金属基复合材料的发展现状及展望复合材料论文.docx

金属基复合材料的发展现状及展望摘要：对金属基复合材料的发展史、种类、制备工艺、性能、用途、前景展望进行了综述,阐述了国内外研究现状,提出了金属基复合材料研究中存在的问题,探讨了金属基复合材料的研究方向。关键词：金属基复合材料;增强相;基体材料;复合材料制备;颗粒增强法;纤维增强法;复合材料分类;复合材料性能1 金属基复合材料的发展金属基复合材料是多功能复合材料的一种。它是一类以金属或合金为基体,以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒状组分为增强相的非均质混合物,其共同点是具有连续的金属基体。金属基复合材料有着悠久的历史,在土耳其发现的公元前7000年的铜锥子,在制造过程中经过反复锤打与拓平,非金属夹杂物被拉长1,从而产生类似纤维增强的效果。近代金属基复合材料的研究始于1924年schmit2关于铝氧化铝粉末烧结的研究工作。在30年代,又出现了沉淀强化理论3,并在以后的几十年中得到了很快的发展。到60年代,金属基复合材料已经发展成为复合材料的一个新的分支。到80年代初,日本丰田公司首次将陶瓷纤维增强铝基复合材料用于制造柴油发动机活塞,从此金属基复合材料的研制与开发工作得到了异乎寻常的发展。土耳其的s.eroglu等人用等离子喷涂技术制得了nicr-al等功能梯度涂层。目前,尽管在制造成本和工艺上存在很大的问题,但金属基复合材料已经引起有关部门的高度重视,特别是航空航天部门推进系统使用的材料,其性能已经达到了极限。因此,研制工作温度更高、比刚度和比强度大幅度增加的金属基复合材料,已经成为发展高性能结构材料的一个重要方向。1990年美国在航天推进系统中形成了3250万美元的高级复合材料市场,年平均增长率达16%,远高于高性能合金的年增长率116%。2 金属基复合材料的分类 金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料;后者需显微观察分辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。金属基复合材料一般分为铝基、镁基、钢基、铁基及铝合金基复合材料等。按增强相形态的不同分为颗粒增强金属复合材料、晶须或短纤维增强金属基复合材料及连续纤维增强金属基复合材料。3 制备工艺 金属基复合材料的制备工艺较复杂,主要是金属熔点较高,需高温下操作;同时不少金属对增强体表面润湿性很差,甚至不润湿,加上金属在高温下很活泼,易与多种增强体发生反应,通常需向熔体中加入能增加润湿性的活性元素或对陶瓷颗粒进行预处理。虽然已经研制出不少复合工艺,但各自存在一些问题。本文根据增强相的不同,分别阐述颗粒增强和纤维增强的制备方法。3.1颗粒增强金属基复合材料的制备方法 根据制备过程中基体的温度可将制备工艺分为液相工艺、固相工艺和液-固两相工艺4。针对不同工艺可以分出不同的制备方法。(1)液态金属/陶瓷颗粒搅拌铸造法 搅拌法制备prmmcs,通过机械搅拌在熔体中产生涡流引入颗粒。还可采用其他方法引入颗粒,如离心铸造法、气流喷射分散法及零动力工艺等。许多研究者多采用此法制备了铝基复合材料;结果显示对sic颗粒进行预处理有利于制备prmmcs5。采用涡流法制备了sicp/2l108复合材料,其颗粒分布均匀。熔体浸渗工艺包括压力浸渗和无压浸渗。利用惰性气体和机械装置作为压力媒体将金属熔体浸渗进多气孔的陶瓷预制块中,可制备体积分数高达50%的复合材料,随后用稀释的方法降低体积分数。这种方法被广泛用于制造toyota发动机活塞。