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1、金属基复合材料原位反应制备 1 复合材料 由两种或两种以上异质、异形、异性 原材料组合而成 保留原组分特性 新性能、 可设计性 基体、增强体、界面 1 2 金属基复合材料 铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、 金属间化合物基 结构复合材料： 高比强度、高比模量、尺寸稳定、耐热性能。 航空、航天、电子、汽车、先进武器等高性能结构件。 功能复合材料： 电、磁、热、声、阻尼、摩擦等性能。 电子、仪器、汽车、航空、航天、武器等领域。 2 3 金属基复合材料性能特点 高比强度、比模量：高强度、高模量、低密度的纤维、晶须或颗粒增强 构件质轻、刚性好、强度高，航空航天技术理想的结构材料。 导电、
2、导热性好：降低膨胀系数的同时保持金属特有的导电、导热性 减小构件受热后温度梯度，保证高集成度的电子器件尺寸稳定、可靠性（超 高模量石墨纤维、金刚石纤维增强铝基、铜基复合材料热导率比铝、铜还高；良 好的导电性防止飞行器构件产生静电聚集。 膨胀系数小、尺寸稳定性好：采用膨胀系数小的纤维、晶须、颗粒增强 如石墨纤维具有超高模量、负的热膨胀系数； 选择不同增强物及含量，可 得到不同膨胀系数的复合材料。如零膨胀系数复合材料不发生热变形，对人造卫 星构件特别重要。 3 4 良好的高温性能：金属基体本身高温性能较好、高温性能更好的增强体 如钨丝增强耐热合金1100100h高温持久强度可达207MPa；石墨增
3、强铝 合金500 强度600MPa。 用于发动机等高温零部件，可大幅度提高发动机性能和效率。 耐磨性好：耐磨性好的陶瓷颗粒复合金属材料。 如SiCP/Al用作汽车发动机、刹车盘、活塞等，显著提高性能、寿命。 良好的疲劳性能和断裂韧性：良好界面有效传递载荷、阻止裂纹扩展 如C/Al疲劳强度与拉伸强度比可达0.7。 不吸潮、不老化、气密性好：金属基体本身性能 空间使用不会分解出低分子物质，污染仪器和环境。 4 5 一、原位反应合成及特点 根据材料设计要求，选择适当反应剂（气、液或粉末固相），在制 备过程中通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体内 原位生成一种或几种增强体。 增强体在金
4、属基体中原位形核、长大，增强体表面无污染，与基体 相容性好，结合好。 工艺特点 通过合理选择反应元素（或化合物）的成分、含量，可有效控制增 强体种类、大小、分布和数量。 工艺简单、成本低； 复合材料强度、弹性模量可大幅度提高。 5 6 二、原位铝基复合材料的制备 1. 气-液复合技术 利用气体与铝熔体直接反应，生成所需的增强体。如利用O2、N2或含 氮气体与铝反应，生成Al2O3、AlN等陶瓷颗粒。增强颗粒细小，分布均 匀，与基体结合牢固。但此法难以控制增强体含量，且易形成加渣和气孔。 2. 固-液复合技术 将反应物粉末与铝合金熔体混合，使加入的粉末与铝合金中的成分反应 或自行分解，形成均匀弥
5、散的增强体。成本低，复合材料组织细密。 固体粉末加入铝熔体、铝液渗透到固态预制件中。 形成：铝化合物(Al2O3等)、金属间化合物(Al-Ti、Al-Ni、Al-Zr、 Al-Fe等) 如：将Al2(SO4)3粉体加入铝熔体，粉末分解形成Al2O3增强相，生成的SO3 起精炼、除气作用； 将Fe3O4粉末加入Al-5%Mg合金液中， Fe3O4与Al反应生成Al-Fe金属间 化合物增强体，伴生形成的Al2O3微粒起弥散强化作用。 6 7 3. 固-固复合技术 将一种或几种粉末与铝合金粉末在保护性气氛或真空中机械合金化，反应 形成含有增强相的复合粉末，然后采用粉末冶金方法压制、烧结，或再经塑 性
6、变形，制备铝基复合材料产品或零部件。 如：将纯Fe粉与Al合金粉末混合，进行机械合金化，制备Fe3Al与Al合金 混合粉末，然后压制烧结或挤压成复合材料。 7 8 三、原位铜基复合材料的制备 航空、航天、微电子等高技术的迅速发展，要求铜材不 仅具有良好的导电性、导热性、弹性极限和韧性，而且还 要求具有较好的耐磨性、高温强度、较低的膨胀系数，铜 合金难以兼顾，满足这些条件需采用铜基复合材料。 8 9 1. 液相反应原位生成法 将两种或两种以上的金属流以涡流状混合，产生 化学反应形成弥散相，弥散相颗粒可细化至50nm。 由于第二相在凝固过程中形成，避免了表面污染和 氧化，不存在人工复合中界面润湿和
