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1、金属基复合材料的发展现状及展望摘要摘要：对金属基复合材料的发展史、种类、制备工艺、性能、用途、前景展望进行了综述,阐述了国内外研究现状,提出了金属基复合材料研究中存在的问题,探讨了金属基复合材料的研究方向。关键词关键词：金属基复合材料;增强相;基体材料;复合材料制备;颗粒增强法;纤维增强法;复合材料分类;复合材料性能1金属基复合材料的发展 金属基复合材料是多功能复合材料的一种。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。金属基复合材料有着悠久的历史,在土耳其发现的公元前 7000 年的铜锥子,在制造过程中经过反复
2、锤打与拓平,非金属夹杂物被拉长11,从而产生类似纤维增强的效果。近代金属基复合材料的研究始于 1924 年 Schmit22关于铝 氧化铝粉末烧结的研究工作。在 30 年代,又出现了沉淀强化理论33,并在以后的几十年中得到了很快的发展。到 60 年代,金属基复合材料已经发展成为复合材料的一个新的分支。到 80年代初,日本丰田公司首次将陶瓷纤维增强铝基复合材料用于制造柴油发动机活塞,从此金属基复合材料的研制与开发工作得到了异乎寻常的发展。土耳其的 S.Eroglu 等人用等离子喷涂技术制得了 NiCr-Al 等功能梯度涂层。目前,尽管在制造成本和工艺上存在很大的问题,但金属基复合材料已经引起有关
3、部门的高度重视,特别是航空航天部门推进系统使用的材料,其性能已经达到了极限。因此,研制工作温度更高、比刚度和比强度大幅度增加的金属基复合材料,已经成为发展高性能结构材料的一个重要方向。1990 年美国在航天推进系统中形成了 3250 万美元的高级复合材料市场,年平均增长率达 16%,远高于高性能合金的年增长率 116%。2 金属基复合材料的分类 金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料;后者需显微观察分辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。金属基复合材料一般分为铝基、镁基、钢基、铁基及铝合金基复合材料等。按增强相形态的不同分为颗粒增强
4、金属复合材料、晶须或短纤维增强金属基复合材料及连续纤维增强金属基复合材料。3 制备工艺金属基复合材料的制备工艺较复杂,主要是金属熔点较高,需高温下操作;同时不少金属对增强体表面润湿性很差,甚至不润湿,加上金属在高温下很活泼,易与多种增强体发生反应,通常需向熔体中加入能增加润湿性的活性元素或对陶瓷颗粒进行预处理。虽然已经研制出不少复合工艺,但各自存在一些问题。本文根据增强相的不同,分别阐述颗粒增强和纤维增强的制备方法。 3.1 颗粒增强金属基复合材料的制备方法根据制备过程中基体的温度可将制备工艺分为液相工艺、固相工艺和液-固两相工艺44。针对不同工艺可以分出不同的制备方法。 (1)液态金属/陶瓷
5、颗粒搅拌铸造法 搅拌法制备 PRMMCs,通过机械搅拌在熔体中产生涡流引入颗粒。还可采用其他方法引入颗粒,如离心铸造法、气流喷射分散法及零动力工艺等。许多研究者多采用此法制备了铝基复合材料;结果显示对 SiC 颗粒进行预处理有利于制备 PRMMCs55。采用涡流法制备了 SiCp/2L108 复合材料,其颗粒分布均匀。熔体浸渗工艺包括压力浸渗和无压浸渗。利用惰性气体和机械装置作为压力媒体将金属熔体浸渗进多气孔的陶瓷预制块中,可制备体积分数高达 50%的复合材料,随后用稀释的方法降低体积分数。这种方法被广泛用于制造 Toyota 发动机活塞。但缺点是预制块的变形、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗大和界