但缺点是预制块的变形、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗大和界面反应等。(2)固相工艺pm法 pm(粉末冶金)法是最早开发制备prmmcs的工艺之一，一般包括混粉、冷压、除气、热压和挤压过程。它的优点是任何金属都可以作为基体材料;可以使用非平衡合金,如快凝合金和快淬粉末制备大体积分数的复合材料;最大限度地提高材料的弹性模量,降低热膨胀系数。缺点是复杂的生产过程,产品的形状受到限制,生产成本高等,很难在生产中获得广泛的应用。在短时间内利用高电能和机械能快速固结金属-陶瓷混合物,短时快速加热可以控制相转变和显微结构粗化,这是通常其他工艺不能达到的高能高速工艺6实质上也是一种pm工艺。(3)流变铸造法 流变铸造法是对处于固-液两相区的熔体施加强烈搅拌形成低粘度的半固态浆液,同时引入颗粒,利用半固态浆液的触变特性分散增强相,但存在搅拌工艺的问题。(4)喷射沉积技术 喷射沉积技术最初是singer开发的,由ospreymetals公司投入生产应用7。它是在雾化器内将陶瓷颗粒与金属熔体相混合,随后被雾化喷射到水冷基底上形成激冷复合颗粒,需进行固结能制成大块复合材料。cuptaletal8采用vcm制备了体积分数为20%的sic/al-li复合材料。该技术优点是基体组织属于快凝范畴;陶瓷颗粒与金属熔滴接触的时间极短,界面化学反应能有效控制;控制工艺气氛可以最大地减少氧化;适合任何基体/陶瓷体系。3.2纤维增强金属基复合材料的制备方法 frm(纤维增强金属)的制造方法有固相扩散结合法、粉末冶金法、铸造法及定向凝固法等几大类9。(1)真空铸造法 用真空铸造法制造frm时,先把连续纤维缠绕在绕线机上,用聚甲丙烯酸等能加热分解的有机高分子化合物粘结剂制成半固化带,再把数片半固化带叠加在一起压制成预成型体。把预成型体放入铸型中,加热到500使有机高分子分解去除。铸型的一端浸入基体金属液中,另一端抽真空,将金属液吸入铸型内浸透纤维,待冷却凝固后从铸型内取出。(2)加压凝固铸造法 该法是将金属液浇注铸型后,加压使金属液在压力下凝固。金属从液态到凝固均处于高压下,故能充分浸渗、补缩并防止产生气孔,得到致密铸件。铸、锻相结合的方法又称挤压铸造、锻铸法。加压凝固铸造法可制造较复杂的异型mmc零件,亦可局部增强。在熔融状态于压力下复合,故结合十分牢固,这种高温下制成的复合坯,二次成型比较方便,可实施各种热处理,达到对材料的多种要求。(3)压铸法 压铸法是把金属液压射到铸模内,在压力下凝固的方法。所面临的实际问题是如何把纤维加到金属液中,还有随静止时间加长,纤维或上浮或沉淀,难于在铸型内均匀分布。(4)半固态复合铸造法 此法是从半固态铸造法发展而来的。可将流变铸造锭重新加热到所要求的固相组分的软化度,送到压铸机中压铸,由于压铸时浇口处的剪切作用,可恢复其流变性而充满铸型,此法称作触变铸造，可使润湿性改善,促进界面结合。(5)定向凝固 frm按其制法可分为两大类。一类是将纤维掺入基体中的人工合成法;另一类是使纤维在基体中生长出来,得到原位型复合材料。该法是把熔融共晶成分或近共晶成分的合金以大的温度梯度及适当的冷却速度按一定方向凝固,第二相金属间化合物就按一定的方向长成晶须状,得到晶须增强金属。(6)离心铸造法 该方法是将增强体颗粒或短纤维预先置人离心机内,靠离心力甩出预成型套,然后浇人液态金属,利用增强相与基体密度不同,而得到复合材料,但是该方法还存在增强体在基体中分布及界面问题。4 性能4.1结构性能强度和刚度是结构应用的两个最重要的特性。轴向性能，石墨环氧复合材料gr的比强度和比刚度远高于其它材料，ti和al的次之。