金属基复合材料研究进展

金属基复合材料研究进展

1金属基复合材料随着现代高新技术的发展，材料的性能要求不断提出，高材料的强度、高材料的刚度、高材料的耐候性、耐候性、耐腐蚀性和抗劳性的出现极大地解决了材料目前面临的问题，促进了材料的进展。复合材料(CompositeMaterials)是为达到预期的使用特性将不同性质的两种或两种以上材料结合为一体而设计制造的新材料.金属基复合材料(MMCs即Metalmatrixcomposites)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.其目标是解决航空、航天、电子、汽车、先进武器系统等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要,它在60年代末才有了较快的发展,是复合材料一个新的分支.目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导电性和导热性以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点,成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料.金属基复合材料集高比模量、高比强度、良好的导热导电性、可控的热膨胀系数以及良好的高温性能于一体,成为当代发展迅速的重要先进材料之一.2颗粒型钢mmcsMMCs按基体不同可分为黑色金属基(如钢、铁)和有色金属基(如铝、镁、钛、镍等)两大类.按照增强相的形态不同又可分为分散强化型、颗粒增强型和纤维增强型三大类.分散强化型MMCs强化相的平均尺寸小于0.1μm,强化相的容积比Vf只有千分之几,通过强化相阻止基体中位错运动而强化基体.颗粒增强型MMCs颗粒平均尺寸在1μm以上,Vf最大可达90%,靠颗粒自身强度强化,基体作用是把颗粒组合在一起.纤维增强型MMCs是利用纤维(或金属细线)的极高强度来增强金属,纤维可以是长纤维,也可以是短纤维或者是晶须,纤维直径从3μm到150μm(晶须直径小于1μm),长度与直径比在100以上.目前,MMCs中的增强相已有多种,重要的有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、SiC纤维、SiC晶须;颗粒型的有SiC、碳化硼、图化钛等;丝状的有钨、铍、硼、钢等.3金属基复合材料的性能特点金属基复合材料的性能取决于所选金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布等.通过优化组合可以获得既具有金属特性,又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等优良综合性能的复合材料.金属基复合材料有以下性能特点.3.1复合材料的材料比强度和比模量在金属基体中加入适量高比强度、高比模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强物,能明显提高复合材料的比强度和比模量.密度只有1.85g/cm3的碳纤维的最高强度可达到7000MPa,比铝合金强度高出10倍以上,石墨纤维的最高模量可达91GPa.加入质量分数为30%~50%高性能纤维作为复合材料的主要承载体,复合材料的比强度、比模量成倍地高于基体合金或金属的比强度和比模量.3.2导电材料的合成金属基复合材料中金属基体一般占有60%以上的体积分数,因此仍保持金属所具有的良好导热和导电性.金属基复合材料采用高导热性的增强物可以进一步提高导热性能,使热导率比纯金属基体还高.良好的导热性可有效地传热散热,减少构件受热后产生的温度梯度.现已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强铝基和铜基复合材料的导热率比纯铝和钢还高,用它们制成的集成电路底板和封装件可有效迅速地把热量散去,提高集成电路的可靠性.良好的导电性可以防止飞行器构件产生静电聚集.3.3增强物含量对材料热膨胀性的影响金属基复合材料中所用的增强物碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等既具有很小的热膨胀系数,又具有很高的模量.加入相当含量的增强物不仅可以大幅度地提高材料的强度和模量,也可以使其热膨胀系数明显下降,并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数,以满足各种工作情况的要求.3.4复合材料基复合材料金属基复合材料具有比金属基体更好的高温性能,特别是连续纤维增强金属.