金属基复合材料的表面复合技术.

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1、 *复合材料是由两种或两种以上不同性质 或不同形态的原材料，通过复合工艺组 合而成的材料，它既保持了原组分材料 的主要特点，也具备了原组分材料所没 有的的新性能的一种多相材料。 *金属基复合材料是以金属为基体，以纤 维、颗粒、晶须等为增强材料，并均匀 地分散于基体材料形成的两相或多相组 合体系的材料体系，而用于制备这种复 合材料的适当方法称为复合材料的制造 技术。 *金属基复合材料起步于上世纪60年代初期。 当时由于受到增强纤维品种少的限制，仅发 展了硼纤维增强铝、钛等少量品种。多沿用 树脂基复合材料的成型方法，如铺层工艺和 缠绕工艺。生产的复合材料，价格高昂（如 硼-铅复合材料的价格约为热轧

2、钢的1860倍 ），仅限于用在航空航天上。 *80年代中期，长纤维增强、短纤维增强、晶 须增强、颗粒增强金属基复合材料以及多种 增强材料（硼、碳、碳化硅、碳化钛、硼化 钛、氧化铝等）、多种基体材料（钢、铝、 钛、镁、锌等）、多种复合方法开始较为全 面的发展。 由于金属基复合材料体系很多，各组分的物理 化学性质差别很大，复合材料的用途也有很大 差别，所以复合材料的制造方法也是千差万别 的。按制造技术金属基复合材料可分为： *、固态制造技术 *、液态制造技术 *、表面复合技术 *物理气相沉积(Physical Vapor Deposition， PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法， 将材料

3、源固体或液体表面气化成气态原子 、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或 等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊 功能的薄膜的技术。 *PVD分为真空蒸发、溅射和离子涂覆三种，是成 熟的材料表面处理的方法，后两种也曾在实验 室中用来制备金属基复合材料的预制片（丝） 。 物理气相沉积技术基本原理可分三个工 艺步骤： *(1)镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅 射，也就是通过镀料的气化源。 *(2)镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源 供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种 反应。 *(3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积。 *在日本曾用离子涂覆法制备碳纤维/铝基复合材料预制片 *CVD

4、是传统的制备薄膜的技术，其原理是利 用气态前驱体，通过原子、分子间化学反应 ，使得气态前驱体中的某些成分分解，而在 基体上形成薄膜。 *CVD包括常压化学气相沉积、等离子体辅助 化学沉积、激光辅助化学沉积、金属有机化 合物沉积等 *作为化学气相沉积用的原材料硬是在较低温 度下容易发生挥发的物质，这种物质在一定 的温度下比较稳定，但能在较高温度下分解 或还原，作为涂层的分解或还原产物在作业 温度下是不易挥发的固相物质。 *大多数基体金属只能通过它们的有机化合物 作为材料源。这些有机化合物有铝的有机化 合物三异丁基铝，价格昂贵，在沉积过程中 的利用率较低,。 *CVD可用来对纤维进行表面处理，涂覆

5、金属镀 层、化合物涂层和梯度涂层，以改善纤维与 金属基体的润湿性和相容性， 美国的Ultramet公司用MOCVD法制备的铂族金属涂 层（铱层）可解决金属材料（钼或铼）的抗氧化 *不同于PVD，CVD方法沉积的涂层与金 属基体间是原子间的堆积，不纯物一 般小于0.1%，结合力高，所用的设备 相对PVD较简单，但沉积温度一般较高 （少数600，一般在900-1200）。 *热喷涂法包括等离子体喷 涂法和氧乙炔焰喷涂两 种，制造金属基复合材料 主要采用等离子体喷涂法 。等离子体喷涂是利用微 波、灯丝、射频等激励等 离子体产生等离子体弧的 高温将基体熔化后喷射到 增强纤维基底上，冷却并 沉积下来的一

6、种复合方法 。基底为固定于金属箔上 的定向排列的增强纤维。 *等离子体喷涂装置原型最早是由德国人在20年代提出的， 只是当时人们对如此高的温度不感兴趣而未达到实用化。 *直到50年代，随着以受控核聚变反应为目的的等离子体物 理的研究，启动了对等离子体种种应用领域的探索。 *60年代开始，等离子喷涂跨入了实用性阶段，日本在1964 年发表了“等离子体射流喷涂研究”论文；1965年有了“等 离子体射流喷涂Ni-Cr-Si-B合金”的报告；1970年又发表了 “等离子体射流喷涂氧化铝、氧化锆”的研究结果 等离子喷涂的发展 *等离子体喷涂适用于直径较粗的单丝纤维（如B、 SiC纤维）增强铝、钛基复合材