7、化学反应问题 。 易于同连续铸造等技术结合，性能好，成本低。 如：采用Cu-Ti、Cu-B双熔体混合，制备5%TiB2 铜基复合材料。TiB2 熔点高、硬度高、弹性模量 高、化学稳定性好、抗腐蚀性能好，导电、导热。 9 10 2. 固相反应生成法 局部引燃粉末体，燃烧波通过粉体自蔓延合成； 迅速加热粉末体，合成反应在整个粉末体内同时发生。 常先制得颗粒含量很高的中间复合材料，然后与金属混合重熔， 得到需要颗粒含量的复合材料。 采用此种方法制备的铜基复合材料还有Cu-ZrB2- ZrN、 Cu-TiB2 等。 10 11 3. 反应喷射沉积法 液态铜合金通过特殊的喷嘴雾化，在高温下与气氛中成分发
8、生化学反 应，生成增强体，与合金共同沉积到衬底上，凝固得到铜基复合材料。 增强体细小、分布均匀、无宏观偏析，工艺简单，效率高，可继续塑 性加工。可制备棒、板带、管材等。 可制备SiC、Al2O3、TiC、Cr2O3、石墨等增 强的铜基复合材料。 如：用含O2 气的N2 气进行气氛保护，利用N2 气中的O2 使Al 择优氧化反应生成Al2O3 增强 颗粒, 在基底上沉积冷却后形成Cu-Al2O3 复合 材料。 11 12 4. 反应机械合金化 利用机械合金化诱发各种化学反应，制备铜基复合粉末，再经固结 成形和热加工制备所需的铜基复合材料。 可得纳米级难熔增强体（NbC、TiC、MoC、NbB、T
9、iB2、ZrN）； 体系储能高、降低致密化温度； 超细的增强体抑制基体相再结晶和晶粒长大。 如：利用此法制备出了5-15nm TiC、TiB2增强的铜基复合材料，在保 持高导电性能的同时，具有优异的力学性能和热稳定性； 将TiO2+B2O3+Cu粉+Al粉机械合金化、热压成形制备的（ TiB2+ Al2O3）增强铜基复合材料，在电焊电极（强大电流、高温性能、导 热）上已投入使用； 将ZnO+ CuO+Cu粉+Al粉机械合金化可制备纳米Al2O3增强的黄 铜合金。 12 13 四、原位镁基复合材料的制备 镁合金： 高比模量、比强度，良好的阻尼性能、电磁屏蔽性能。 航天、航空、电子等领域应用前景广
10、阔。 强度、耐高温性能不足，限制了进一步应用。 镁基复合材料： 比强度、比高度更高；耐磨性、耐高温性能好，应用潜力更大。 原位复合镁合金： 颗粒小、表面清洁、相容性好、强化更强。 已原位合成TiC/Mg、Mg2Si/Mg 、（MgO Mg2Si）/Mg等 增强体： 尺寸、形状、弹性模量、强度、密度、热稳定性、膨胀系数、相容性等 TiC、TiB2、Mg2Si 、MgO 13 14 1. 机械合金化法 将反应物粉末置于高能球磨机，球磨过程中粉末受到强烈冲击，变 形、破碎、反应，得到含有增强体的粉末体，真空脱气、热压成形。 如：以Mg、Al、Si粉作为原料粉末可制备Mg2Si/Mg镁基复合材料，并
11、且高能球磨中形成Al17Mg12相； 以Mg、Al、Ti、B粉作为原料粉末，制备的TiN、MgB12颗粒增强 的镁基复合材料，抗弯强度达900MPa。 2. 混合盐反应法 将KBF4和K2BF6混合盐加入镁熔体，B、Ti被镁还原出来进而在镁 熔体中生成TiB2，形成的副产物进入熔剂，浇铸可得TiB2颗粒增强的 镁基复合材料。热力学计算表明混合盐之间不自发TiB2形成。 14 15 3. 反应浸渗法 将Ti、C粉末压制成坯，置于镁锭下方，之后一起加热至镁熔点以 上某温度，镁熔体浸渗到多孔预制块中，同时原位反应生成TiC颗粒。 此法适于制备高体积分数增强体（50%）的镁基复合材料。 4. 固-液反
12、应法 将SiO2加入镁或镁合金熔体，制备Mg2Si颗粒增强的镁基复合材料； 将B2O3加入Mg-Li熔体，制备MgO增强的镁基复合材料。 15 16 五、原位钛基复合材料的制备 钛及钛合金： 高比强度、比模量，耐腐蚀、耐高温、无磁性、膨胀系数低。 航天、航空、船舶、能源、医疗、化工等领域应用前景广阔。 钛基复合材料： 进一步提高比强度、比高度、耐高温性能好。 原位复合钛合金： 防止表面污染、相容性好、强化更强。 超高音速宇航飞行器、先进航空发动机材料； 导弹弹尾舵，替代不锈钢 密度小，高温强度、刚度显著提高； 导弹弹尾蒙皮 基体、增强体： 钛、钛合金、钛金属间化合物；TiC、TiB2 、TiB
13、 16 17 1. 熔铸法 液态钛合金化学活性极高，易与增强体发生反应。原位复合、保护气氛。 如：将石墨粉与硼粉的混合粉末放入钛合金锭（可钻孔），感应加热、 氩气保护、超声波搅拌，原位制备TiC、TiB2颗粒增强的钛合金。 2. 燃烧合成法 将钛、铝、硼粉末混合，原位燃烧合成TiAl-TiB2复合材料； 将钛、B4C粉末混合，原位燃烧合成Ti-TiB-TiC复合材料； 提高燃烧体密度： 燃烧反应的同时施压； 燃烧产物经热压、热挤压等 17 18 3. 燃烧合成-熔铸法 将钛、硼粉末混合，压成薄饼，然后与海绵钛一起熔化，原位制备 Ti-TiB2复合材料； 将钛、B4C粉末混合，压成薄饼，然后与海绵钛一起熔化原位制备 Ti-TiB-Ti2C复合材料。 18 19
