金属基复合材料制原位反应制备

1、1 金属基复合材料原位反应制备金属基复合材料原位反应制备 2 复合材料复合材料 由两种或两种以上异质、异形、异性由两种或两种以上异质、异形、异性 原材料组合而成原材料组合而成 保留原组分特性保留原组分特性 新性能、新性能、 可设计性可设计性 基体、增强体、界面基体、增强体、界面 1 3 金属基复合材料金属基复合材料 铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、 金属间化合物基金属间化合物基 结构复合材料：结构复合材料： 高比强度、高比模量、尺寸稳定、耐热性能。高比强度、高比模量、尺寸稳定、耐热性能。 航空、航天、电子、汽车、先进武器等高性能结

2、构件。航空、航天、电子、汽车、先进武器等高性能结构件。 功能复合材料：功能复合材料： 电、磁、热、声、阻尼、摩擦等性能。电、磁、热、声、阻尼、摩擦等性能。 电子、仪器、汽车、航空、航天、武器等领域。电子、仪器、汽车、航空、航天、武器等领域。 2 4 金属基复合材料性能特点金属基复合材料性能特点 高比强度、比模量：高比强度、比模量：高强度、高模量、低密度的纤维、晶须或颗粒增强高强度、高模量、低密度的纤维、晶须或颗粒增强 构件质轻、刚性好、强度高，航空航天技术理想的结构材料。构件质轻、刚性好、强度高，航空航天技术理想的结构材料。 导电、导热性好：导电、导热性好：降低膨胀系数的同时保持金属特有的导电

3、、导热性降低膨胀系数的同时保持金属特有的导电、导热性 减小构件受热后温度梯度，保证高集成度的电子器件尺寸稳定、可靠性（超减小构件受热后温度梯度，保证高集成度的电子器件尺寸稳定、可靠性（超 高模量石墨纤维、金刚石纤维增强铝基、铜基复合材料热导率比铝、铜还高；良高模量石墨纤维、金刚石纤维增强铝基、铜基复合材料热导率比铝、铜还高；良 好的导电性防止飞行器构件产生静电聚集。好的导电性防止飞行器构件产生静电聚集。 膨胀系数小、尺寸稳定性好：膨胀系数小、尺寸稳定性好：采用膨胀系数小的纤维、晶须、颗粒增强采用膨胀系数小的纤维、晶须、颗粒增强 如石墨纤维具有超高模量、负的热膨胀系数；如石墨纤维具有超高模量、负

4、的热膨胀系数； 选择不同增强物及含量，可选择不同增强物及含量，可 得到不同膨胀系数的复合材料。如零膨胀系数复合材料不发生热变形，对人造卫得到不同膨胀系数的复合材料。如零膨胀系数复合材料不发生热变形，对人造卫 星构件特别重要。星构件特别重要。 3 5 良好的高温性能：良好的高温性能：金属基体本身高温性能较好、高温性能更好的增强体金属基体本身高温性能较好、高温性能更好的增强体 如钨丝增强耐如钨丝增强耐热合金热合金1100100h高温持久强度可达高温持久强度可达207MPa；石墨增强铝；石墨增强铝 合金合金500 强度强度600MPa。 用于发动机等高温零部件，可大幅度提高发动机性能和效率。用于发动

5、机等高温零部件，可大幅度提高发动机性能和效率。 耐磨性好：耐磨性好：耐磨性好的陶瓷颗粒复合金属材料。耐磨性好的陶瓷颗粒复合金属材料。 如如SiCP/Al用作汽车发动机、刹车盘、活塞等，显著提高性能、寿命。用作汽车发动机、刹车盘、活塞等，显著提高性能、寿命。 良好的疲劳性能和断裂韧性：良好的疲劳性能和断裂韧性：良好界面有效传递载荷、阻止裂纹扩展良好界面有效传递载荷、阻止裂纹扩展 如如C/Al疲劳强度与拉伸强度比可达疲劳强度与拉伸强度比可达0.7。 不吸潮、不老化、气密性好：不吸潮、不老化、气密性好：金属基体本身性能金属基体本身性能 空间使用不会分解出低分子物质，污染仪器和环境。空间使用不会分解出

