金属基复合材料的研究进展及发展趋势

1、金属基复合材料界面的研究进展及发展趋势周奎（佳木斯大学材料科学与工程学院 佳木斯 154007） 摘要 本文介绍了目前金属基复合材料界面的研究现状，存在的问题及优化的有效途径。重点阐述了金属基复合材料在各个领域的应用情况。最后在综述金属基复合材料界面的研究进展与应用现状的基础上,对学者未来研究呈现的趋势进行了简述并对其发展趋势进行了展望。 关键词 金属基复合材料 界面特性 应用 发展趋势 The research progress of metal matrix composites interface and development trend ZHOU Kui (jiamusi unive

2、rsity school of materials science and engineering jiamusi 154007)Abstract：Interface of metal matrix composites are introduced in this paper the current research status, existing problems and the effective ways to optimize. Expounds the metal matrix composites and its application in various fields. F

3、inally in this paper the research progress and application of metal matrix composites interface status quo, on the basis of research for scholars in the future the trend of the present carried on the description and its development trend is prospected. Keywords: metal matrix composites application I

4、nterface features the development trend 1前言 金属基复合材料(MMCS)是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料。 研究金属基复合新材料是当代新材料技术领域中的重要内容之一。金属基复合材料的品种繁多,有碳(石墨)、硼、碳化硅、氧化铝等高性能连续纤维增强铝基、镁基、钦基等复合材料,碳化硅晶须、碳化硅、氧化铝颗粒、氧化铝短纤维增强铝基、镁基复合材料,以及牡钨丝增强超合金等高温金属基复合材料等.但它们的发展和应用并不迅速。主要原因是存在界面问题,制备方法较复杂,成本高。学者们在金属基复合材料的有效制备方法、金属基体与增强体之间的界面反应规律

5、、控制界面反应的途径、界面结构、性能对材料性能的影响、界面结构与制备工艺过程的关系等进行了大量的研究工作,取得了许多重要成果,推动了金属基复合材料的发展和应用。但随着金属基复合材料要求的使用性能和制备技术的发展,界面问题仍然是金属基复合材料研究发展中的重要研究方向。特别是界面精细结构及性质、界面优化设计、界面反应的控制以及界面对性能的影响规律等。尚需结合材料类型、使用性能要求深入研究。2金属基复合材料的界面随着金属基复合材料要求的使用性能和制备技术的发展,金属基复合材料的界面结构研究乃是近年来研究重点之一,复合材料界面特性在很大程度上决定复合材料的性能。通过分析界面特性,可以发现和推出界面特性

6、与MMCS力学性能的内在规律。一般来说,金属基复合材料的力学性能很大程度上是由基体与增强相之间的界面结构与属性来决定的。2.1 金属基复合材料界面存在的问题 金属基体通常是合金,含有性质不同的合金元素和相,熔化温度较高.在凝固、冷却、热处理过程中还可能发生元素偏聚和扩散、固溶、相变等.在高温下元素化学活性增加,易与增强体发生不同程度的界面反应,形成各种界面结构.金属基体与增强体物理、化学性质又有较大差别。这些因素使金属基复合材料的界面间题显得十分复杂. 主要问题有:界面反应及其控制途径:界面反应规律、界面反应与制备工艺过程、界面反应对界面结构、界面性能增强体损伤的影响.控制界面反应的有效途径.

7、,界面结构、性能对增强和断裂以及导热、导电性的影响。 界面结构与复合材料组分的关系:基体、增强体对应的界面结构特性,基体成分、相组成与界面微结构,增强体及表面涂层与界面微结构及性能的关系。界面稳定性:在不同环境(温度、湿度、应力状态、化学等)条件下界面结构和性能的稳定性,环境因素对界面结构和特性的影响。界面的优化设计和优化界面的有效途径:针对不同性能要求的界面结构的优化设计,最佳界面结构的获取途径。 界面问题的研究解决需与所选择的金属基复合材料的类型、使用工况条件、制备过程密切结合,方能取得实际效果。2.2金属基复合材料的界面反应 金属基复合材料的制备一般在高温下进行的，基体合金和增强体不可避

