金属基复合材料

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1、金属基复合材料摘要：金属基复合材料的定义和分类。金属基复合材料综合了作为基体的金属结构材料和增 强物两者的优点，具有高的强度性能和弹性模量、良好的疲劳性能和低热膨胀系数等特点。 但其性能一致性差的问题制约了其应用，因此复合材料的性能设计受到了普遍的关注。本 文综述了基体、增强体、基体与增强体相容性、工艺、界面等因素对金属基复合材料性能 的影响。关键词：金属基复合材料分类影响因素研究引言金属基复合材料被誉为21世纪的材料，它兼有金属的塑性和韧性，以及其它材料如陶 瓷的高强度和高刚度，而且比重小，因此具有较高的比强度、比刚度和更好的热稳定性、 耐磨性以及尺寸稳定性等优点，从而在机械、汽车、航空航天

2、、兵器、电子等许多领域得 到了应用。尽管金属基复合材料在过去的30年里在世界范围内得到了广泛的研究和发展,但是还 没有在工业上得到广泛的应用，其原因主要在于它的成本高、性能低于期望值、相对较低 的稳定性和大的性能波动、不可回收利用、环境污染等几个障碍45目前在国内发展复 合材料，关键是要实现低成本、高性能、一致性好、稳定的制备技术和根据力学原理以及 使用者的期望设计出令用户满意的性价比的材料。这就涉及到复合材料的设计问题，而性 能决定了复合材料在工程上的应用，所以性能的影响因素一直是研究的热点。但是由于金 属基复合材料的强化机理不明确,至今在金属基复合材料的设计理论上还存在着较大的盲 印性。因

3、此对复合材料性能的影响因素的研究是一个使金属基复合材料走出低谷获得突破 的重要课题。一金属基复合材料定义金属基复合材料是以金属或合金为基体与各种增强材料复合而制得的复合材料。增强 材料可为纤维状、颗粒状和晶须状的碳化硅、硼、氧化铝及碳纤维。金属基体除金属铝、 镁外，还发展有色金属钛、铜、锌、铅、铍超合金和金属间化合物，及黑色金属作为金属 基体。金属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有高强度、高模量外，它能耐高温， 同时不燃、不吸潮、导热导电性好、抗辐射。二金属基复合材料的分类2.1按组成组分的类型分类：金属基复合材料MMC，有机材料基复合材料，无机非金属基复合材料2.2按分散材料的类型分类：

4、无机非金属增强材料，金属增强材料，有机纤维增强材料2.3按分散材料的形态和排布方式：颗粒状分散相复合材料，纤维状分散相复合材料。2.4按复合效果分类：结构材料一力学型复合材料，功能材料一功能型复合材料 颗粒增强金属基复合材料（PRM）：由于WC、TiC、TaC等颗粒硬度高，颗粒平均直径1mm以上，容积比高，主要是利用 颗粒本身的硬度和强度，基体是起把颗粒结合在一起的作用，故称为颗粒增强金属基复合 材料（PRMPRM）。 分散强化（DS）金属基复合材料：其强化相的平均直径小于0.10.1m，体积比仅占百分之几，由于强化相阻止基 体位错运动而强化基体 纤维增强金属基复合材料（FRM）：连续纤维增强

5、金属基复合材料：利用高强度高模量低密度的碳（石墨）纤维，硼纤维， 碳化硅纤维，氧化铝纤维，金属合金丝等增强金属基体组成高性能的复合材料。通过基体、 纤维类型。纤维的排布方向。含量方式的优化设计组合，可获得各种高性能。纤维是复合 材料的主要承载体，增强金属强度的效果明显。基体起固定纤维，传递载荷和部分承载的 作用。因纤维具有方向性，复合材料的性能具有各向异性，纤维轴向性能高于横向性能。 制造过程中要考虑纤维的排布、含量、均匀分布等，制造难度大，成本高。非连续纤维增强金属基复合材料：短纤维，晶须，颗粒为增强物。随即分布，各向性 能相同。非连续增强物的加入提高了热力学性能，弹性模量，降低热膨胀系数。