6、面反应等。(2)固相工艺 PM 法 PM(粉末冶金)法是最早开发制备 PRMMCs 的工艺之一，一般包括混粉、冷压、除气、热压和挤压过程。它的优点是任何金属都可以作为基体材料;可以使用非平衡合金,如快凝合金和快淬粉末制备大体积分数的复合材料;最大限度地提高材料的弹性模量,降低热膨胀系数。缺点是复杂的生产过程,产品的形状受到限制,生产成本高等,很难在生产中获得广泛的应用。在短时间内利用高电能和机械能快速固结金属-陶瓷混合物,短时快速加热可以控制相转变和显微结构粗化,这是通常其他工艺不能达到的高能高速工艺66实质上也是一种 PM 工艺。 (3)流变铸造法 流变铸造法是对处于固-液两相区的熔体施加强
7、烈搅拌形成低粘度的半固态浆液,同时引入颗粒,利用半固态浆液的触变特性分散增强相,但存在搅拌工艺的问题。(4)喷射沉积技术 喷射沉积技术最初是 Singer 开发的,由 OspreyMetals 公司投入生产应用77。它是在雾化器内将陶瓷颗粒与金属熔体相混合,随后被雾化喷射到水冷基底上形成激冷复合颗粒,需进行固结能制成大块复合材料。Cuptaletal88采用 VCM 制备了体积分数为 20%的 SiC/Al-Li 复合材料。该技术优点是基体组织属于快凝范畴;陶瓷颗粒与金属熔滴接触的时间极短,界面化学反应能有效控制;控制工艺气氛可以最大地减少氧化;适合任何基体/陶瓷体系。 3.2 纤维增强金属基
8、复合材料的制备方法 FRM(纤维增强金属)的制造方法有固相扩散结合法、粉末冶金法、铸造法及定向凝固法等几大类99。 (1)真空铸造法 用真空铸造法制造 FRM 时,先把连续纤维缠绕在绕线机上,用聚甲丙烯酸等能加热分解的有机高分子化合物粘结剂制成半固化带,再把数片半固化带叠加在一起压制成预成型体。把预成型体放入铸型中,加热到 500使有机高分子分解去除。铸型的一端浸入基体金属液中,另一端抽真空,将金属液吸入铸型内浸透纤维,待冷却凝固后从铸型内取出。 (2)加压凝固铸造法 该法是将金属液浇注铸型后,加压使金属液在压力下凝固。金属从液态到凝固均处于高压下,故能充分浸渗、补缩并防止产生气孔,得到致密铸
9、件。铸、锻相结合的方法又称挤压铸造、锻铸法。加压凝固铸造法可制造较复杂的异型 MMC 零件,亦可局部增强。在熔融状态于压力下复合,故结合十分牢固,这种高温下制成的复合坯,二次成型比较方便,可实施各种热处理,达到对材料的多种要求。 (3)压铸法 压铸法是把金属液压射到铸模内,在压力下凝固的方法。所面临的实际问题是如何把纤维加到金属液中,还有随静止时间加长,纤维或上浮或沉淀,难于在铸型内均匀分布。(4)半固态复合铸造法 此法是从半固态铸造法发展而来的。可将流变铸造锭重新加热到所要求的固相组分的软化度,送到压铸机中压铸,由于压铸时浇口处的剪切作用,可恢复其流变性而充满铸型,此法称作触变铸造，可使润湿
10、性改善,促进界面结合。 (5)定向凝固 FRM 按其制法可分为两大类。一类是将纤维掺入基体中的人工合成法;另一类是使纤维在基体中生长出来,得到原位型复合材料。该法是把熔融共晶成分或近共晶成分的合金以大的温度梯度及适当的冷却速度按一定方向凝固,第二相金属间化合物就按一定的方向长成晶须状,得到晶须增强金属。(6)离心铸造法 该方法是将增强体颗粒或短纤维预先置人离心机内,靠离心力甩出预成型套,然后浇人液态金属,利用增强相与基体密度不同,而得到复合材料,但是该方法还存在增强体在基体中分布及界面问题。4 性能4.1 结构性能 强度和刚度是结构应用的两个最重要的特性。轴向性能，石墨环氧复合材料 Gr 的比
11、强度和比刚度远高于其它材料，Ti 和 Al 的次之。平面增强的 Gr 是准各向同性的，且 Gr 比钛基复合材料廉价，比其它 MMCs 易得，注定了它是最大单向结构效率的首选材料。典型的结构件必须承受多向载荷，因此单向复合材料的应用受到限制。非连续增强 MMCs 的比强度和比刚度适中，易于获得，是最具竞争力的结构材料。结构应用一般还有其它的一些需求，比如：承载强度高，抗苛刻环境，抗除气作用，导热性能好，耐磨，尺寸稳定性高，抗冲击、腐蚀性能好，抗燃，可高温应用。在这些方面，MMCs比有机基体的复合材料好得多。 断裂性能对结构应用来说也至关重要闭。MMCs 越来越多地应用于那些断裂敏感的场合，并被实