8、免地发生程度不同的界面反应及元素扩散、偏聚等.界面反应程度决定了界面结构和性能。2.2.1界面反应的结果 有利的方面：促进增强体与金属液的浸润，增强金属基体与增强体的界面结合.提高界面结合强度.较严重的界面反应将造成强界面结合.界面结合强度对复合材料内残余应力、应力分布、断裂过程有重要的影响,直接影响复合材料的性能。界面反应也可能形成各种类型的化合物,如AL4C3、AIBZ,A12MgO4、TIC等。 不利的方面：造成增强体损伤和改变基体成份，严重的界面反应使高性能纤维损伤.如：石墨/铝基复合材料严重损伤的石墨纤维表面形貌,被浸蚀的纤维的性能明显下降.界面反应还可能改变基体的成份,降低了基体的

9、性能。2.2.2界面反应程度对形成合适界面结构和性能的影响 可将它分为三类: 第一类一有利于基体与增强体浸润、复合和形成最佳界面结合.如SIC颗粒增强铝基复合材料.铝基体中的Mg与SIC表面的SIO2作用适度时、可明显改善了SICP与Al的浸润性。这类界面反应轻微,纤维、晶须、颗粒等增强体无损伤和性能下降,不生成大量界面反应产物,界面结合强度适中.能有效传递载荷和阻止裂纹向增强体内部扩展.界面能起调节复合材料内应力分布的作用。 第二类一有界面反应产物,增强体虽有损伤但性能不下降.形成强界面结合、在应力作用下不发生界面脱粘,裂纹易向纤维等增强体内部扩展,呈现脆性破坏.结果造成纤维增强金属的低应力

10、破坏。但对晶须、颗粒增强复合材料,这类反应则是有利的. 第三类一严重界面反应.有大量反应产物,形成聚集的脆性相和脆性层,造成增强体严重损伤和基体成份改变,强度下降.同时形成强界面结合.复合材料的性能急剧下降,甚至低于基体性能这类反应必须避免。 对于制备高性能金属基复合材料、控制界面反应程度到形成合适的界面结合强度极为重要.即使界面反应未造成增强体的损伤和形成明显的界面脆性相,只造成强界面结合也是十分有害的,这对连续纤维增强复合材料尤为重要.2.3金属基复合材料界面特性对性能的影响 在金属基复合材料中，界面对材料内载荷的传递，微区应力和应变分析以及导电，导热等有着极为重要的作用和影响。界面结合强

11、度、界面脆性相以及界面区的微结构对材料的宏观性能起着重要的作用.界面脱粘可有效地调节材料内应力分布,减缓裂纹端部的应力集中,阻止裂纹向纤维内部扩展,使每根纤维承载均匀、充分发挥出纤维的性能，适中的界面结合具有最高的抗拉、抗弯、冲击强度。2.4界面的优化和有效控制途径 改善基体与增强体的浸润性、控制界面反应以形成最佳的界面结构是金属基复合材料生产的关键技术问题.界面优化的目标是形成可有效传递载荷、能调节应力分布、阻止裂纹扩展、稳定的界面结构.途径主要有纤维等增强体的表面涂层处理、金属基体合金化。2.4.1纤维颗粒等增强体的表面涂层处理 增强体的表面改性及涂层处理可以有效地改善浸润性和阻止过度的界

12、面反应。特别是用化学气相沉积法,能获得界面结构最佳的梯度复合涂层可制备出高性能的碳/铝、硼/铝、碳化硅/钦等复合材料。SIC颗粒的氧化处理是一种经济又有效的增强体表面处理方法.合适的氧化处理可以获得连续致密的SIO2层.明显改善SICP与Al基体的浸润性,它与铝合金中的Mg元素作用形成颗粒界面层，可获得高性能SICP/Al复合材料。2.4.2金属基体合金化 在液态基体中加入适当的合金元素,是改善基体熔体与增强体的浸润性、阻止有害的界面反应、形成稳定的界面结构的一种有效、经济的优化界面及控制界面反应的方法.例如在硼酸铝晶须增强铝基复合材料加入某些稀有元素,可有效阻止铝合金中M只与ABO晶须的界面

13、反应,获得高性能材料.现有的基体多数是选用现成的金属合金,由于复合材料增强机制与合金的强化机制不同,合金中形成时效强化相的合金元素对界面结构有影响,有些是有害的，如Cu,铝合金中的强化相CuAI2易在增强纤维之间形成连接纤维的脆性相,引起脆性破坏.现有的金属合金是否适于作为金属基复合材料的基体、需认真考虑。3金属基复合材料的应用 金属基复合材料自进入工业应用发展阶段以来，逐步拓宽了应用领域。它具有良好的综合性能，例如：高比强度、比模量 导热、导电性能 热膨胀系数小,尺寸稳定性好 良好的高温性能 耐磨性好 良好的疲劳性能和断裂韧性 不吸潮、不老化、气密性好等。由于金属基复合材料具有这些良好的综合