6、低分子物质，污染仪器和环境。 4 6 一、原位反应合成及特点一、原位反应合成及特点 根据材料设计要求，选择适当反应剂（气、液或粉末固相），在制根据材料设计要求，选择适当反应剂（气、液或粉末固相），在制 备过程中通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体备过程中通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体 内原位生成一种或几种增强体。内原位生成一种或几种增强体。 增强体在金属基体中原位形核、长大，增强体表面无污染，与基体增强体在金属基体中原位形核、长大，增强体表面无污染，与基体 相容性好，结合好。相容性好，结合好。 工艺特点工艺特点 通过合理选择反应元素（或化合物）的成分、含量

7、，可有效控制增通过合理选择反应元素（或化合物）的成分、含量，可有效控制增 强体种类、大小、分布和数量。强体种类、大小、分布和数量。 工艺简单、成本低；工艺简单、成本低； 复合材料强度、弹性模量可大幅度提高。复合材料强度、弹性模量可大幅度提高。 5 7 二、原位铝基复合材料的制备二、原位铝基复合材料的制备 1. 气气-液复合技术液复合技术 利用气体与铝熔体直接反应，生成所需的增强体。如利用利用气体与铝熔体直接反应，生成所需的增强体。如利用O2、N2或含或含 氮气体与铝反应，生成氮气体与铝反应，生成Al2O3、AlN等等陶瓷颗粒。增强颗粒细小，分布均陶瓷颗粒。增强颗粒细小，分布均 匀，与基体结合牢

8、固。但此法难以控制增强体含量，且易形成加渣和气孔。匀，与基体结合牢固。但此法难以控制增强体含量，且易形成加渣和气孔。 2. 固固-液复合技术液复合技术 将反应物粉末与铝合金熔体混合，使加入的粉末与铝合金中的成分反应将反应物粉末与铝合金熔体混合，使加入的粉末与铝合金中的成分反应 或自行分解，形成均匀弥散的增强体。成本低，复合材料组织细密。或自行分解，形成均匀弥散的增强体。成本低，复合材料组织细密。 固体粉末加入铝熔体、铝液渗透到固态预制件中。固体粉末加入铝熔体、铝液渗透到固态预制件中。 形成：铝化合物形成：铝化合物(Al2O3等等)、金属间化合物、金属间化合物(Al-Ti、Al-Ni、Al-Zr

9、、 Al-Fe等等) 如如：将：将Al2(SO4)3粉体加入铝熔体，粉末分解形成粉体加入铝熔体，粉末分解形成Al2O3增强相，生成的增强相，生成的SO3 起精炼、除气作用； 起精炼、除气作用； 将将Fe3O4粉末加入粉末加入Al-5%Mg合金液中，合金液中， Fe3O4与与Al反应生成反应生成Al-Fe金属间金属间 化合物增强体，伴生形成的化合物增强体，伴生形成的Al2O3微粒起弥散强化作用。微粒起弥散强化作用。 6 8 3. 固固-固复合技术固复合技术 将一种或几种粉末与铝合金粉末在保护性气氛或真空中将一种或几种粉末与铝合金粉末在保护性气氛或真空中机械合金化机械合金化，反应，反应 形成含有增

10、强相的复合粉末，然后采用粉末冶金方法压制、烧结，或再经塑形成含有增强相的复合粉末，然后采用粉末冶金方法压制、烧结，或再经塑 性变形，制备铝基复合材料产品或零部件。性变形，制备铝基复合材料产品或零部件。 如如：将纯：将纯Fe粉与粉与Al合金粉末混合，进行机械合金化，制备合金粉末混合，进行机械合金化，制备Fe3Al与与Al合金合金 混合粉末，然后压制烧结或挤压成复合材料。混合粉末，然后压制烧结或挤压成复合材料。 7 9 三、原位铜基复合材料的制备三、原位铜基复合材料的制备 航空、航天、微电子等高技术的迅速发展，要求铜材不航空、航天、微电子等高技术的迅速发展，要求铜材不 仅具有良好的导电性、导热性、

11、弹性极限和韧性，而且还仅具有良好的导电性、导热性、弹性极限和韧性，而且还 要求具有较好的耐磨性、高温强度、较低的膨胀系数，铜要求具有较好的耐磨性、高温强度、较低的膨胀系数，铜 合金难以兼顾，满足这些条件需采用铜基复合材料。合金难以兼顾，满足这些条件需采用铜基复合材料。 8 10 1. 液相反应原位生成法液相反应原位生成法 将两种或两种以上的金属流以涡流状混合，产生将两种或两种以上的金属流以涡流状混合，产生 化学反应形成弥散相，弥散相颗粒可细化至化学反应形成弥散相，弥散相颗粒可细化至50nm。 由于第二相在凝固过程中形成，避免了表面污染和由于第二相在凝固过程中形成，避免了表面污染和 氧化，不存在

