金属基纳米复合材料

金属基纳米复合材料

摘要：综述了复合材料的重要作用和金属基纳米复合材料作为复合材料材料中的一种，它的力学和磁学性能，分析了金属基纳米复合材料的微观结构，介绍了国内外相关研究现状及应用的最新进展。主要指出了金属基纳米复合材料的制备方法，在此基础上提出了研究中存在的几个重要问题，展望了金属基纳米复合材料的未来发展趋势。

关键字：复合材料;金属基纳米复合材料;微观结构;性能;应用。

1. 引言

现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展，同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求，高温、高压、高强度、低密度、耐磨、柔韧性……。当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。复合材料特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料〔1〕。复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。

复合材料是两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。而金属基纳米复合材料是复合材料中的一种。纳米材料是由纳米量级的纳米粒子组成的固体材料。纳米微粒有基本效应：小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应〔2〕。因此，纳米材料表现出一些特殊性能，如高热膨胀系数、高比热容、低熔点、奇特的磁性、极强的吸波性能等。纳米微粒尺寸很小，纳米粒子的表面原子数与其总原子数之比随粒径尺寸的减小而急剧增大，所以纳米材料有高密度缺陷、高的过剩能、大的比表面积和界面过剩体积。纳米材料也因此具有许多特殊的性能，如高的弹性模量、较强的韧性、高强度、超强的耐磨性、自润滑和超塑性等。金属基纳米复合材料是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相结合的复合材料。金属基纳米复合材料具有力学性能好、剪切强度高、工作温度较高、耐磨损、导电导热好、不吸湿、不吸气、尺寸稳定、不老化等优点，故以其优异的性能应用于自动化、航天、航空等高技术领域。各种复合新工艺，如压铸、半固态复合铸造，喷射沉和直接氧化法、反应生成法等的应用，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快速发展，使成本不断降低，从而使金属基纳米复合材料的应用由自动化、航空、航天工业扩展到汽车工业。

2. 复合材料的历史

6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。近代，水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用。现在，先进复合材料包括有树脂基复合材料、CC复合材料陶瓷和金属基复合材料和纳米复合材料，在各个领域有广泛的应用。现

代高科技的发展更是离不开复合材料，例如，火箭壳体材料对射程的影响，航天领域等。

金属基纳米复合材料于70年代末期发展出来用高强度、高模量的耐热纤维与金属复合，特别是与轻金属复合而成金属基复合材料，克服了树脂基复合材料耐热性差和不导电、导热性低等不足〔3〕。金属基复合材料由于金属基体的良导电和导热性，加上纤维增强体不仅提高了材料的强度和模量，而且降低了密度。此外，这种材料还具有耐疲劳、耐磨耗、高阻尼、不吸潮、不放气和低膨胀系数等特点，广泛用于航空航天领域。

3. 金属基纳米复合材料的分类

金属基纳米复合材料的发展与纳米增强体的发展紧密联系在一起，并随着纳米增强体的作用不同，其品种不断得到丰富。块体金属基纳米复合材料根据用途可将其粗略地分为结构金属基纳米复合材料和功能金属基纳米复合材料两大类。前者主要用在产品或工程的结构部件上，着重在材料的结构强度、刚性，韧性、耐热性能等机械、物理和力学性质以及耐化学腐蚀与耐恶劣环境能力上的赋予；后者侧重在利用材料的特殊电、声、热、磁敏感应答、信息贮存与传输、能量贮存与释放等性能及效应来实现某种功能。根据增强体的来源和种类可分为以下几种。

(1)外加非连续纳米相增强

外加非连续纳米相增强块体金属基纳米复合材料是将制备好的纳米级金属或非金属相均匀地弥散在金属基体中而制成的。例如为了提高金的硬度，改善耐磨性，用钨纳米颗粒强化入金基体，使合金的硬度提高了20．5％。研究主要要控制粉体、块体中纳米颗粒尺寸，及其分布和团聚〔4〕。另外纳米相的含量应在一定范围之内，否则会降低增强效果。

(2)碳纳米管增强

碳纳米管是一种新型的碳纳米纤维材料，其每个碳原子和相邻的3个碳原子相连，形成六角型网络结构，具有极高的纵横比和超强的力学性能，实验测得多壁碳纳米管的弹性模量平均为1.8TPa，弯曲强度为14.2GPa。碳纳米管的抗拉强度为钢的100倍，密度仅为钢的1／6～1／7，且耐强酸强碱，具有较好的热稳定性〔5〕。因此，用碳纳米管增强的金属基纳米复台材料具有极好的力学性能，并具有良好的结构稳定性，在复合材料中占有重要的地位。

(3)原位合成纳米相增强

纳米原位合成作为一种新的突破技术而受到国内外学者的普遍重视。该法合成的纳米复合材料中内生的纳米增强相具有尺寸小、界面清洁、与基体结合良好、呈弥散分布等特点，因而在开发新型金属基纳米

复合材料方面具有巨大的潜力。近年来已经开发出许多纳米原位复合体系及相关纳米复合材料。

4. 金属基纳米复合材料的制备

制备金属基纳米复合材料的方法有机械合金化法、熔融纺丝法、粉末冶金法、机械诱发自蔓延高温合成反应法、真空蒸发惰性气体凝聚及真空原位加压法等.

（1）机械合金化法

将按合金粉末金属元素配比配制的试料放入立滚、行星或转子高能球磨机中进行高能球磨，制得纳米晶的预合金混合粉末，为防止粉末氧化，球磨过程中采用惰性气体保护；球磨制得的纳米晶混合粉经烧结致密化形成金属基纳米复合材料。在球磨过程中，大量的碰撞现象发生在球粉末与磨球之间，被捕获的粉末在碰撞作用下发生严重的塑性变形，使粉末反复的焊合和断裂。经过“微型锻造”作用，元素粉末混合均匀，晶粒尺度达到纳米级，层状结构达到1um下，比表面积大大增加〔6〕。由于增加了反应的接触面积，缩短了扩散距离，元素粉末间能充分进行扩散，扩散速率对反应动力的限制减小，而且晶粒产生高密度缺陷，储备了大量的畸变能，使反应驱动力大大增加。

（2）高能球磨法

20世纪60年代末，美国首先用高能球磨法制备出氧化物弥散强化合金，高能球磨法是利用球磨机的转动或振动，使研磨介质对原料进行强烈的撞击研磨和搅拌，其粉碎为纳米级微粒的方法。采用高能球磨法，适当控制球磨条件可以制备出纯元素合金或纳米复合粉末，如再采用热挤压热等静压等技术加压可制成各种块体纳米材料制品。具有成本低，产量高，工艺简单易行等特点，并能制备出常规方法难以获得的高熔点金属或合金的纳米微粒及纳米复合材料。缺点是能耗大，粒度不够细，粒径分布宽，杂质易混入等，较适合于金属及合金材料。目前，运用高能球磨法已成功地制备出各种金属—金属纳米复合材料，金属—陶瓷纳米复合材料及陶瓷—陶瓷纳米复合材料 。

（3）原位复合技术

原位复合技术作为一种突破性新的复合技术而受到国内外学者的普遍重视。近年来已开发出许多纳米原位复合体系及其相关制备技术，有些已得到实际应用，如利用液-固，固-固之间的化学反应原位生成金属基复合材料的反应机械合金化复合技术，反应热压法和内氧化工艺。原位复合的原理是 :根据材料设计的要求选择适当的反应剂，在适当的温度下借助于基材之间的物理化学反应，原位生成分布均匀的第二相。由于原位复合技术基本上能克服其他工艺，通常出现的一系列问题，如克