6、可以用常 规的粉末冶金、液态金属搅拌、液态金属挤压铸造、真空压力浸渍等方法制造，并可用铸 造、挤压。锻造、轧制、旋压等加工方法进行加工成型，制造方法简便，成本低廉。三 影响金属基复合材料的因素3.1基体的影响不同的基体对复合材料的抗拉强度、屈服强度、结合强度有较大的影响。但并不是基 体强度越高，复合材料的强度越高，而是存在一个最佳匹配。姜龙涛等、对AlN颗粒在不同 铝合金中的增强行为的研究表明，在低强度的L3纯铝上可以得到最大的增强率，而在高强 度的LY12合金上没有得到高的增强率，相比之下具有良好塑性和较高强度的LD2合金作为 基体时，具有较高的强度。而康国政等认为基体本身的强度较低时，复合

7、材料中基体的强 度将有较大幅度的提高，因此对基体本身强度较低的复合材料通过基体原位性能的大幅度 提高使复合材料抗拉强度的提高十分明显。这些研究都说明基体同增强体之间存在着优化 选择、合理匹配的问题。基体的合金化也对复合材料的强度有重要影响。Tsudo等探讨过铝合金成分对A12O3 颗粒增强铝基复合材料力学性能的影响。他们的研究表明Cu和Ni加到铝合金中，高温时抗 弯强度增加，增加Al的体积分数也能增加抗弯强度.另外稀土元素的加入也能提高复合材料的强度，如稀土 Ce的加入对基体起着强化作 用。但是稀土元素对复合材料具体的强化原因目前尚未有一致的结论。3.2增强体的影响增强体的加入可以通过对基体金

8、属的显微组织，如亚结构、位错组态、晶粒尺寸及材 料密度等的改变，改善和弥补基体金属性能上的不足。增强体的性质对复合材料的强度起 着至关重要的作用。加入增强体后，材料的抗拉强度和屈服强度都有所提高。增强体的主 要贡献是通过基体合金的微观组织变化实现的，另外它是载荷的主要承受者，其次它对位 错的产生，亚晶结构细化也起着重要的影响。例如SiCp/Al复合材料由于增强颗粒的加入，晶界面积增加，固溶处理时，基体内由 于热错配产生的位错，异号位错相互抵消，同号位错则经攀移排列成垂直于滑移晶面的小 角度晶界形成亚晶界，这样亚晶界面积也随之相应增加。由Hall-Petch关系式可知，晶界、 亚晶界的增加，基体

9、合金晶粒、亚晶结构和共晶Si颗粒细化，可在一定程度上提高复合材 料的强度。3.3基体和增强体相容性的影响基体合金与颗粒增强体之间的界面相容性也是一个必须重视的问题。尤其当采用铝合 金为基体时，界面上常出现氧化物元素富集等现象，有时界面上基体与增强体发生化学反 应生成新相，如A14C3、MgO或MgAl2O4。因此对于不同的颗粒增强体，为避免界面反应物 产生的危害，在保证复合材料性能的前提下基体合金的成分应有所调整。由于铝合金中的 不同溶质元素所引起的时效析出行为具 有一定的差异，颗粒增强铝基复合材料对基体的显微组织十分敏感。从这一角度出发，为 充分发挥复合材料的性能优越性，也必须选择合适的基体

10、合金12。此外，颗粒增强体的加入，导致了基体合金的微观组织发生显著的变化。主要体现为， 由于基体和增强体热膨胀系数（CET）的差别引起的错配应力在基体中诱发了高密度位错、 晶粒尺寸变化、残余应力（热错配应力）、时效析出组织等。这些微观组织的改变都会不 同程度地对复合材料的性能产生重要的影响。3.4工艺的影响不同的制备方法使得复合材料的性能有很大的差异。热处理工艺，例如淬火就能对复 合材料起到一定的强化作用。时效对复合材料也有明显的强化作用。二次加工对复合材料 的强度也有很大的影响。原位生成法制备的复合材料，由于原位增强相不仅尺寸非常细小（一般Vlum），而 且与基体有着良好的界面相容性,从而使

11、得这种复合材料较传统的外加增强相复合材料具 有较高的强度。高能球磨法使增强体颗粒弥散均匀分布于基体中，而常规混合法制备的复 合材料中存在增强体颗粒的偏聚现象。颗粒越均匀越有利于提高复合材料的强度。3.5界面的影响界面是复合材料中普遍存在且非常重要的组成部分，是影响复合材料行为的关键因素 之一。金属基复合材料宏观性能的好坏很大程度上取决于基体和增强体之间的界面结合状 况。而温度一时间引起的界面反应是金属基复合材料中大多数承载体不能发挥最佳性能的 主要原因之一。为了获得更高的强度，应该形成稳定的界面结合。界面结构与性能是基体 和增强体性能能否充分发挥，形成最佳综合性能的关键。金属基复合材料的界面结