14、性能而赋予它在各个领域都有应用。3.1MMCS在陆上运输领域的应用 随着能源和环境问题日益严峻,世界各国实行越来越严格的燃油效率标准和尾气排放标准,这迫使各汽车生产商采用轻质的MMCS取代目前的铸铁和钢,实现汽车轻量化的目的。 在汽车工业中,金属基复合材料的应用对于提高汽车零部件的使用性能已发挥了重要作用。本田公司研制了一种不锈钢长纤维增强的铝合金汽车发动机连杆,较之锻钢连杆,其刚度高、耐疲劳性好,而且其往复运动件质量减小27%,使得发动机摩擦力降低。汽车采用铝基MMCS刹车盘(如图1所示)，例如通用在2000年发布的混合动力车Precept前后轮均装配采用Alan公司铝基MMCS制造的通风式

15、刹车盘,该刹车盘质量不到原来铸铁刹车盘的一半。 图 1 SICP/Al复合材料刹车盘 世界范围内,建设了许多高速铁路和列车。其中德国ICE(Inter City Express)列车尤其以第一次应用MMCS刹车盘而著称。优点就是带来重大的减重效益。3.2MMCS电子及光学领域的应用 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。由于铝基复合材料具有密度低热膨胀系数低，导热性能好等优点。因此适用于制造电子器材的衬装材料，散热片，基板等电子部件及旋转扫描镜，激光镜，反射镜，镜子底座等许多电子光学仪器。尤其是碳化硅颗粒增强铝

16、基复合材料物理性能优良，制造工艺技术较为成熟。价格相对较低，得到了较为广泛的应用。以铝碳化硅(ALSIC)MMCS为代表的第二代热管理材料,为电子封装提供了高度可靠且成本经济的热管理解决方案。ALSIC主要用作微处理器盖板/热沉、倒装焊盖板、微波及光电器件外壳/基座、高功率衬底、IGBT基板、柱状散热鳍片等。其中,无线通讯与雷达系统中的射频与微波器件封装构成ALSIC目前最大的应用领域,其第二大应用领域则是高端微处理器的各种热管理组件,包括功率放大器热沉、集成电路热沉、印刷电路板芯板和冷却板、芯片载体、散热器、整流器封装等(如图图2、图3所示)。 图 2微处理器盖板 图3 光电封装基座 再如，

17、碳纤维增强铝基复合材料导热性好，尺寸性能稳定，以其制成的卫星抛物面天线骨架不仅能够达到减重效果，还可使卫星天线的增益效率提高4倍。3.3MMCS在航空航天领域的应用MMCS最初发展的原动力来自于航空工业领域。先进的航空机推进系统，火箭发动机，空间核动力系统和宇航用电子器件必须使用高温下具有高强度和刚性的金属基复合材料。目前已用于军机和民机的MMCS主要是铝基和钛基复合材料。例如，美国航夭飞机的支杆是用连续硼纤维增强的铝基复合材料制造的,哈勃望远镜罩是用连续碳纤维增强铝基复合材料制造的（如图7所示）。复合材料制造的飞机翼板可比传统的飞机翼板减重20%一40%。目前,航空航天工业中正在大力开发用于

18、喷气发动机的高温金属基复合材料和用于飞机构架的金属基复合材料（如图3、图4所示）。美国采用高体积分数SICP/AI复合材料用于-22猛禽战斗机印刷电路板芯板,电子元件基座及外壳等。不仅实现了减重效果，同时还使电子模板的工作温度降低。地球轨道全球移动卫星通信系统也开始使用碳化硅增强铝基复合材料印刷电路板芯。 图 3航天飞机轨道器中B/AL复合材料 图4哈勃望远镜CR/铝基复合材料悬架 图 5 哈勃望远镜整体结构1998年,钛基复合材料进入航空市场, 以钛基MMCS接力器活塞的燃气涡轮发动机用在由洛克希德/波音联合研制的-22猛禽战斗机的发动机上为它提供动力。3.4MMCS在其它领域的应用 MMCS的其它应用涵盖制造业、体育休闲及基础建设领域,既包括硬质合金、电镀及烧结金刚石工具、Cu基及Ag基电触头材料等成熟市场,也包括TIC增强铁基耐磨材料、SAFFIL纤维增强铝基输电线缆（如图6所示）、B4C增强铝基中子吸收材料等新兴市场。这些新兴市场的表现