12、践证明完全可以满足使用要求。通常，增强体分布均匀、尺寸合适，有利于提高断裂性能。增强体的体积分数对断裂性能的影响也很明显。尽管当 Vf25时，只要严格控制颗粒的尺寸、形状和分布，便能获得更好的性能，但是，目前 DRA应用于断裂敏感场合时，通常会限制 Vf20。 4.2 热学管理性能 热学管理是 MMCs 的一项很重要的应用，应用范围很广，包括计算机处理器的芯片基片，功率半导体设备和远程通信中的微波元件封装。高的热导率是首要的性能，比热导率是运动系统中组件的一个非常重要的性能。CTE 是热学管理中第二重要的性能。作为电子封装材料，必须介于 4*10-6K 到 7*10-6K 之间。以达到与半导体
13、材料和陶瓷基片的 CTE 相匹配，从而避免在这些关键区域的残余应力集中。在热学管理方面表现最好的材料应是 CTE 介于 4*10-6K 到 7*10-6K 之间，并且还有高的热导率。 Kovar 合金因其 CTE 适中而常被使用，但它的高密度和低热导率是很大的缺点。Cu/W 和 Cu/Mo 复合材料或者 A12O3 和 SiC 都具有更好的性能。尽管 Al 的比热导率比其它的所有金属材料都高，但是由于它的 CTE 太大，仍然没有优势。SiC 提供了较低的CTE 并且热导率加没有明显的降低，在 Vf50时,SiC 非连续增强的 Al 基复合材料的CTE 与半导体材料和陶瓷基片匹配的相当好。在热学
14、管理材料中，只有 Be/BeO 的性能超过了 Al/SiC,但是由于危害健康和高成本限制了 Be/BeO 的应用。在考虑 CTE 和比热导率的同时再考虑到成本和健康因素，Al/SiC,无疑是最佳的热学管理材料,目前在这个产业中得到了广泛的应用。 4.3 用于精密装置的性能 像磁盘驱动器、录像头、原子力显微镜的载物台、机械臂、惯性引导系统、人造卫星天线、高速制造设备和推进系统，在运行时承受很大的热梯度和机械应力的同时还要保持严格的尺寸公差。对机械变形的抗力取决于材料的特性，比如刚度和密度，还有组件的几何形状和承受载荷的方式。 单向增强的 Gr 具有最好的抗机械变形能力，平面增强 Gr 稍逊一畴。
15、但是 Gr 的热导率很低，抗热变形的能力很差。陶瓷材料、金刚石和 Be 全具有出色的性能，但是它们较差的断裂性能和 Be 对健康的危害限制了这些材料的应用。加入到金属合金中的陶瓷颗粒只适度降低了热导率，引起了密度的轻微改变，却大大增加了材料的刚度。因此，MMCs 比没有增强体的基体合金具有更高的抗热变形和机械变形能力。作为一类材料，DRA 的抗变形能力超过了其它所有常用的结构金属材料。连续增强的铝基复合材料也可以制得，并且有极高的性能，只是成本很高。 4.4 耐磨性能 耐磨性能是 MMCs 的众多性能中很重要的一项。硬质增强颗粒的加入从本质上增强了基体金属的耐磨性能。并且加入的某些增强体，比如
16、石墨、WS2、MoS2 有自润滑的作用。MMCs 在工程上用来提供出色的耐磨性能。MMCs 适于作耐磨材料，性价比更高，经济性能更好。5 用途5.1 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 复合材料用于飞机的机体结构上,零件重量减小了 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。5.2 汽车工业的应用一个国家重要的标志性产业之一是汽车工业。金属基复合材料在汽车生产上主要用于制造活塞以及其他汽车零部件。例如本田公司在发动机缸体的缸套采用了 FRM1010,替换了传统的铸铁缸套,它用 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