12、构非常 复杂，有3种结合类型5种结合方式，而且界面区尺寸为纳米级，难以分析表征，很多问题 在理论上难以解释。为了兼顾有效传递载荷和阻止裂纹扩展两个方面，必须要有最佳的界 面结合状态和强度。目前有很多界面优化的方法，具体手段有：金属基体合金化、增强体表面涂层处理、 改变粘结剂及制备工艺和参数的控制等。四金属基复合材料的研究4.1金属基复合材料有效性能研究九十年代中期Povirk, Gusev等人就研究证明了可以用一个有限体积的代表体元来代 替整体复合材料，模拟其细观结构，从而建立复合材料的宏观性能同其组分材料性能及细 观结构之间的定量关系。随着计算机技术的高速发展，数值分析方法在复合材料力学分

13、析中成为不可缺少的工具，在做计算数值模拟时，建立合适的数学模型，是进行数值模拟 计算复合材料等效性能的基础。基于有限元法的多尺度等效性能计算是目前一种行之有效的研究复合材料细观结构 与宏观力学行为之间关系的重要方法。采用这种方法的前提是建立复合材料的有限元模 型，包括随机颗粒分布区域的几何建模和网格剖分，然后才能进行多尺度计算。对于复合材料等效性能计算的数值方法，国内外已经发展了名目繁多的各种数值方 法。一般来说，可以分为反分析法、直接分析法。其中反分析法实质就是根据现场观测结 果，来反演复合材料力学参数。反分析法主要依赖于材料程的实测位移、本构模型以及材 料参数的假定。由于现场观测资料的获取

14、受客观条件影响和对复合材料认识上的不足，往 往造成模型和材料参数假定与实际差异很大，因而该方法在实际应用中遇到了一些困难。 为此，人们试图选择另一种途径-直接分析法来预测复合材料的力学参数。由于离散元 元方法没有很好解决对复合材料离散后的计算结果的误差，因此基于离散单元法计算宏观 力学参数的研究较少目前主要是基于有限元法的数值分析法,其计算过程是首先建立颗粒 材料的统计模型，然后模拟出不同尺度的复合材料试件;这样得到的复合材料试件， 可以视为由基体和增强颗粒两部分组成，其力学参数可以在实验室分别确定，然后应用有 限元方法进行分析，进而得到颗粒统计力学参数即。这一方法计算结果的正确性取决于颗 粒

15、统计模型的正确性以及有限元算法的合理性，这一过程虽然有误差，但是误差不会比原 位实测更大。该方法的不足之处在于为避免尺寸效应，模拟不同尺度试件时，增加了计 算成木，并且当计算尺度增大时，试件内的颗粒数目明显增加，给有限元的剖分和计算 带来了困难。还有学者基于有限元方法，基于等效观点，对颗粒增强复合材料的等效性能进行了研 究，即根据一定的等效原则，宏观地考虑颗粒对材料力学特性的影响，将整个颗粒增强复 合材料均匀化、连续化，然后用有限元计算得到等效力学特性按等效方式来分，主要有 材料参数等效法、能量等效法等，这些等效方法有其适用的一面，但仍有一定局限性，例 如等效体的尺寸效应问题等关于材料参数的均

16、匀化理论作为一种研究复合材料宏观性 质的新方法，数学家们已进行了大量的研究，例如A.Bensousson,J.L.Lion、等针对小周 期结构问题的渐进分析，给出了均匀化材料系数的概念；O.A.Oleinik等对具有小周期结 构的均匀化理论和一阶渐进分析理论进行了深入研究；T.Hou和陈志明等在此基础上给出 了一阶渐进展开有限元的理论估计；崔俊芝等针对小周期结构提出了双尺度祸合算法。针 对具有对称性的基本胞体给出了高阶渐进展式和有限元估计,并把此方法运用到工程计算 中，从而使的均匀化从理论分析进入了数值计算。阶段和实际应用阶段，使得微观构造十 分复杂的非均质材料的宏观力学参数计算成为现实，并且给出了计算周期性编制复合材料 的等效力学参数的双尺度方法。在进行等效计算时，首先需建立材料的单胞模型，如二维单胞模型、二维多颗粒单胞 模型、三维单胞模型、