平面增强的gr是准各向同性的，且gr比钛基复合材料廉价，比其它mmcs易得，注定了它是最大单向结构效率的首选材料。典型的结构件必须承受多向载荷，因此单向复合材料的应用受到限制。非连续增强mmcs的比强度和比刚度适中，易于获得，是最具竞争力的结构材料。结构应用一般还有其它的一些需求，比如：承载强度高，抗苛刻环境，抗除气作用，导热性能好，耐磨，尺寸稳定性高，抗冲击、腐蚀性能好，抗燃，可高温应用。在这些方面，mmcs比有机基体的复合材料好得多。 断裂性能对结构应用来说也至关重要闭。mmcs越来越多地应用于那些断裂敏感的场合，并被实践证明完全可以满足使用要求。通常，增强体分布均匀、尺寸合适，有利于提高断裂性能。增强体的体积分数对断裂性能的影响也很明显。尽管当vf25时，只要严格控制颗粒的尺寸、形状和分布，便能获得更好的性能，但是，目前dra应用于断裂敏感场合时，通常会限制vf20。4.2热学管理性能 热学管理是mmcs的一项很重要的应用，应用范围很广，包括计算机处理器的芯片基片，功率半导体设备和远程通信中的微波元件封装。高的热导率是首要的性能，比热导率是运动系统中组件的一个非常重要的性能。cte是热学管理中第二重要的性能。作为电子封装材料，必须介于4*10-6k到7*10-6k之间。以达到与半导体材料和陶瓷基片的cte相匹配，从而避免在这些关键区域的残余应力集中。在热学管理方面表现最好的材料应是cte介于4*10-6k到7*10-6k之间，并且还有高的热导率。 kovar合金因其cte适中而常被使用，但它的高密度和低热导率是很大的缺点。cu/w和cu/mo复合材料或者a12o3和sic都具有更好的性能。尽管al的比热导率比其它的所有金属材料都高，但是由于它的cte太大，仍然没有优势。sic提供了较低的cte并且热导率加没有明显的降低，在vf50时,sic非连续增强的al基复合材料的cte与半导体材料和陶瓷基片匹配的相当好。在热学管理材料中，只有be/beo的性能超过了al/sic,但是由于危害健康和高成本限制了be/beo的应用。在考虑cte和比热导率的同时再考虑到成本和健康因素，al/sic,无疑是最佳的热学管理材料,目前在这个产业中得到了广泛的应用。4.3用于精密装置的性能 像磁盘驱动器、录像头、原子力显微镜的载物台、机械臂、惯性引导系统、人造卫星天线、高速制造设备和推进系统，在运行时承受很大的热梯度和机械应力的同时还要保持严格的尺寸公差。对机械变形的抗力取决于材料的特性，比如刚度和密度，还有组件的几何形状和承受载荷的方式。 单向增强的gr具有最好的抗机械变形能力，平面增强gr稍逊一畴。但是gr的热导率很低，抗热变形的能力很差。陶瓷材料、金刚石和be全具有出色的性能，但是它们较差的断裂性能和be对健康的危害限制了这些材料的应用。加入到金属合金中的陶瓷颗粒只适度降低了热导率，引起了密度的轻微改变，却大大增加了材料的刚度。因此，mmcs比没有增强体的基体合金具有更高的抗热变形和机械变形能力。作为一类材料，dra的抗变形能力超过了其它所有常用的结构金属材料。连续增强的铝基复合材料也可以制得，并且有极高的性能，只是成本很高。4.4耐磨性能 耐磨性能是mmcs的众多性能中很重要的一项。硬质增强颗粒的加入从本质上增强了基体金属的耐磨性能。并且加入的某些增强体，比如石墨、ws2、mos2有自润滑的作用。mmcs在工程上用来提供出色的耐磨性能。mmcs适于作耐磨材料，性价比更高，经济性能更好。5 用途5.1航空、航天及军事工业的应用 金属基复合材料由于自身的一些特殊优点,在航空、航天和军事部门备受青睐,应用十分广泛。