1、.金屬基復合材料的發展現狀及展望摘要：對金屬基復合材料的發展史、種類、制備工藝、性能、用途、前景展望進行了綜述,闡述了國內外研究現狀,提出了金屬基復合材料研究中存在的問題,探討了金屬基復合材料的研究方向。關鍵詞：金屬基復合材料;增強相;基體材料;復合材料制備;顆粒增強法;纖維增強法;復合材料分類;復合材料性能1 金屬基復合材料的發展 金屬基復合材料是多功能復合材料的一種。它是一類以金屬或合金為基體,以金屬或非金屬線、絲、纖維、晶須或顆粒狀組分為增強相的非均質混合物,其共同點是具有連續的金屬基體。金屬基復合材料有著悠久的歷史,在土耳其發現的公元前7000年的銅錐子,在制造過程中經過反復

2、錘打與拓平,非金屬夾雜物被拉長1,從而產生類似纖維增強的效果。近代金屬基復合材料的研究始于1924年Schmit2關于鋁氧化鋁粉末燒結的研究工作。在30年代,又出現了沉淀強化理論3,并在以后的幾十年中得到了很快的發展。到60年代,金屬基復合材料已經發展成為復合材料的一個新的分支。到80年代初,日本豐田公司首次將陶瓷纖維增強鋁基復合材料用于制造柴油發動機活塞,從此金屬基復合材料的研制與開發工作得到了異乎尋常的發展。土耳其的S.Eroglu等人用等離子噴涂技術制得了NiCr-Al等功能梯度涂層。目前,盡管在制造成本和工藝上存在很大的問題,但金屬基復合材料已經引起有關部門的高度重視,特別是航空航天部

3、門推進系統使用的材料,其性能已經達到了極限。因此,研制工作溫度更高、比剛度和比強度大幅度增加的金屬基復合材料,已經成為發展高性能結構材料的一個重要方向。1990年美國在航天推進系統中形成了3250萬美元的高級復合材料市場,年平均增長率達16%,遠高于高性能合金的年增長率116%。2 金屬基復合材料的分類  金屬基復合材料分為宏觀組合型和微觀強化型兩大類。前者指其組分能用肉眼識別和具備兩組分性能的材料;后者需顯微觀察分辨組分以改善成分來提高強度為主要目標的材料。金屬基復合材料一般分為鋁基、鎂基、鋼基、鐵基及鋁合金基復合材料等。按增強相形態的不同分為顆粒增強金屬復合材料、晶須或短纖維增強

4、金屬基復合材料及連續纖維增強金屬基復合材料。3 制備工藝 金屬基復合材料的制備工藝較復雜,主要是金屬熔點較高,需高溫下操作;同時不少金屬對增強體表面潤濕性很差,甚至不潤濕,加上金屬在高溫下很活潑,易與多種增強體發生反應,通常需向熔體中加入能增加潤濕性的活性元素或對陶瓷顆粒進行預處理。雖然已經研制出不少復合工藝,但各自存在一些問題。本文根據增強相的不同,分別闡述顆粒增強和纖維增強的制備方法。 3.1 顆粒增強金屬基復合材料的制備方法 根據制備過程中基體的溫度可將制備工藝分為液相工藝、固相工藝和液-固兩相工藝4。針對不同工藝可以分出不同的制備方法。 (1)液態金屬/陶

5、瓷顆粒攪拌鑄造法  攪拌法制備PRMMCs,通過機械攪拌在熔體中產生渦流引入顆粒。還可采用其他方法引入顆粒,如離心鑄造法、氣流噴射分散法及零動力工藝等。許多研究者多采用此法制備了鋁基復合材料;結果顯示對SiC顆粒進行預處理有利于制備PRMMCs5。采用渦流法制備了SiCp/2L108復合材料,其顆粒分布均勻。熔體浸滲工藝包括壓力浸滲和無壓浸滲。利用惰性氣體和機械裝置作為壓力媒體將金屬熔體浸滲進多氣孔的陶瓷預制塊中,可制備體積分數高達50%的復合材料,隨后用稀釋的方法降低體積分數。這種方法被廣泛用于制造Toyota發動機活塞。但缺點是預制塊的變形、微觀結構不均勻、晶粒尺寸粗大和界面反應

