金属基复合材料的发展现状及其应用教学提纲

1、金属基复合材料的发展现状及其应用一、金属基复合材料的性质金属基复合材料以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。金属基复合材料具有良好的导热性，导电性，防潮、耐磨、不会老化，不会产生污染等特点。按金属或合金基体的不同，我们可以将金属基复合材料简单的分为： 1.用于450以下的轻金属基体铝、镁合金； 2.低于650 700 以下的钛合金； 3.以及高于1 000 使用的高温合金(超合金)。下面以“碳化钛增强钛基复合材料”为例，具体介绍一下金属基的相关性质和制备方法。 钛基钛是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，亦有良好的抗腐蚀能力。由于其稳定的化学性质，

2、良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度，被美誉为“太空金属”。钛最有用的两个特性是：1.抗腐蚀性：钛可以安然无恙地躺在各种强酸强碱的溶液中，就连王水也不能腐蚀它。钛也不怕海水，有人曾把一块钛沉到海底，五年以后取上来，上面粘了许多小动物与海底植物，却一点也没有生锈，依旧亮闪闪的。2.钛具有金属中最高的强度重量比。在非合金的状态下，钛的强度跟某些钢相若，但却还要轻45%。碳化钛为浅灰色，立方晶系，不溶于水，具有很高的化学稳定性，与盐酸、硫酸几乎不起化学反应，但能够溶解于王水，硝酸，以及氢氟酸中，还溶于碱性氧化物的溶液中。可由骨炭与二氧化钛在电炉中加热制得，是硬质合金的重要成分。用

3、作金属陶瓷，具有耐腐蚀、热稳定性好的特点。还可用来制造切削工具，在炼钢工业中用作脱氧剂。碳化钛的晶体结构决定了碳化钛具有高硬度、高熔点、耐磨损以及导电性等基本特征。碳化钛陶瓷是钛、锆、铬过渡金属碳化物中发展最广的材料。TiC增强钛基复合材料的性能主要有三个方面： TiC颗粒的加入在不同程度上影响着材料的室温力学性能和高温力学性能。进一步研究合金的高温力学性能时发现，随着温度的升高，其抗拉强度降低，但与基体钛合金的高温强度相比，由于原位合成增强体非常稳定，能有效地强化基体合金，明显提高了复合材料的高温抗拉强度。 TiC颗粒同样提高了复合材料的抗氧化性能，这主要是由于复合材料的氧化首先发生在TiC

4、颗粒处，TiC氧化反应生成TiO2和C，形成薄而致密的氧化层，有效地阻止了材料的继续氧化。 增强相TiC对材料的耐磨性能也有所贡献，这是因为TiC具有很高的硬度和耐磨性，并且TiC与基体结合紧密，在摩擦磨损过程中不易脱落从而提高了材料的耐磨性，并且材料的耐磨性随TiC的含量的增加而提高。二、金属基复合材料的制备目前制备金属基复合材料的方法主要有：1.固态法：真空热压扩散结合、超塑性成型/扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法； 2.液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造； 3.喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型； 4.原位生长法由于金属基种类繁多，制备方法各异，所以不能一一介绍，下面

5、以TiC增强钛基的粉末冶金法为例，来简单介绍一下制备方法：粉末冶金法是一种较成熟的颗粒增强复合材料的制备方法将金属粉末和增强相粉末充分混合、成形、烧结得到金属基的复合材料。粉末冶金法基本上不存在界面反应， 并且可以通过调整颗粒增强相的粒度和体积分数，使得增强体分布均匀。按增强体加入方式的不同 ， 制备颗粒增强钛基复合材料的方法 可分为外加法和原位合成法。外加法是一种传统的粉末冶金工艺 制备方法，通过将陶瓷粉末和金属基体粉末进行混合，然后经冷等静压和真空烧结，或者是直接进行热等静压烧结制备。 美国某公司采用粉末冶金结合外加法研制出一种Ti系列复合材料，制备过程是将Ti粉加入Ti-6Al-4V或T

6、i-6Al-6V-2Sn合金粉末中，于250 进行烧结，TiC在烧结过程中通过固相扩散作用发生一定降解反应，与基体呈现冶金结合状态。具体工艺如图下图所示： 粉末混合冷等静压真空烧结挤 压热等静压模锻三、金属基复合材料的应用1、航空、航天及军事工业的应用：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复合材料用于安飞机的机体结构上，零件重量减小

7、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。更为引人注目的是，在20世纪90年代末，碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大型客机上获得正式应用。普惠公司从PW4084发动机开始，将以DWA公司生产的挤压态碳化硅颗粒增强变形铝合金基复合材料(6092/SiC/17.5p-T6)，作为风扇出口导流叶片，用于所有采用PW4000系发动机的波音777上。另外，目前采用无压浸渗法制备的碳化硅颗粒/铝电子封装复合材料应用在包括:F-18“大黄蜂”战斗机、欧洲“台风”战斗机、EA-6B“徘徊者”预警机、ALE-50型诱饵吊舱以及摩托罗拉铱星、火星“探路者”和“

8、卡西尼”深空探测器等著名的航天器上。2、金属基复合材料在汽车领域的应用：金属基复合材料用于汽车工业主要是颗粒增强和短纤维增强的铝基、镁基、钛合金等有色合金基复合材料。由于铝合金、镁合金等是传统的轻质材料，随着汽车轻量化进程的不断推进和科学技术的日益进步，在汽车工业中采用铝合金、镁合金，要求具有良好的耐磨、抗腐蚀、耐热和尺寸稳定性，并且要求质量更轻，强度、刚度更高。这就为铝基复合材料的发展提供了广阔的应用前景。日本丰田公司于1983年首次成功地用Al2O3/Al复合材料制备了发动机活塞，与原来铸铁发动机活塞相比，重量减轻了5%10%，导热性提高了4倍左右。黄金加钛合金车身钛及钛合金由于具有质轻，

