1、復合材料課程論文 題目：金屬基復合材料的發展現狀及展望評語: _金屬基復合材料的發展現狀及展望摘要：金屬基復合材料【1】是以金屬或合金為基體，并以纖維、晶須、顆粒等為增強體的復合材料。其特點在力學方面為橫向及剪切強度較高，韌性及疲勞等綜合力學性能較好，同時還具有導熱、導電、耐磨、熱膨脹系數小、阻尼性好、不吸濕、不老化和無污染等優點。介紹了金屬基復合材料的研究及應用現狀。介紹了金屬基復合材料的分類、性能特點，并總結了其主要應用。對于大批量生產的復合材料來講，軋制方法復合具有比其它方法有更多的適用性和經濟性。關鍵詞：金屬基復合材料；分類；性能；制備工藝；發展趨勢；應用1前言 隨著現代科學技術和現代

2、工業的發展,單一的金屬或合金已很難完全滿足其對材料綜合性能的要求,因而近年來新型復合材料【2】受到世界各國的普遍重視。自20世紀80年代以來,美國每年耗資10億美元專門用于研究開發新材料,其重點之一就是金屬復合材料。目前美國復合材料的研制和生產居世界領先的地位。金屬復合材料是利用復合技術使兩種或兩種以上物理、化學、力學性能不同的金屬材料結合成一體制備的。金屬復合材料在保持母材金屬特性的同時還具有“相補效應”可以彌補各自的不足,經過恰當的組合從而獲得優異的綜合性能。復合材料的力學性能和功能,可以根據實際需要,通過適當選材和優化設計來獲得。復合材料廣泛應用于航空、航天、汽車、運輸、橋梁、民用建筑、

3、體育設施及國防建設等諸多領域。現代科學技術對現代新型材料的強韌性，導電、導熱性，耐高溫性，耐磨性等性能都提出了越來越高的要求。與傳統的金屬材料相比，金屬基復合材料具有較高的比強度與比剛度，而與高分子基復合材料相比，它又具有優良的導電性而耐熱性，與陶瓷材料相比，它又具有較高的韌性和較高的抗沖擊性能。這些優良的性能決定了它從誕生之日起就成了新材料家庭中的重要一員。2金屬基復合材料的發展歷史 金屬基復合材料(MMC)【3】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,

4、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錘打與拓平,非金屬夾雜物被拉長,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Schmit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,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NiCr2Al/MgO2ZrO2功能梯度涂層。目前,盡管在制造成本和工藝上存在很

5、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。 90年代后期，由于電子產品發展迅速，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。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。到20世紀90年代初，先進復合材料的世界總產量已經達到300萬噸，在許多領

6、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。3金屬基復合材料的分類和性能金屬基復合材料【4】除力學性能優異外，還具有某些特殊性能和良好的綜合性能，應用范圍廣泛。依據基體合金的種類可分為：輕金屬基復合材料、高熔點金屬基復合材料、金屬間化合物基復合材料。按增強相形態的不同可劃分為：連續纖維增強金屬基復合材料、短纖維增強金屬基復合材料、晶須增強金屬基復合材料、顆粒增強金屬基復合材料、混雜增強金屬復合材料。以下從基體、增強體以及復合材料的性能應用等方面，分別予以評述。31合金基體復合材料性能鋁、鎂、鈦、銅合

7、金及金屬間化合物合金是目前應用廣泛、發展迅速的輕金屬合金。用其制成的各種高比強度、高比模量的輕型結構件廣泛地應用于航天、航空和汽車工業等領域。鋁基復合材料具有輕質、高強、高韌性、導熱性較好的性能特點，且鋁基復合材料適用的制備方法多，易于塑性加工，制造成本低。與鋁基復合材料相比，鎂基復合材料最大的優點是質量更輕，多用于航天、空間等對構件質量有嚴格要求的高技術領域。銅的導電性、導熱性和塑性在金屬中名列前茅，屬于廉價金屬，但在銅中加入增強體可提高其強度、剛度、耐熱性和降低熱膨脹系數，所以銅基復合材料有良好的導熱性可有效地傳熱散熱，能減少構件受熱后產生的溫度梯度，主要用于電力工業和半導體工業。鋁基復合