6、等。(2)固相工藝PM法  PM(粉末冶金)法是最早開發制備PRMMCs的工藝之一，一般包括混粉、冷壓、除氣、熱壓和擠壓過程。它的優點是任何金屬都可以作為基體材料;可以使用非平衡合金,如快凝合金和快淬粉末制備大體積分數的復合材料;最大限度地提高材料的彈性模量,降低熱膨脹系數。缺點是復雜的生產過程,產品的形狀受到限制,生產成本高等,很難在生產中獲得廣泛的應用。在短時間內利用高電能和機械能快速固結金屬-陶瓷混合物,短時快速加熱可以控制相轉變和顯微結構粗化,這是通常其他工藝不能達到的高能高速工藝6實質上也是一種PM工藝。 (3)流變鑄造法  流變鑄造法是對處于固-液兩相

7、區的熔體施加強烈攪拌形成低粘度的半固態漿液,同時引入顆粒,利用半固態漿液的觸變特性分散增強相,但存在攪拌工藝的問題。(4)噴射沉積技術  噴射沉積技術最初是Singer開發的,由OspreyMetals公司投入生產應用7。它是在霧化器內將陶瓷顆粒與金屬熔體相混合,隨后被霧化噴射到水冷基底上形成激冷復合顆粒,需進行固結能制成大塊復合材料。Cuptaletal8采用VCM制備了體積分數為20%的SiC/Al-Li復合材料。該技術優點是基體組織屬于快凝范疇;陶瓷顆粒與金屬熔滴接觸的時間極短,界面化學反應能有效控制;控制工藝氣氛可以最大地減少氧化;適合任何基體/陶瓷體系。 3.2&

8、#160;纖維增強金屬基復合材料的制備方法  FRM(纖維增強金屬)的制造方法有固相擴散結合法、粉末冶金法、鑄造法及定向凝固法等幾大類9。 (1)真空鑄造法  用真空鑄造法制造FRM時,先把連續纖維纏繞在繞線機上,用聚甲丙烯酸等能加熱分解的有機高分子化合物粘結劑制成半固化帶,再把數片半固化帶疊加在一起壓制成預成型體。把預成型體放入鑄型中,加熱到500使有機高分子分解去除。鑄型的一端浸入基體金屬液中,另一端抽真空,將金屬液吸入鑄型內浸透纖維,待冷卻凝固后從鑄型內取出。 (2)加壓凝固鑄造法  該法是將金屬液澆注鑄型后,加壓使金屬液在壓力下凝固。金

9、屬從液態到凝固均處于高壓下,故能充分浸滲、補縮并防止產生氣孔,得到致密鑄件。鑄、鍛相結合的方法又稱擠壓鑄造、鍛鑄法。加壓凝固鑄造法可制造較復雜的異型MMC零件,亦可局部增強。在熔融狀態于壓力下復合,故結合十分牢固,這種高溫下制成的復合坯,二次成型比較方便,可實施各種熱處理,達到對材料的多種要求。 (3)壓鑄法  壓鑄法是把金屬液壓射到鑄模內,在壓力下凝固的方法。所面臨的實際問題是如何把纖維加到金屬液中,還有隨靜止時間加長,纖維或上浮或沉淀,難于在鑄型內均勻分布。 (4)半固態復合鑄造法  此法是從半固態鑄造法發展而來的?？蓪⒘髯冭T造錠重新加熱到所要求的固

10、相組分的軟化度,送到壓鑄機中壓鑄,由于壓鑄時澆口處的剪切作用,可恢復其流變性而充滿鑄型,此法稱作觸變鑄造，可使潤濕性改善,促進界面結合。 (5)定向凝固  FRM按其制法可分為兩大類。一類是將纖維摻入基體中的人工合成法;另一類是使纖維在基體中生長出來,得到原位型復合材料。該法是把熔融共晶成分或近共晶成分的合金以大的溫度梯度及適當的冷卻速度按一定方向凝固,第二相金屬間化合物就按一定的方向長成晶須狀,得到晶須增強金屬。(6)離心鑄造法  該方法是將增強體顆?；蚨汤w維預先置人離心機內,靠離心力甩出預成型套,然后澆人液態金屬,利用增強相與基體密度不同,而得到復合材料,但是