例如dwc特种复合材料公司制造的cr/al复合材料就使用在了nasa公司的卫星导波管上,其导电性好,热胀系数小,比原来使用的石墨/环氧树脂导波管要轻30%左右。俄罗斯航空材料研究所将b/al复合材料用于飞机的机体结构上,零件重量减小了25%左右。此外,al基复合材料的低膨胀系数和高弹性模量的特性还有望于制造光学和电子封装壳体零件。5.2汽车工业的应用 一个国家重要的标志性产业之一是汽车工业。金属基复合材料在汽车生产上主要用于制造活塞以及其他汽车零部件。例如本田公司在发动机缸体的缸套采用了frm10,替换了传统的铸铁缸套,它用al2o3与c纤维的混合物作为增强物,在铝合金缸体的内表层形成2mm厚的frm层,其中纤维体含量为体积的12%15%,使用后,缸体的滑动摩擦性,回转响应性等性能以及汽车的操作性能大大提高。日产汽车公司采用了金属基复合材料后,使汽车重量减轻了40%左右。英国ae公司制造的柴油发动机用的金属基复合材料缸套,其机械变形和热变形减小,从而使缸套的冷却效率提高,活塞的磨损减小,油耗降低。 mmcs在汽车上的应用还有用颗粒增强型mm2cs作刹车盘,纤维强化的连杆等。例如新干线列车进一步提速到350kgh后,采用了sick颗粒增强的a1合金刹车盘,不仅减轻了重量,而且提高了耐磨性。5.3技术产业的应用 21世纪将是以信息为主的时代,信息技术领域中的一个趋势,是集成度不断提高的集成电路,而制约集成度提高的关键因素是散热问题,因此需要寻找具有高导热系数的材料作为封装的基材,但是这种材料还需要同时满足与电路硅片及基绝缘陶瓷基板的热胀系数(cte)相匹配的要求,否则会因热失配形成残余应力而损害电路11。目前美国已用真空压力浸渍法进行了碳化硅颗粒增强铝封装器件的小批量生产,国内也开始用无压浸渗法进行该类封装材料的试验。此外,由于铝基mmcs的尺寸稳定性好,比刚度高,所以特别适合于制造各种抛物线反射板及天线等。5.4其他民用工业的应用 其他方面,金属基复合材料还用于制造高尔夫球杆头,自行车链轮以及医疗上的假肢等等。近年来,电力行业也使用了金属基复合材料,如法国的edf公司和美国的3m公司联合研制的一种新型纤维增强铝基复合材料导线,因其导电性好,环境适应性好,耐腐蚀等特点,在电力传输方面应用前景良好。6 前景展望 金属基复合材料的研究始于20世纪60年代初期，至今已取得了很大发展。金属基复合材料发展的伊始是为满足航天航空等高技术部门对特殊性能结构材料的需求，因此只要性能好，而不计成本；其研究工作大都集中于连续纤维增强的金属基复合材料方面。70年代末，碳化硅颗粒增强铝合金的复合材料以粉末冶金的制造方式而成功进行了这类复合材料制造方式的商业化，为复合材料商品化打下了基础；进入80年代，金属基复合材料进入蓬勃发展阶段，其研究重点转到以不连续增强体增强的金属基复合材料，尤其是铝基复合材料，不光性能优良，成本也开始降低；而1983年，日本本田公司推出陶瓷短纤维增强铝基复合材料局部铝活塞，使金属复合材料在工业中应用取得了突破性的进展。此后，世界各国均加强了复合材料的研制、开发和应用，从而大大地推动了金属基复合材料的民用商品化的进程。 进入90年代后期，电子产品发展迅速，要求同时具有高热传导能力和低膨胀特性的电子元件构造装配材料的量迅速增加，于是低膨胀、高强化与高热传导的金属基体合理匹配的金属基复合材料备受重视；同时也需要强度高，耐电弧冲蚀，导电率高的电接触用复合材料；近期金属基复合材料的发展既要求力学性能，又要有特殊的功能特性。 虽然金属基复合材料已有多个品种的开发报导，但目前可达到批量应用的产品多为铝基复合材料。其中复合材料局部增强铝活塞，高硅粒子增强铝合金缸套，长纤维增强铝合金制造汽车发动机连杆是一些典型零件。