关于金属基复合材料的一些概述

关于金属基复合材料（MMC）的一些概述

一、MMC的种类及其微观组织的一般特征

金属基复合材料（MMC），这一术语包括了很广的成分与结构范围。他们的共同点是有连续的金属基体。按照增强体的形状是连续性纤维，短纤维或者是颗粒状，复合材料的显微组织可分为下图所示的几类。更进一步的分类可基于纤维的直径和取向分布。在仔细考察特定的体系之前，认识与最终产品的微观组织结构有关的问题是有益的。下表简要的总结了复合材料的主要显微组织特征及其对性能的潜在影响。虽然有些组织参数可事先设定，但另外一些参数却难以控制。尽管如此，在设计与制造某特定的工作之前，一个重要的步骤是，事先认定一些简单的纤维组织结构目标及获得这些目标的方法。

按增强材料形态分类，可分为纤维增强金属基复合材料、颗粒和晶须增强金属基复合材料。若按金属基体分类，可分为铝基复合材料，钛基复合材料、镁基复合材料、高温合金复合材料和金属间化合物复合材料。倘若按增强体类型进行分类，则可分为单片、晶须（或者纤维）和颗粒，如下图。

二、金属基体的概述及其制备工艺

金属基体应用最多的为铝及铝合金，钛以及镁。铝的基本特点：熔点660℃，密度2.7g/cm3，其具有面心立方结构．所以其塑性优异，适合各种形式的冷、热加工。导电、导热性能好，约为铜的60％左右，同时化学活性高，在大气中铝表面与氧形成一层薄而又致密的氧化膜以防止铝继续氧化，但是强度低。钛的特点：熔点1678℃，密度4.51g/cm3。其重量轻、比强度高。纯钛的强度可通过冷作硬化和合金化而得到显著的提高．如50％的冷变形可使强度提高60％，适当合金化和热处理，则抗拉强度可达1200—1400MPa，含有氢、碳、氧、铁和镁等杂质元素的工业纯钛抗拉强度可提高到700MPa，并仍能保持良好的塑性和韧性。高温性能优良。合金化后的耐热性显著提高，可以作为高温结构材料使用，如航空发动机的压气机转子叶片等，长期使用最高温度已达540℃。在大气和海水中有优异的耐蚀性．在硫酸、盐酸、硝酸相氢氧化纳等介质中都很稳定。但是导电与导热性差.导热系数只有铜的1／l 7和铝的l／10，比电阻为铜的25倍。镁的特点：密度1.74g/cm3。由于其密度低，比强度、比刚度较高，镁具有密排六方结构，室温和低温塑性较低，但高温塑性好可进行各类形式的热变形加工。减震性能好，能承受较大的冲击振动负荷。

根据各种制备方法的基本特点，金属基复合材料的制备工艺分为四大类，即固态法；液态法；喷涂与喷射沉积法；原位复合法。

1、固态法。在一定温度的压力下，把新鲜清洁表面的相同或不相同的金届，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。关键步骤为纤维的排布，复合材料的叠台和真空封装以及热压。其采用有机粘接剂。将增强纤维的单丝或多丝的条带分别浸溃加热后易挥发的有机粘接剂，按复合材料的设计要求的间距排列在全属基体的薄板或箔上，形成预制件。采用带槽的薄板或箔片，将纤维排布在其中。采用等离子喷涂。即先在金属基体箔片上用排布好一层纤维，然后再喷涂一层与基体金属相同的金属。纤维表面经化学或物理处理，在基体金属熔池中充分地浸渍形成金属基复合丝。为了防止复合材料在热压中的氧化，叠合好的复合材料坯科应真空封装于金属模套中。为了便于复合材料在热压后与金属模套的分离，在金属模套的内壁徐上云母粉类的涂料以利分离，注意不能涂与金属基体发生反应的涂料。在真空或保护气氛下直接放入热压模或平板进行热压合热压工艺参数主要为：热压温度、压力和时间。扩散结合的优缺点：工艺相对复杂，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。能按照复合材料的铺层要求排布。在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。粉末冶金。适用于连续、长纤维增强．也可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。长纤维增强：将纤维和金属粉末按比例混合，密封在容器中，然后进行热等静压。粉末冶金的优点：工艺过程温度低，可以控制界面反应。增强材料(纤维、颗粒或晶须)与基体金属粉末可以任何比例混合，纤维含量最高可达75％，颗粒含量可达50％以上。对浸润性和密度差的要求较小采用热等静压工艺时，其组织细化、细密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使空隙和其它内部缺陷得到明显改善，从而提高复合材料的性能。可以用传统的加工方法进行二次加工。粉末冶金的缺点：工艺过程比较复杂，金属基体必须制成金属粉末，增加了工艺的复杂性和成本。在制备铝基复合材料时，还要防止铝金属粉末引起的爆炸。