在复合材料中纤维起着主要承载作用,纤维强度在高温下基本不降,纤维增强金属的高温性能可保持到接近金属熔点.金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上,可大幅度地提高发动机的性能和效率.3.5复合材料的制备金属基复合材料,尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很幻的耐磨性.在基体金属中加入了大量硬度高、耐磨、化学性能稳定的陶瓷增强物,特别是细小的陶瓷颗粒,不仅提高了材料的强度和刚度,也提高了复合材料的硬度和耐磨性.高耐磨的SiC/A1复合材料用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件,明显地提高零件的性能和寿命.3.6金属基复合材料金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等增强物与金属基体的界面结合状态、增强物在金属基体中的分布、金属和增强物本身的特性等,特别是界面状态,最佳的界面结合状态既可有效地传递载荷,又能阻止裂纹的扩展,提高材料的断裂韧性.3.7不吸收、不老化、气密性好金属基复合材料性质稳定,组织致密,不存在料化、分解、吸潮等问题,也不会发生性能的自然退化.4金属基复合材料的制备方法金属基复合材料制备科学的研究与发展是决定其迅速发展和广泛应用的关键问题.研究开发有效而实用的制备方法一直是金属基复合材料的重要问题之一.常用的制备方法有以下4种:扩散粘结法、铸造法、叠层复合法和原位复合法.4.1金属复合丝的制备对于颗粒、晶须等增强体可采用成熟的粉末冶金法,即把增强体与金属粉末混合后冷压或热压烧结,也可以用热等静压的工艺;对于连续增强体则较复杂,需先将纤维进行表面涂层以改善它与金属的润湿性并起到阻碍与金属反应的作用,再浸入液态金属制成复合丝,然后再把复合丝排列并夹人金属薄片后热压烧结;对于难熔金属则用等离子喷涂法把金属喷射在纤维已排好的框架上制成复合片,再把这些片材层叠热压或热等静压成型.这类方法成本高,工艺及装备复杂,但制品质量好.4.2铸造法制备金属基复合材料铸造法主要有熔体搅拌铸造法、液相浸渗法和共喷射沉积法等.用铸造法制备金属基复合材料,工艺比较简单,制品质量也较好,所以受到普遍的关注.4.2.1半固体搅拌法熔体搅拌铸造法是一种简单常用的方法,分液态和半固态搅拌法两种.液态搅拌法是将固态颗粒逐步混合于处在机械搅拌下的液态金属中;而半固态搅拌法是利用含有一定固相的半固态熔体在高速切应力作用下的流变行为使之粘度降低,颗粒逐步加入后,熔体中的固相可以起到阻止颗粒上浮和下沉的作用,这种方法也称复合铸造法(Compocasting).这类方法的设备与工艺相对简单,同时可以制成铸锭,用常规二次加工方法制成工件或型材,但是制件中容易形成气孔、夹杂、增强体分布不均匀等现象而影响质量.4.2.2压压法挤压法液相浸渗法中有挤压法(Squeezecasting)和真空一压力浸渗法(Vacum-pressureinfiltration).这两种方法均需要把增强体制成预制件(Preform).挤压法将预制件放入模具预热后,将金属熔体倾入,同时压下压头,使其在压力下浸渗,熔体凝固后即可脱模.这种方法工艺简单,但预制件中的气体不易在凝固前排出而造成气孔与疏松,同时预制件也易发生变形和偏移.因此,在此基础上又发展了真空一压力浸渗法,即将预制件放入位于承压容器的模具内,先抽真空,排出预制件内的气体,再用气压把金属熔体由通道压入模具内,使之浸渗预制件,等其冷凝后取出.这种方法虽然需要专用设备,但是制件质量好.4.2.3微胶囊法增强体共喷射沉积法(Co-spray)是一种新复合方法.它是用惰性气体将液体金属雾化成微小的液滴,并使之向一定方向喷射,在喷射途中与另一路由惰性气体送出的增强体微细颗粒会合,共同喷射沉积在有水冷衬底的平台上,凝固成复合材料.这是一个较复杂的过程,与金属的雾化情况、沉积凝固条件和增强体的送入角度等有关,过早的凝固则不能复合,而过迟的凝固则使增强体发生上浮下沉而分布不匀.这种方法的优点是工艺快速,金属的大范围偏析和晶粒粗化可以得到抑制,避免复合材料发生界面反应,增强体分布均匀;缺点是出现原材料被气流带走和沉积在设备器壁上等现象而损失较大,还有复合材料气孔率高以及容易出现疏松.4.3金属基复合材料这种方法是先将不同金属板用扩散结合方法复合,然后来用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料.这种复合材料性能很好,但工艺复杂难以实用化.