9、比强度、比模量高，耐腐蚀，有较高的韧性等特点，汽车制造厂正在探索用钛合金来延长气门、气门弹簧和连杆等部件的寿命。用钛制成的部件，质量可减轻60%70%。但是钛的耐磨性、刚性、热稳定性较差限制了其广泛应用，通过颗粒增强得到的钛基复合材料(PMMC)可以克服钛的上述缺点。3、重金属基复合材料的应用：美国Alloy Technology International公司开发了热等静压法制造TiC复合材料。例如Cs-40是以含20%Cr的不锈钢为基体，掺和45%(体积)TiC的复合材料，可以用于制造标准件、阀座和机械密封件.它在油中或惰性气体下淬火，硬度达到HRC68(HRC 是采用150Kg载荷和12

10、0金刚石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料)，此类材料对食品加工所需要的环境具有良好的横向破断强度，可用作工具及承受很高的弯曲和拉伸应力的制品，最易切削加工，并具有良好的耐热震性。在磨损条件下使用与工具钢相比，寿命提高约20倍。西德蒂森特钢公司用粉末冶金法生产了Ferro-Titantit复合材料。该材料含45%(体积分数)TiC，TiC均匀分布并镶嵌在高合金钢中。用它制成的模具比用莱氏体铬钢的寿命提高510倍，可用普通方法进行车、铣、钻削加工，最后淬硬到HRC70而不发生变形。4、金属基复合材料在其他民用工业方面的应用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。

11、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。四、金属基复合材料的发展现状以及存在问题 对金属基复合材料的应用和研究目前处于世界领先的国家主要是美国和日本。美国从20世纪60年代就开始对金属基复合材料进行了研究，70年代转入实用化阶段，到了80年代就开始大量在航天、航空工业中应用。例如硼纤维增强铝基复合材料，美国在1987年发射的/哥伦比亚号航天飞机上的货舱桁架使用的就是这种材料。日本在金属基复合材料的研究和发展是起步较晚的，日本工业界大约在20世纪80

12、年代初期，才开始对金属基复合材料的研究投入兴趣。虽然日本起步较晚，但发展速度却很快，只用了20年左右的时间就迅速在世界金属基复合材料的生产和应用研究领域占据了非常重要的地位。我国的金属基复合材料研究起步的时间和日本相差不多，近几年有了较大的发展，许多科研院所和大专院校等都在研究和试验方面取得了一定的进展。但我们国家的整体研究水平与实用化程度还不能与美国和日本相比，大多还处在试验研究阶段。实际应用甚少，主要障碍是制备工艺复杂、成本高。金属基复合材料在民用行业中的应用与研究相对缓慢。要使其推广使用，还必须解决以下几个问题： (1)金属基复合材料普遍存在制备成本问题。在制备过程中，制备工艺复杂，很难

13、应用于生产。若要使复合材料真正进入到产业化，还需要进行更深一步的研究，简化制造工艺，降低制造成本，增强复合材料的市场竞争力。 (2)复合材料性能的优劣性依赖于增强体与基体的结合及增强体的分布状况，而决定结合及分布状况的主要因素之一是润湿性。由于大多数金属基体与增强体润湿差甚至不润湿，这就给复合材料的制备带来困难。研究表明，添加合金元素及提高液态金属温度会提高增强体与基体的润湿性，但该做法会提高成本或牺牲复合材料的性能，且润湿效果并不十分明显。(3)在较高温度下制备复合材料，基体与增强体之间不可避免发生程度不同的界面反应及元素偏聚等。界面反应促进润湿对制备复合材料是有利的。产生界面的脆性相，造成

14、增强体损伤和改变基体成分。这类反应轻微，不损伤颗粒、晶须等增强体。一旦反应生成脆性相进而形成脆性层，就会造成增强体严重损伤，同时造成强界面结合，复合材料性能急剧下降，甚至低于基体性能。 (4)在制备金属基复合材料过程中，增强体在基体中偏聚是研究者遇到的难题之一。如何使其分布均匀也同样决定着复合材料的性能。在研究中试图通过离心铸造、加强搅拌、配制中间合金、原位复合等手段解决该问题。因此，如何使增强体分布均匀始终是众多学者研究的对象。金属基复合材料的展望： 今后的研发工作主要应着眼于两个方面,即在进一步完善已有金属基复合材料和技术的同时，寻求新一代金属基复合材料设计与制备的突破口，从而为金属基复合

15、材料的可持续发展奠定基础。目前金属基复合材料研发工作呈现3个趋势: 1。复合构型设计将受到更多重视，重点是通过调控增强体的空间分布实现强韧化； 2.结构功能一体化、多功能化将成为未来金属基复合材料高性能化的必然途径； 3.尽管备受争议，以碳纳米管为代表的金属基纳米复合材料终将登上历史的舞台。五、参考文献 自生TiC颗粒增强钛基复合材料的研究进展*夏明星，胡 锐，李金山，薛祥义，王一川，周 廉(西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安710072) 2007年5月 金属基复合材料的发展与应用 宋 伟(太原理工大学,山西太原 030024) 金属基复合材料的发展与应用王 倩1,高建国2,马伟民3(1.中航一集团沈阳飞机设计研究所,辽宁沈阳 110035; 2.酒钢机械制造分公司,甘肃嘉峪关 735100;3.沈阳大学机械工程学院,辽宁沈阳 110044) 金属基复合材料的现状与发展趋势 张 荻,张国定,李志强(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200240) 颗粒增强铝基复合材料的研究与应用 李明伟(辽宁工程