8、材料在溫度高于300后，其強度迅速下降，極限工作溫度約350，相比之下，鈦基復合材料比鋁基復合材料有更高的耐熱性，但成本明顯高于鋁基復合材料，因此，鈦基復合材料應用領域主要集中于飛行器及發動機的耐熱零部件。32增強體金屬基復合材料 金屬基復合材料的增強體是一些不同幾何形狀的金屬或非金屬材料。目前，其增強相已有很多，重要的有氧化鋁纖維、硼纖維、石墨(碳)纖維、SiC纖維晶須；顆粒型的有SiC、碳化硼、圖化鈦等；絲狀的有鎢、鈹、硼、鋼等。金屬基復合材料按其增強材料的幾何形態可劃分為以下幾類。 3.2.1連續纖維增強金屬基復合材料。纖維增強金屬基復合材料【5】是利用無機纖維(或晶須)及金屬細線等增強

9、金屬得到質量輕且強度高的材料，纖維直徑從3150m(晶須直徑小于1m)，縱橫比(長度直徑)在102以上。3.2.2短纖維增強金屬基復合材料。作為金屬基復合材料增強體的短纖可分為天然纖維制品和短切纖維。天然纖維主要是一些植物纖維和菌類纖維索等，長度一般為35150mm；短切纖維一般是由連續纖維(長纖維)切割而成長度150mm，用于金屬基復合材料短纖維增強體的材料主要有SaffilAl2O3、Al2O3SiO2、SiC等。3.2.3晶須增強金屬基復合材料。晶須是指在特定條件下以單晶的形式生長而成的一種高純度纖維，其原子排列高度有序，幾乎不含晶界位錯等晶體結構缺陷，有異乎尋常的力學性能。作為金屬基復

10、合材料的增強體使用的晶須使用做多、性能較好的是SiC、SiN4晶須，成本最低的是Al2O3B2O3晶須。3.2.4顆粒增強金屬基復合材料。顆粒增強金屬基復合材料是利用顆粒自身的強度，其基體起著把顆粒組合在一起的作用，顆粒平焊接材料均直徑在1m以上，強化相的容積比可達90。常用作金屬基復合材料增強體的顆粒主要有：SiC、Al2O3、TiC、TiB2、NiAl、Si3N4等陶瓷顆粒，以及石墨顆粒、甚至金屬顆粒。3.2.5混雜增強金屬復合材料。對上述四種單一的增強形式進行有機的組合就形成了混雜增強。增強體的混雜組合可分為三種：顆粒短纖維(或晶須)、連續纖維顆粒、連續纖維連續纖維。在短纖維或晶須的預制

11、件中，易出現增強的粘結、團聚現象，顆粒的混入可以解決這一問題。4金屬基復合材料制備工藝方法由于金屬材料熔點較高，同時不少金屬對增強體表面潤濕性很差加上金屬原子在高溫狀態下很活潑，易與多種增強體發生反應，所以金屬基復合材料【6】的復合工藝比較復雜和困難，這也是金屬基復合材料的發展受到制約的主要原因。4.1粉末冶金復合法 粉末冶金復合法基本原理與常規的粉末冶金法相同，包括燒結成形法，燒結制坯加塑法加成形法等適合于分散強化型復合材料(顆粒強化或纖維強化型復合材料)的制備與成型。該方法在鋁基復臺材料的制備方面應用較廣，但其主要缺點是基體金屬與強化顆粒的組合受限制。4.2鑄造凝固成型法鑄造凝固成型法是在

