金属基复合材料简介及研究现状

1、金属基复合材料简介及研究现状摘要:本文介绍了金属基复合材料的研究状况与发展展望。介绍了它的定义、分类、性能特征并归纳了它的制备工艺。对金属基复合材料的现存问题进行了一定的分析与总结。最后对金属基复合材料的发展前景做出展望。关键词：金属基复合材料、制造工艺、研究现状、存在问题、发展前景一、复合材料简介复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的物质以微观或宏观的形式复合而成的多相材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与

2、非金属复合材料。按其结构特点又分为：纤维复合材料。夹层复合材料。细粒复合材料。将混杂复合材料。60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250350、3501200和1200以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料、机敏复合材料、仿生复合材料、隐身复合材料等。二、金属基复合材料

3、简介在此主要对金属基复合材料进行介绍与研讨。 (1)定义：金属基复合材料是以金属或合金为基体，以高性能的第二相为增强体的复合材料。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。(2)分类：按增强体类型分为：1.颗粒增强复合材料；2.层状复合材料；3.纤维增强复合材料 按基体类型分为：1.铝基复合材料；2.镍基复合材料；3.钛基复合材料；4.镁基复合材料 按用途分为：1.结构复合材料；2.功能复合材料（3）性能特征：金属基复合材料的性能取决于所选用金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布等。综合归纳金属基复合材料

4、有以下性能特点。 A高比强度、比模量 B. 良好的导热、导电性能 C热膨胀系数小、尺寸稳定性好D良好的高温性能和耐磨性E良好的断裂韧性和抗疲劳性能F不吸潮、不老化、气密性好三、金属基复合材料的制造工艺金属基复合材料品种繁多，其制造方法也因基体和增强物的不同，而有不同的制造方法。归纳起来可以分成以下三类：（1）固态法1将金属粉末或金属箔与增强物(纤维、晶须、颗粒等)按设计要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再经加热、加压，将金属基体与增强物复合粘结在一体形成复合材料。整个工艺过程处于较低的温度，金质基体与增强物均处于固体状态。金属与增强物之间的界面反应不严重。粉末冶金法、热压法、热等静压

5、法、轧制法、拉拔法等均属于固态复合成型方法。（2）液态金属法金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合在一起的方法。液态法制造金属基复合材料时，制备温度高，易发生严重界面反应，有效控制界面反应，是液态法的关键。挤压铸造法、真空吸铸、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法、搅拌复合法等均属于液态法。（3）自生成法及其他制备法在基体金属内部通过加入反应元素，或通入反应气体在液态金属内部反应，产生微小的固态增强相，一股是金属化合物TiC，TiB2，A12O3等微粒起增强作用。通过控制工艺参数获得所需的增强物含量和分布。其他方法还有复合涂覆法，将增强物(主要是细颗粒)悬浮于镀液中，通过电镀或化学镀将金属与颗粒同时

6、沉积在基板或零件表面形成复合材料层。也可用等离子等热喷镀法将金属与增强物同时喷镀在底板上形成复合材料。四、金属基复合材料的研究现状1金属基复合材料的界面金属基复合材料的界面问题一直是困扰本领域工作者的重大问题因为金属基复合材料的界面有三种类型，而且界面以五种不同的方式结合，所以界面区结构非常复杂虽然多数金属基复合材料是以界面反应的形式结合，但是反应的程度受工艺方法及温度参数的影响极大，同时由于界面区尺寸仅为纳米级，从而使分析表征工作困难很大2. 金属基复合材料的凝固过程金属的凝固过程已经研究得比较成熟，但金属基复合材料的凝固过程由于增强体的存在使基体金属的凝固过程变得复杂，难以套用现有的金属凝

7、固理论实际上由于增强体的存在，其凝固过程中的温度场和浓度场、晶体生长的热力学和动力学过程都会发生变化。同时一般凝固过程均处于非平衡条件下，因此流体的流动行为、溶质的再分配规律以及凝固体的组织形态也有相应的变化。3. 非连续增强金属基复合材料的制备科学非连续增强体（颗粒、短纤维、晶须）增强的金属基复合材料，由于其制造工艺较简单，价格相对低廉，所以在汽车、纺织等民用工业中初步获得应用，特别是SiC 颗粒增强和硅酸铝（或莫来石）短纤维增强的复合材料现在已有一定的生产规模。4. 金属基复合材料的原位复合金属基复合材料的原位复合工艺基本上能克服其它工艺中通常出现的一系列问题，如基体与增强体浸润不良，界面

8、反应产生脆性层，增强体分布不均匀，特别是对微小的（亚微米和纳米级）增强体极难进行复合等，作为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视，并广泛开展了研究工作。其中包括直接氧化法、无压力浸润法、自蔓延法和在金属中已有研究基础的原位共晶生长法等。五、金属基复合材料的研究与应用中存在的问题21工艺技术复杂无论是增强纤维的制造，还是与金属基体的复合，都有自己的特殊制造工艺和专门生产设备，技术难度大，效率低。2价格昂贵由于工艺技术复杂，必然增加成本。3.性能有待改进，工艺尚需完善金属基复合材料主要性能优越，但在横向冲度、冲击韧性、加工性能等方面尚有不足。加之工艺复杂不够稳定，性能的分散度大，重复性较差。

9、4.设计与使用经验不足金属基复合材料是一种完全不同于普通金属的新颖材料，由于发展时间尚短，性能数据还不充分，它的断裂机理和设计准则与常规材料有很大差异。六、金属基复合材料的发展前景3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

10、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。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。七、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（如铝、镁、钛）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。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。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