11、該方法還存在增強體在基體中分布及界面問題。4 性能4.1結構性能 強度和剛度是結構應用的兩個最重要的特性。軸向性能，石墨環氧復合材料Gr的比強度和比剛度遠高于其它材料，Ti和Al的次之。平面增強的Gr是準各向同性的，且Gr比鈦基復合材料廉價，比其它MMCs易得，注定了它是最大單向結構效率的首選材料。典型的結構件必須承受多向載荷，因此單向復合材料的應用受到限制。非連續增強MMCs的比強度和比剛度適中，易于獲得，是最具競爭力的結構材料。結構應用一般還有其它的一些需求，比如：承載強度高，抗苛刻環境，抗除氣作用，導熱性能好，耐磨，尺寸穩定性高，抗沖擊、腐蝕性能好，抗燃，可高溫應用。在這些方面

12、，MMCs比有機基體的復合材料好得多。  斷裂性能對結構應用來說也至關重要閉。MMCs 越來越多地應用于那些斷裂敏感的場合，并被實踐證明完全可以滿足使用要求。通常，增強體分布均勻、尺寸合適，有利于提高斷裂性能。增強體的體積分數對斷裂性能的影響也很明顯。盡管當Vf25時，只要嚴格控制顆粒的尺寸、形狀和分布，便能獲得更好的性能，但是，目前DRA應用于斷裂敏感場合時，通常會限制Vf20。 4.2 熱學管理性能  熱學管理是MMCs 的一項很重要的應用，應用范圍很廣，包括計算機處理器的芯片基片，功率半導體設備和遠程通信中的微波元件封裝。高的熱

13、導率是首要的性能，比熱導率是運動系統中組件的一個非常重要的性能。CTE是熱學管理中第二重要的性能。作為電子封裝材料，必須介于4*10-6K到7*10-6K之間。以達到與半導體材料和陶瓷基片的CTE 相匹配，從而避免在這些關鍵區域的殘余應力集中。在熱學管理方面表現最好的材料應是CTE 介于4*10-6K到7*10-6K之間，并且還有高的熱導率。  Kovar合金因其CTE適中而常被使用，但它的高密度和低熱導率是很大的缺點。Cu/W和Cu/Mo復合材料或者A12O3和SiC都具有更好的性能。盡管Al的比熱導率比其它的所有金屬材料都高，但是由于它的CTE太大，仍然沒有優

14、勢。SiC提供了較低的CTE并且熱導率加沒有明顯的降低，在Vf50時,SiC非連續增強的Al基復合材料的CTE與半導體材料和陶瓷基片匹配的相當好。在熱學管理材料中，只有Be/BeO的性能超過了Al/SiC,但是由于危害健康和高成本限制了Be/BeO的應用。在考慮CTE和比熱導率的同時再考慮到成本和健康因素，Al/SiC,無疑是最佳的熱學管理材料,目前在這個產業中得到了廣泛的應用。 4.3 用于精密裝置的性能  像磁盤驅動器、錄像頭、原子力顯微鏡的載物臺、機械臂、慣性引導系統、人造衛星天線、高速制造設備和推進系統，在運行時承受很大的熱梯度和機械應力的同時還要保持嚴格

15、的尺寸公差。對機械變形的抗力取決于材料的特性，比如剛度和密度，還有組件的幾何形狀和承受載荷的方式。  單向增強的Gr具有最好的抗機械變形能力，平面增強Gr稍遜一疇。但是Gr的熱導率很低，抗熱變形的能力很差。陶瓷材料、金剛石和Be全具有出色的性能，但是它們較差的斷裂性能和Be對健康的危害限制了這些材料的應用。加入到金屬合金中的陶瓷顆粒只適度降低了熱導率，引起了密度的輕微改變，卻大大增加了材料的剛度。因此，MMCs比沒有增強體的基體合金具有更高的抗熱變形和機械變形能力。作為一類材料，DRA的抗變形能力超過了其它所有常用的結構金屬材料。連續增強的鋁基復合材料也可以制得，并且有極高的性能，只

16、是成本很高。 4.4 耐磨性能  耐磨性能是MMCs的眾多性能中很重要的一項。硬質增強顆粒的加入從本質上增強了基體金屬的耐磨性能。并且加入的某些增強體，比如石墨、WS2、MoS2有自潤滑的作用。MMCs在工程上用來提供出色的耐磨性能。MMCs適于作耐磨材料，性價比更高，經濟性能更好。5 用途5.1 航空、航天及軍事工業的應用 金屬基復合材料由于自身的一些特殊優點,在航空、航天和軍事部門備受青睞,應用十分廣泛。例如DWC特種復合材料公司制造的Cr/Al復合材料就使用在了NASA公司的衛星導波管上,其導電性好,熱脹系數小,比原來使用的石墨/環氧樹脂導波管要輕