由增强相马氏体和基体铁素体所组成的双相钢是一种具有特殊共格界面结构的复合材料，这种复合材料具有低的屈服强度，高的加工硬化率和高的抗拉强度，良好的延性和强度匹配和高的成型性而受到汽车工业界的青睐，引起人们广泛的兴趣，并在汽车工业上广泛应用。 毫无疑问，复合材料已经成为当代材料领域中一个重要发展方向，地位越来越重要。在许多领域特别是航空航天领域显示了极其重要的地位。西方国家把先进复合材料列为战略材料，列入为数有限的国家重点研究和发展项目，列入不准许输出的新材料。 综上所述，金属基复合材料要在未来取得进一步的发展，并列人规模生产品种的行列，还有一段艰难的路程，但是由于它性能优势的存在，是有明确发展前景的，这就需要广大材料研究工作者进行深人细致的基础研究，探索新的工艺方法并开拓新的有针对性的应用范围。 在界面研究方面，应致力于发展更有力的分析手段，在对界面结构认识清楚的基础上进行界面优化设计，克服金属基复合材料突出的界面问题，并力求研究结果有助于改善生产应用问题，其他基础性问题如凝固过程的研究等也应围绕生产实际过程，提出有效的措施，这样才真正起到促进金属基复合材料的迅速发展的作用。 就当前的实际情况来看，颗粒和短纤维增强的复合材料是有生命力的，并已在汽车工业等方面初步获得应用。但是其制备科学仁尚留下大量间题有待解决。例如熔体浸润过程中的流变学问题，铸造过程中气体吸附、脱附过程，增强体均匀分布与温度场、应力场、塑性流动场以及两相体积分数的关系，二次加工和超塑性加工过程中增强体与基体之间的相互作用行为，以及微结构的变化等都是需要研究的问题。 此外需要指出的是，原位复合是有发展有前途的，但是，目前在原位反应时，除了所预计生成的增强体外，仍不免其他副反应夹杂物存在，同时对增强体的体积分数也难以精确控制，因而影响材料质量稳定性。这些都是急待解决的问题相信经过艰苦的努力，在不远的将来，金属基复合材料作为复合材料的一个分支，会有举足轻重的地位，并在众多材料行列中占有一席之地。7 结束语 我国金属基复合材料的研究起步仅落后于美、日等国不到五年。鉴于国际上金属基复合材料尚未大规模生产，因此目前差距不大。目前主要集中在以轻金属等为基体的复合材料研究，少量研究致力于铜、铁、铅基体的复合材料。增强的形式包括连续纤维、短纤维、晶须和颗粒。鉴于国际的发展趋势侧重于非连续的颗粒、晶须和短纤维方面，因此我国的研究也早已转向这方面。但在关于其理论基础性研究的理论深度上与国外有一定的差距，特别是在原子、分子水平上深入认识界面的结构方面不够，这主要是缺少先进的分析表征手段和物理学家的介入不够有关。另外，复合材料可持续发展及其实用化降低成本的要求使金属基复合材料的再生问题显得尤为重要，应该加强对金属基复合材料的再生研究工作。 对于大批量生产的复合材料来讲，轧制复合是特别有效的复合方法。无论采用热轧还是冷轧，在不同的材料复合中都在广泛的研究和应用。其适用性和经济性是其它复合方法所不能比拟的。 总之，我国对复合材料科学研究正方兴未艾，目前的科学研究正向着使复合材料廉价和提高可靠性方面发展，以加强复合材料与其他传统材料的竞争优势。参考文献1 muhly j d.the beginnings of metallurgy in the old world a.in the beginning of the use of metals and alloys，maddin r(ed).c.cambridge，ma: mitpress，1988.220.2 taylor g i.the mechanism of plastic deformation of crytall，itheoretical j