目前这种材料的应用尚不广泛,过去主要少量应用或试用于航空、航天及其它军用设备上,现在正努力向民用方向转移,特别是在汽车工业上有很好的发展前景.4.4采用微胶囊的微胶囊化方法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常出现的一系列问题,如基体与增强体浸润不良、界面反应产生脆性、增强体分布不均匀、对微小的(亚微米和纳米级)增强体极难进行复合等.它作为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视,其中包括直接氧化法、自蔓延法和原位共晶生长法等.4.4.1添加0.4%氧化镁为复合体系直接氧化法(DIMONTM)是由氧化性气体在一定工艺条件下使金属合金液直接氧化形成复合材料.通常直接氧化法的温度比较高,达到1600K,添加适量的合金元素如Mg、Si等,可使反应速度加快.这类复合材料的强度、韧性取决于形成粒子的状态和最终显微组织.由于形成的增强体可以通过合金化及其反应热力学进行判断,因此可以通过合金化、炉内气氛的控制来制得不同类型增强体的复合材料.4.4.2金属间化合物的增强自蔓延法(XDTM)是利用金属一金属之间或金属-化合物之间发生的放热反应在金属熔体中原位产生新的所希望获得的金属间化合物或陶瓷增强相,从而形成复合材料.4.4.3固-液界面导向的固-液界面法原位共晶生长法是共晶合金进行单向凝固时,通过合理控制固-液界面前沿液相一侧的温度梯度、固液界面的推移速度以及合金成分,使固-液界面以平面的方式向前推移并生长,以形成复合材料组织.该法制备简单,可实现近终成形,制备成本很低(接近于普通的合金材料),因而该法有可能转化为大规模产业化生产的工艺.所存在的问题是初生相的分布及形貌对基体有影响.5金属基材料的科学研究和应用5.1汽车工业使用复合材料汽车的轻量化、降低油耗和排放以及提高性能以保证安全是汽车工业发展的主要方向.为了降低油耗量,除改进汽车的设计、研制省油的发动机外,汽车车体的轻量化对于省油具有十分有效的作用.一般汽车每减轻1kg的重量,1L汽油可使汽车多行驶1.1m.汽车轻量化不仅能降低油耗,还能减少轮胎磨损,延长汽车使用寿命.美国在汽车工业大量使用复合材料,如1981年用在小轿车上为10万t,1987年达18万t;1982年,载重汽车使用复合材料3.4万t,1987年达5.4万t.美国研制的全塑复合材料结构汽车与钢结构相比,每辆汽车重量减轻570kg,可节约燃油耗25%.降低油耗的主要方法就是降低车重,由于MMCs高的比强度、比模量、良好的耐磨性和热强性以及低的线膨胀系数,可望在汽车工业中起到提高效率、延长寿命、增强安全性和净化环境等重要作用.从汽车工业的成本考虑;金属基复合材科以采用非连续纤维或短纤维、晶须、颗粒加强为好.5.1.1复合材料的生产内燃发动机活塞由于在高温高压下工作,服役条件十分恶劣,随着发动机功率的提高和活塞工作寿命的延长,普通的铝合金活塞难以满足要求.现在通常采用镶奥氏体铸铁环的方法来提高活塞环槽部位的耐磨性.复合材料与基体合金相比,其高温强度和抗热疲劳性能明显提高,并具有较低的线膨胀系数,这些性能对提高活塞使用寿命、降低油耗和废气排放量;提高发动机功率具有极其重要的意义.随着复合材料制备技术的发展及性能的不断提高,用陶瓷纤维(包括短纤维和晶须)增强铝基复合材料代替奥氏体铸铁环具有更突出的优点.铝基复合材料的耐磨性已达到使用的最好材料Ni-resist铸铁的水平,而制成活塞和活塞环后重量大大减轻,这对提高发动机功率十分有利.日本丰田汽车公司从1983年开始生产这种活塞,现已商业化大量生产,1988年的产量为240万件.日本和西欧诸国也正致力于发展各种类型的铝基复合材料.日本的丰田汽车公司是最早用浸渗法制造陶瓷短纤维局部增强铝活塞获得成功的,年产量已在10万只以上.这种方法是预先把增强物用适当的粘结剂粘结,做成预制件,放入压型,浇入铝熔液后立即加压,使铝液渗入预制件的间隙,这样在凝固后就得到所要求的铝基复合材料.1983年日本丰田汽车公司用这种方法制成铝基复合材料局部增强活塞.汽车采用MMCs材料最先是为了改进发动机活塞的强度和耐磨性.日本工艺金属公司用短纤维增强活塞顶部环槽,每月生产10万只活塞.1983年丰田汽车公司用陶瓷纤维增强通过压力铸造生产活塞,表现出更高的耐磨性和抗咬合能力.碳化硅颗粒或晶须增强铝也正在试用制造汽车发动机活塞,由于它的耐热性、耐磨性和强度均佳,所以在活塞头部局部采用复合材料制造的柴油机活塞有广阔前景.5.1.2连续纤维增强的铝基复合材料缸套汽车材料的开发以及增加汽车零件国产化率对于提高轿车工业发展水平具有特别重要的意义.70年代由国际镍公司研制石墨铝基复合材料用以代替铸铁缸套,提高了耐磨性、抗咬合性、自润滑性和功率,降低了线膨胀系数和油耗,改善了导热性.