17、30%左右。俄羅斯航空材料研究所將B/Al復合材料用于飛機的機體結構上,零件重量減小了25%左右。此外,Al基復合材料的低膨脹系數和高彈性模量的特性還有望于制造光學和電子封裝殼體零件。5.2 汽車工業的應用 一個國家重要的標志性產業之一是汽車工業。金屬基復合材料在汽車生產上主要用于制造活塞以及其他汽車零部件。例如本田公司在發動機缸體的缸套采用了FRM10,替換了傳統的鑄鐵缸套,它用AL2O3與C纖維的混合物作為增強物,在鋁合金缸體的內表層形成2mm厚的FRM層,其中纖維體含量為體積的12%15%,使用后,缸體的滑動摩擦性,回轉響應性等性能以及汽車的操作性能大大提高。日產汽車公司采用了

18、金屬基復合材料后,使汽車重量減輕了40%左右。英國AE公司制造的柴油發動機用的金屬基復合材料缸套,其機械變形和熱變形減小,從而使缸套的冷卻效率提高,活塞的磨損減小,油耗降低。 MMCs在汽車上的應用還有用顆粒增強型MM2Cs作剎車盤,纖維強化的連桿等。例如新干線列車進一步提速到350kgh后,采用了SiCK顆粒增強的A1合金剎車盤,不僅減輕了重量,而且提高了耐磨性。5.3 技術產業的應用 21世紀將是以信息為主的時代,信息技術領域中的一個趨勢,是集成度不斷提高的集成電路,而制約集成度提高的關鍵因素是散熱問題,因此需要尋找具有高導熱系數的材料作為封裝的基材,但是這種材料還需要同時滿足與

19、電路硅片及基絕緣陶瓷基板的熱脹系數(CTE)相匹配的要求,否則會因熱失配形成殘余應力而損害電路11。目前美國已用真空壓力浸漬法進行了碳化硅顆粒增強鋁封裝器件的小批量生產,國內也開始用無壓浸滲法進行該類封裝材料的試驗。此外,由于鋁基MMCs的尺寸穩定性好,比剛度高,所以特別適合于制造各種拋物線反射板及天線等。5.4 其他民用工業的應用 其他方面,金屬基復合材料還用于制造高爾夫球桿頭,自行車鏈輪以及醫療上的假肢等等。近年來,電力行業也使用了金屬基復合材料,如法國的EDF公司和美國的3M公司聯合研制的一種新型纖維增強鋁基復合材料導線,因其導電性好,環境適應性好,耐腐蝕等特點,在電力傳輸方面

20、應用前景良好。6 前景展望 金屬基復合材料的研究始于20世紀60年代初期，至今已取得了很大發展。金屬基復合材料發展的伊始是為滿足航天航空等高技術部門對特殊性能結構材料的需求，因此只要性能好，而不計成本；其研究工作大都集中于連續纖維增強的金屬基復合材料方面。70年代末，碳化硅顆粒增強鋁合金的復合材料以粉末冶金的制造方式而成功進行了這類復合材料制造方式的商業化，為復合材料商品化打下了基礎；進入80年代，金屬基復合材料進入蓬勃發展階段，其研究重點轉到以不連續增強體增強的金屬基復合材料，尤其是鋁基復合材料，不光性能優良，成本也開始降低；而1983年，日本本田公司推出陶瓷短纖維增強鋁基復合材料局部鋁活塞

21、，使金屬復合材料在工業中應用取得了突破性的進展。此后，世界各國均加強了復合材料的研制、開發和應用，從而大大地推動了金屬基復合材料的民用商品化的進程。  進入90年代后期，電子產品發展迅速，要求同時具有高熱傳導能力和低膨脹特性的電子元件構造裝配材料的量迅速增加，于是低膨脹、高強化與高熱傳導的金屬基體合理匹配的金屬基復合材料備受重視；同時也需要強度高，耐電弧沖蝕，導電率高的電接觸用復合材料；近期金屬基復合材料的發展既要求力學性能，又要有特殊的功能特性。  雖然金屬基復合材料已有多個品種的開發報導，但目前可達到批量應用的產品多為鋁基復合材料。其中復合材料局部增強鋁活塞，高硅粒子增