12、人工复合中界面润湿和化学反应问题。氧化，不存在人工复合中界面润湿和化学反应问题。 易于同连续铸造等技术结合，性能好，成本低。易于同连续铸造等技术结合，性能好，成本低。 如如：采用：采用Cu-Ti、Cu-B双熔体混合，制备双熔体混合，制备5%TiB2 铜基复合材料。铜基复合材料。TiB2 熔点高、硬度高、弹性模量熔点高、硬度高、弹性模量 高、化学稳定性好、抗腐蚀性能好，导电、导热。高、化学稳定性好、抗腐蚀性能好，导电、导热。 9 11 2. 固相反应生成法固相反应生成法 局部引燃粉末体，燃烧波通过粉体自蔓延合成；局部引燃粉末体，燃烧波通过粉体自蔓延合成； 迅速加热粉末体，合成反应在整个粉末体内同

13、时发生迅速加热粉末体，合成反应在整个粉末体内同时发生。 常先制得颗粒含量很高的中间复合材料，然后与金属混合重熔，常先制得颗粒含量很高的中间复合材料，然后与金属混合重熔， 得到需要颗粒含量的复合材料。得到需要颗粒含量的复合材料。 采用此种方法制备的铜基复合材料还有采用此种方法制备的铜基复合材料还有Cu-ZrB2- ZrN、 Cu-TiB2 等。等。 10 12 3. 反应喷射沉积法反应喷射沉积法 液态铜合金通过特殊的喷嘴雾化，在高温下与气氛中成分发生化学反液态铜合金通过特殊的喷嘴雾化，在高温下与气氛中成分发生化学反 应，生成增强体，与合金共同沉积到衬底上，凝固得到铜基复合材料。应，生成增强体，与

14、合金共同沉积到衬底上，凝固得到铜基复合材料。 增强体细小、分布均匀、无宏观偏析，工艺简单，效率高，可继续塑增强体细小、分布均匀、无宏观偏析，工艺简单，效率高，可继续塑 性加工。可制备棒、板带、管材等。性加工。可制备棒、板带、管材等。 可制备可制备SiC、Al2O3、TiC、Cr2O3、石墨等增、石墨等增 强的铜基复合材料。强的铜基复合材料。 如如：用含用含O2 气的气的N2 气进行气氛保护，利用气进行气氛保护，利用N2 气中的气中的O2 使使Al 择优氧化反应生成择优氧化反应生成Al2O3 增强增强 颗粒颗粒, 在基底上沉积冷却后形成在基底上沉积冷却后形成Cu-Al2O3 复合复合 材料。材料

15、。 11 13 4. 反应机械合金化反应机械合金化 利用机械合金化诱发各种化学反应，制备铜基复合粉末，再经固结利用机械合金化诱发各种化学反应，制备铜基复合粉末，再经固结 成形和热加工制备所需的铜基复合材料。成形和热加工制备所需的铜基复合材料。 可得纳米级难熔增强可得纳米级难熔增强体（体（NbC、TiC、MoC、NbB、TiB2、ZrN）；）； 体系储能高、降低致密化温度；体系储能高、降低致密化温度； 超细的增强体抑制基体相再结晶和晶粒长大。超细的增强体抑制基体相再结晶和晶粒长大。 如如：利用此法制备出了利用此法制备出了5-15nm TiC、TiB2增强的铜基复合材料，在保增强的铜基复合材料，在

16、保 持高导电性能的同时，具有优异的力学性能和热稳定性；持高导电性能的同时，具有优异的力学性能和热稳定性； 将将TiO2+B2O3+Cu粉粉+Al粉机械合金化、热压成形制备的（粉机械合金化、热压成形制备的（ TiB2+ Al2O3）增强铜基复合材料，在电焊电极（强大电流、高温性能、导）增强铜基复合材料，在电焊电极（强大电流、高温性能、导 热）上已投入使用；热）上已投入使用； 将将ZnO+ CuO+Cu粉粉+Al粉机械合金化可制备纳米粉机械合金化可制备纳米Al2O3增强的黄增强的黄 铜合金。铜合金。 12 14 四、原位镁基复合材料的制备四、原位镁基复合材料的制备 镁合金：镁合金： 高比模量、比强