本田公司批量生产碳短纤维增强的铝合金缸套,减轻了重量,改善了冷却特性,减小了发动机尺寸.用本田公司开发的连续纤维增强的铝基复合材料缸套取代铸铁缸套,不但达到减重的目的.而且能够减小气缸的变形,提高气缸和活塞的耐磨性.这种缸套在汽油机缸体中已大量使用,目前正在开发铝基复合材料制造的柴油机缸体.另一个很有名的MMCs应用实例是本田公司在发动机缸体的缸套采用FRM取代传统的铸铁缸套,采用从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,其中含纤维体积为12%~15%.5.1.3增强铝锂材料基复合铸造透射电导能产业链目前,主要汽车厂都在考虑变换连杆材料以代替传统的连杆.本田公司用压铸工艺批量生产不锈钢纤维增强的铝合金复合材料连杆.美国杜邦公司和克莱斯勒汽车厂合作开发出刚玉纤维增强铝锂合金基复合铸造的汽车连杆,其重量轻、强度好.抗拉强度达560MPa,而膨胀系数小,这对提高发动机效率是极为有利的,其刚度、强度和疲劳极限都能满足高性能汽车的材质要求.克莱斯勒公司透露,MMCs连杆在四缸发动机中服役已超过1×107次循环,该连杆由铝基复合材料制造.本田研究开发中心开发了一种不锈钢加强的铁合金连杆,重量减轻30%,应用在家庭小汽车上,提高了发动机功率和燃料经济性能.5.1.4金属元素和铝合金金属基复合材料制动鼓传统用铸铁制造,由于铸铁比重大、导热性差,很早有人想用铝合金代替,但由于耐磨性达不到要求而没有成功.用碳化硅颗粒增强的铝合金金属基复合材料可以解决这个问题,重量比铸铁轻50%~60%,使惯性力、油耗和噪音都得到下降,磨损少而导热性比铸铁提高5~7倍.5.1.5大旅游车复合材料的应用用20%Al2O3颗粒增强的铝基复合材料代替钢制造传动轴,比模量提高35%,动态稳定性也增加了,90年代后期大量应用于卡车和大旅游车.5.1.6自润滑轴承材料石墨/铝复合与巴氏合金摩擦因数相当,而制作部件后重量可减少1/2,从而可节省许多金属,所以它是轴瓦的换代材料.碳钢复合材料同样可以作为自润滑轴承材料;铝/石墨复合材科目前也有较多的研究,在中等载荷及润滑条件下可代替铜基及锡基合金.5.1.7复合材料复合材料在车载汽车上的应用1984年,碳纤维复合材料已用于制造赛车的主动轴、弹簧、发动机盖、离合器摩擦片、支架推杆、制动盘及其轴承、门框和保险杠支撑等.复合材料在高性能轿车车身方面的应用也有所研究,1984年奥迪公司生产了200多辆的Sports-Quattro汽车,几乎所有的车身零件都使用复合材料层压板.Polimotor公司已用石墨纤维增强的复合材料制造了连杆、推杆、机体、活塞等汽车零件.Yamaha公司采用快速凝固的Al粉与SiC颗粒混合,用粉末冶金法作摩托车发动机部件等.5.2材料和吸波材料复合材料具有高的比强度和比模量,同时又具有近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性,已成功地用于人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜和照相机波导和镜筒、红外反射镜、人造卫星抛物面天线等.在航空工业方面,NASA的LEWIS研究中心正在开发用金属基复合材料制造航空用先进燃气涡轮发动机.美国DWA特种复合材料公司用25%SiCp/6061Al复合材料代替7075A1制造航空结构导槽、角材.某些新型教练机复合材料占25%~40%、新型战斗机的复合材料占40%~50%、新设计与制造的垂直起落战斗机则选用60%~65%的复合材料.军用飞机由于大量采用复合材料可减轻重量35%以上.重量更轻、刚度更好的结构复合材料用于航天飞行器;福在克飞机公司用它成功地制造了F-27型飞机的下机翼蒙皮,比使用7076-T6铝合金减重25%.吸收雷达波材料用于制造飞机、舰艇和导弹.既具备高的强度和刚度,又能吸收电磁波,这种结构及隐身多功能材料的设计制造如下.1)采用由铁氧体粉末、羰(碳氧)基铁粉、铁粉、镍粉、碳黑、石墨、碳化硅等组成复合吸波剂;2)提高吸波剂的细度,采用超微细粉末配制吸波涂料;3)对吸波涂层进行计算机辅助设计.5.3sicp增强的铝基复合材料在惯性导航器件中的应用NbC弥散强化铀基复合材料的导电率达到85%IACS,是制作电刷的理想材料,而且可以在大电流和高温下正常工作.利用SiCp增强的铝基复合材料替代铍合金制造惯性导航器件.在光学仪器方面,美国亚利桑那大学研制了一种超轻型空间望远镜,采用SiCp增强铝基复合材料制造支承和副镜,不仅大大减轻了重量,通过控制SiC的含量还可使复合材料的膨胀系数与反航涂层相匹配,并在很大的温度范围内均能保证理想的尺寸稳