22、強鋁合金缸套，長纖維增強鋁合金制造汽車發動機連桿是一些典型零件。由增強相馬氏體和基體鐵素體所組成的雙相鋼是一種具有特殊共格界面結構的復合材料，這種復合材料具有低的屈服強度，高的加工硬化率和高的抗拉強度，良好的延性和強度匹配和高的成型性而受到汽車工業界的青睞，引起人們廣泛的興趣，并在汽車工業上廣泛應用。  毫無疑問，復合材料已經成為當代材料領域中一個重要發展方向，地位越來越重要。在許多領域特別是航空航天領域顯示了極其重要的地位。西方國家把先進復合材料列為戰略材料，列入為數有限的國家重點研究和發展項目，列入不準許輸出的新材料。  綜上所述，金屬基復合材料要在未來取得進一步的發展

23、，并列人規模生產品種的行列，還有一段艱難的路程，但是由于它性能優勢的存在，是有明確發展前景的，這就需要廣大材料研究工作者進行深人細致的基礎研究，探索新的工藝方法并開拓新的有針對性的應用范圍。  在界面研究方面，應致力于發展更有力的分析手段，在對界面結構認識清楚的基礎上進行界面優化設計，克服金屬基復合材料突出的界面問題，并力求研究結果有助于改善生產應用問題，其他基礎性問題如凝固過程的研究等也應圍繞生產實際過程，提出有效的措施，這樣才真正起到促進金屬基復合材料的迅速發展的作用。  就當前的實際情況來看，顆粒和短纖維增強的復合材料是有生命力的，并已在汽車工業等方面初步獲得應用。但

24、是其制備科學仁尚留下大量間題有待解決。例如熔體浸潤過程中的流變學問題，鑄造過程中氣體吸附、脫附過程，增強體均勻分布與溫度場、應力場、塑性流動場以及兩相體積分數的關系，二次加工和超塑性加工過程中增強體與基體之間的相互作用行為，以及微結構的變化等都是需要研究的問題。  此外需要指出的是，原位復合是有發展有前途的，但是，目前在原位反應時，除了所預計生成的增強體外，仍不免其他副反應夾雜物存在，同時對增強體的體積分數也難以精確控制，因而影響材料質量穩定性。這些都是急待解決的問題 相信經過艱苦的努力，在不遠的將來，金屬基復合材料作為復合材料的一個分支，會有舉足輕重的地位，并在眾多材料行

25、列中占有一席之地。7 結束語 我國金屬基復合材料的研究起步僅落后于美、日等國不到五年。鑒于國際上金屬基復合材料尚未大規模生產，因此目前差距不大。目前主要集中在以輕金屬等為基體的復合材料研究，少量研究致力于銅、鐵、鉛基體的復合材料。增強的形式包括連續纖維、短纖維、晶須和顆粒。鑒于國際的發展趨勢側重于非連續的顆粒、晶須和短纖維方面，因此我國的研究也早已轉向這方面。但在關于其理論基礎性研究的理論深度上與國外有一定的差距，特別是在原子、分子水平上深入認識界面的結構方面不夠，這主要是缺少先進的分析表征手段和物理學家的介入不夠有關。另外，復合材料可持續發展及其實用化降低成本的要求使金屬基復合材料的再生問題

26、顯得尤為重要，應該加強對金屬基復合材料的再生研究工作。  對于大批量生產的復合材料來講，軋制復合是特別有效的復合方法。無論采用熱軋還是冷軋，在不同的材料復合中都在廣泛的研究和應用。其適用性和經濟性是其它復合方法所不能比擬的。  總之，我國對復合材料科學研究正方興未艾，目前的科學研究正向著使復合材料廉價和提高可靠性方面發展，以加強復合材料與其他傳統材料的競爭優勢。參考文獻1 Muhly J D.The Beginnings of Metallurgy In the Old World A.in the Beginning of the Use of Metals and Alloys，Maddin R(ed).C.Cambridge，MA: MITPress，1988.220.2 Taylor G I.The Mechanism of Plastic Deformation of Crytall，ITheoretical J. Proc. Roy. Soc，1934，A145:36