7、料制片的大规模生 产；对于纤维束丝，需先使纤维松散，铺成只有 数倍纤维直径厚的纤维层作基底。 *基本原理：利用等离子体将增强颗粒与基体金属 的混合粉末中的金属粉末熔化，并与增强颗粒一 起喷射到衬板上，固化后分离获得复合材料。 *电镀就是利用电化学原理，在直流电场作用下将金属从 含有其离子的电解液中分解后沉积在工件（增强材料， 一般为纤维）表面上的过程。 *化学镀是在水溶液中进行的氧化还原过程，溶液中的金 属离子被还原剂还原后沉积在工件上，形成镀层。 *复合镀是通过电沉积或化学液相沉积，将一种或多种固 体微粒与基体金属一起均匀沉积在工件表面上，形成复 合镀层的方法。一般在水溶液中进行，温度一般不

8、超过 90，颗粒选用范围很广，除陶瓷颗粒（如SiC、Al2O3 、TiC、ZrO2、B4C、Si3N4、BN、MoSi2、TiB2）、金刚石 和石墨外，还可选用易受热分解的有机物颗粒，如聚四 氟乙烯、聚氯乙烯、尼龙。 *复合镀法还可以同时沉积两种以上不同颗粒制成的 混杂复合镀层。如同时沉积耐磨的陶瓷颗粒和减摩 的聚四氟乙烯颗粒，使镀层具有优异的摩擦性能。 *复合镀法主要用来制造耐磨复合镀层和耐电弧烧蚀 复合镀层。常用的基体金属有镍、铜、银、金等， 金属常用常规电镀法沉积，加入的颗粒被带到工件 上与金属一起沉积。 *Ni-P合金为基质加入不同 特性的粒子可是镀层具有 不同的优良性能，加入高硬度的

9、SiC、Al2O3可以得 到高硬度的复合镀层，加入BN、PTFE、MoS2等润滑 剂可以得到具有良好润滑性的复合镀层。 其他工艺条件为：pH3.8-5.4，施镀时间150 min， 搅拌速度240 r/min。 施镀温度为90，表面活性剂质量浓度为60 mg/L时，化复合镀NiPSiCMoS2镀速最 大，镀层与基体的结合力强度较好，镀层显 微硬度可达到684HV *采用含有纳米氧化铝（n-Al2O3）颗粒的镍基复合 电刷镀液，在45号钢试样表面制备纳米颗粒复合 刷镀层。所用纳米颗粒材料的粒径为30-50 nm， 在镀液中含量为20 g/L。 *采用化学与机械法使纳米颗粒在镀液中分散。复 合刷镀

10、层制备工艺参数为：刷镀电压为12V、阴阳 极间的相对移动速率为10 m/min。 *从图中可以直观的看出，n- Al2O3颗粒在复合电刷镀镀 层中均匀弥散分布，无明显 团聚现象。复合电刷镀镀层 中纳米颗粒的均匀弥散分布 有利于提高镀层的力学性能 。 镀层中纳米颗粒的分布 *由表1分析 ，加入纳米 颗粒后，镍的劲歌常数 变小，即晶格发生了一 定量的畸变。 由于Ni金属是面心立方 结构，根据n-Al2O3/Ni 和纯Ni电刷镀层XRD衍射 峰位置和半高宽的变化 ，计算两种镀层中Ni的 晶格常数，结果如表1： *由图a可以看出，基质Ni金属原 子排列规则，但其中存在大量的 空位（如虚线圈曲域所示）。

11、 *有图b可以看出，不同微区原子 的规则排列方向存在差异和错排 现象，并且在原子规则排列的微 区之间存在非规则排列的微小区 域（尺寸为几纳米），这表明， 晶态基质Ni金属在微区的结晶方 向存在差异，并且基质Ni金属中 存在非晶微小区域和大量位错。 这些组织结构可以阻碍金属变形 ，有利于提高复合电刷镀层的力 学性能。 *金属基复合材料（MMCs）的应用开发，在很大程 度上取决于材料制造技术的难度和成本。因此， 研究发展有应用意义的制造技术一直是最重要的 课题。金属基复合材料的应用正从航空、航天领 域大量进入一般工业和民用领域，如能源、石油 、化工、汽车、工程机械、电子等。金属基复合 材料的制造技术仍在不断改进和发展,必将是多 学科、多种技术相结合的综合过程。