17、度，良好的阻尼性能、电磁屏蔽性能。高比模量、比强度，良好的阻尼性能、电磁屏蔽性能。 航天、航空、电子等领域应用前景广阔。航天、航空、电子等领域应用前景广阔。 强度、耐高温性能不足，限制了进一步应用。强度、耐高温性能不足，限制了进一步应用。 镁基复合材料：镁基复合材料： 比强度、比高度更高；耐磨性、耐高温性能好，应用潜力更大。比强度、比高度更高；耐磨性、耐高温性能好，应用潜力更大。 原位复合镁合金：原位复合镁合金： 颗粒小、表面清洁、相容性好、强化更强。颗粒小、表面清洁、相容性好、强化更强。 已原位合成已原位合成TiC/Mg、Mg2Si/Mg 、（、（MgO Mg2Si）/Mg等等 增强体：增强

18、体： 尺寸、形状、弹性模量、强度、密度、热稳定性、膨胀系数、相容性等尺寸、形状、弹性模量、强度、密度、热稳定性、膨胀系数、相容性等 TiC、TiB2、Mg2Si 、MgO 13 15 1. 机械合金化法机械合金化法 将反应物粉末置于高能球磨机，球磨过程中粉末受到强烈冲击，变将反应物粉末置于高能球磨机，球磨过程中粉末受到强烈冲击，变 形、破碎、反应，得到含有增强体的粉末体，真空脱气、热压成形。形、破碎、反应，得到含有增强体的粉末体，真空脱气、热压成形。 如：如：以以Mg、Al、Si粉作为原料粉末可制备粉作为原料粉末可制备Mg2Si/Mg镁基复合材料，并镁基复合材料，并 且高能球磨中形成且高能球磨

19、中形成Al17Mg12相；相； 以以Mg、Al、Ti、B粉作为原料粉末，制备的粉作为原料粉末，制备的TiN、MgB12颗粒增强颗粒增强 的镁基复合材料，抗弯强度达的镁基复合材料，抗弯强度达900MPa。 2. 混合盐反应法混合盐反应法 将将KBF4和和K2BF6混合盐加入镁熔体，混合盐加入镁熔体，B、Ti被镁还原出来进而在镁被镁还原出来进而在镁 熔体中生成熔体中生成TiB2，形成的副产物进入熔剂，浇铸可得，形成的副产物进入熔剂，浇铸可得TiB2颗粒增强的颗粒增强的 镁基复合材料。热力学计算表明混合盐之间不自发镁基复合材料。热力学计算表明混合盐之间不自发TiB2形成。形成。 14 16 3. 反

20、应浸渗法反应浸渗法 将将Ti、C粉末压制成坯，置于镁锭下方，之后一起加热至镁熔点以粉末压制成坯，置于镁锭下方，之后一起加热至镁熔点以 上某温度，镁熔体浸渗到多孔预制块中，同时原位反应生成上某温度，镁熔体浸渗到多孔预制块中，同时原位反应生成TiC颗粒。颗粒。 此法适于制备高体积分数增强体（此法适于制备高体积分数增强体（50%）的镁基复合材料。）的镁基复合材料。 4. 固固-液反应法液反应法 将将SiO2加入镁或镁合金熔体，制备加入镁或镁合金熔体，制备Mg2Si颗粒增强的镁基复合材料；颗粒增强的镁基复合材料； 将将B2O3加入加入Mg-Li熔体，制备熔体，制备MgO增强的镁基复合材料。增强的镁基复

21、合材料。 15 17 五、原位钛基复合材料的制备五、原位钛基复合材料的制备 钛及钛合金：钛及钛合金： 高比强度、比模量，耐腐蚀、耐高温、无磁性、膨胀系数低。高比强度、比模量，耐腐蚀、耐高温、无磁性、膨胀系数低。 航天、航空、船舶、能源、医疗、化工等领域应用前景广阔。航天、航空、船舶、能源、医疗、化工等领域应用前景广阔。 钛基复合材料：钛基复合材料： 进一步提高比强度、比高度、耐高温性能好。进一步提高比强度、比高度、耐高温性能好。 原位复合钛合金：原位复合钛合金： 防止表面污染、相容性好、强化更强。防止表面污染、相容性好、强化更强。 超高音速宇航飞行器、先进航空发动机材料；超高音速宇航飞行器、先进航空发动