2、液态法。压铸成型(Squeeze casting)，是指在压力的作用下，将液态或半液态金属基复合材料或金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料须制体的孔隙中，在压力下快速凝固成型而制备金属基复合材料的工艺方法。普通压铸工艺过程：将包含有增强材料的金属熔体倒入预热模具中后迅速加压，压力约为70—l00MPa，使液态金属基复合材料在压力下凝固。待复合材料完全固化后顶出，即制得所需形状及尺寸的金属基复合材料的坯料或压铸件。增强材料预制体的压铸工艺过程：将熔融金属注入装有增强材料(长、短纤维，颗粒或晶须)的预制件模具中，并在压力下使之渗入预制件的间隙，在高压下迅速凝固成金属基复合材料。压铸法的优点：其组织细化、无气孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。工艺设备简单，成本低，材料的质量高且稳定。易于工业化生产。也可采用半固态复合铸造。将颗粒加入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使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摸具进行压铸成型。熔渗：将增强材料制成多孔预制体，置基体金属熔体的上方或内部，利用毛细力的使熔体作用渗入预制中。也可将预制体和基体金属坯料装入一可通入流动氮气的加热炉中。通过加热，基体金属熔化，自发渗透入网络状增强材料预制体中。

3、喷涂与喷射沉积。喷涂沉积主要应用于纤维增强金属基复合材料的须制层的制备，也可以获得复合层状复合材料的坯料。喷射沉积则主要用于制备颗粒增强金属基复合材料。喷射与喷涂沉积工艺的最大特点是增强材料与基体金属的润湿性要求低；增强材料与熔融金属基体的接触时间短，界面反应量少。喷涂沉积制备纤维增强金属基复合材料时，纤维的分布均匀，获得的薄单层纤维增强预制层可以很容易地通过扩散结合工艺形成复合材料结构形状和板材。喷涂与喷射沉积工艺，可以与各种陶瓷纤维或颗粒复合，即基体金属的选择范围广。喷涂沉积(spray deposition)主要原理是以等离子体或电弧加热金属粉末或金属线、丝，甚至增强材料的粉末，通过喷涂气体喷涂沉积到沉积基板上。

4、原位复合。共晶合金定向凝固：原理为共晶合金定向凝固时，参与共晶反应的两相同时以棒状(纤维状)或层片状规则排列生成。唯一基体法：将金属熔体（铝和钛）加热到较高的温度，向其中通入反应性气体（氧气或氮气），加入促使氧化反应的合金元素Si和Mg，使熔化金属通过显微通道渗透到氧化层外边，并顺序氧化，即铝被氧化，但液铝的渗透通道未被堵塞。反应生成法：利用各种金属粉末、液体与非金属粉末或气体反应生成金属或金属间化合物基体的复合材料。

三、MMC的性能

1、高比强度、比模量。高韧性和高冲击性能。基体中的裂纹顶端的最大应力接近基体的抗拉强度，而低于纤维的断裂应力时，裂纹或在界面扩展钝化，或因基体的塑性剪切变形而钝化，从而改善了复合材料的断裂韧性。对温度变化和热冲击的敏感性低。.表面耐久性好，表面缺陷敏感性低。表面坚实耐久，尤其是颗粒、晶须增强金属基复合材料常可以作为