸成型法(SC)



定义：在压力的作用下，将液态或半液态金属 和纳米增强体混合，以一定速度充填压铸模型 腔，在压力下快速凝固成型而制备金属基纳米 复合材料的工艺方法。 工艺流程：图5.30为典型压铸工艺流程图。 压铸工艺共分为四个工序。 混合搅拌： 注入模具： 加压成型：压力约为70～l00MPa 顶出：







例1：以β-SiCw晶须(性能见表5.5)和LD2铝合金为原 料，采用压铸成型法制备出SiCw/Al复合材料。 条件：模具预热温度500℃，液态铝浇注温度为 800℃，SiCw晶须体积分数为11%～15%。 例2：以比重为1.81g/cm3的AZ91铸造镁合金为基体， SiCw晶须为增强体，用压铸成型法制备出SiCw/Mg合 金复合材料。 工艺过程：经800℃预热的SiCw预制体在浇铸前装入模 具中，模具预热温度为300℃，镁合金经800℃熔化后 从模具上口注入模具中，用100MPa的压力使镁合金熔 体压渗入预制体中，制成复合材料。浇铸过程均采用 SF6和CO2的混合气氛保护，AZ91镁合金铸坯也在相 同条件下压铸。