12、基體金屬處于熔融狀態下進行復合。主要方法有攪拌鑄造法、液相滲和法和共噴射沉積法等。鑄造凝固成型鑄造復合材料具有工藝簡單化、制品質量好等特點，工業應用較廣泛。 4.2.1原生鑄造復合法原生鑄造復合法(也稱液相接觸反應合成技術LiquidContactReaction:LCR）是將生產強化顆粒的原料加到熔融基體金屬中，利用高溫下的化學反應強化相，然后通過澆鑄成形。 4.2.2攪拌鑄造法攪拌鑄造法也稱摻和鑄造法，是在熔化金屬中加人陶瓷顆粒，經均勻攪拌后澆入鑄摸中獲得制品或二次加工坯料，此法易于實現能大批量生產，成本較低。該方法在鋁基復合材料的制備方面應用較廣，但其主要缺點是基體金屬與強化顆粒的組合受

13、限制。 4.2.3半固態復合鑄造法半固態復合鑄造法是從半固態鑄造法發展而來的。通常金屬凝固時，初生晶以枝晶方式長大，固相率達0.2左右時枝晶就形成連續網絡骨架，失去宏觀流動性。 4.2.4含浸凝固法含浸凝固法是一種將預先制備的含有較高孔隙率的強化相成形體含浸于熔融基體金屬之中，讓基體金屬浸透預成型體后，使其凝固以制備復合材料的方法。有加壓含浸和非加壓含浸兩種方法。含浸法適合于強化相與熔融基體金屬之間潤濕性很差的復合材料的制備。 4.2.5離心鑄造法廣泛應用于空心件鑄造成形的 離心鑄造法，可以通過兩次鑄造成型法成形雙金屬層狀復合材料，此方法簡單，具有成本低、鑄件致密度高等優點，但是界面質量不易控

14、制，難以形成連續長尺寸的復合材料。 4.2.6加壓凝固鑄造法該方法是將金屬液澆注鑄型后，加壓使金屬液在壓力下凝固。金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、鍛相結合的方法叉稱擠壓鑄造、液態模鍛、鍛鑄法等。此法最適合復雜的異型MMCs。43噴射成形法噴射成形叉稱噴射沉積(SprayForming)，是用惰性氣體將金屬霧化成微小的液滴，并使之向一定方向噴射，在噴射途中與另一路由惰性氣體送出的增強微細顆粒會合，共同噴射沉積在有水冷襯底的平臺上，凝固成復合材料。44疊層復合法疊層復合法是先將不同金屬板用擴散結合方法復合，然后采用離子濺射或分子束外延方法交替地將不同

15、金屬或金屬與陶瓷薄層疊合在一起構成金屬基復合材料。這種復合材料性能很好，但工藝復雜難以實用化。45原位生成復合法原位生成復合法也稱反應合成技術，最早出現于1967年前用SHS法合成TiB:Cu功能梯度材料的研究中。金屬基復合材料的反應合成法是指借助化學反應，在一定條件下在基體金屬內原位生成一種或幾種熱力學穩定的增強相的一種復合方法。5金屬基復合材料的應用及發展趨勢5.1金屬基復合材料的應用 目前應用的復合材料主要有金屬基、無機非金屬基和高分子基三大類。但是由于金屬基復合材料價格昂貴，主要用于航空航天和軍事領域，一般工業領域不多見。而由于鋁基復合材料的優良的綜合性能，使得鋁基復合材料在金屬基復合

16、材料中應用最為廣泛。 5.1.1鋁基復合材料的應用 硼纖維增強鋁基復合材料【7】是實際應用最早的金屬基復合材料，美國和前蘇聯的航天飛機中機身框架及支柱和起落拉桿等都用該材料制成。硼-鋁復合材料還用做多層半導體芯片的支座的散熱冷卻板材料，硼-鋁復合材料的導熱好，熱膨脹系數與半導體芯片非常接近，能大大減少接頭處的疲勞。硼-鋁復合材料的應用前景寬廣，可用作中子屏蔽材料，還可用來制造廢核燃料的運輸容器和儲存容器、可移動防護罩、控制桿、噴氣發動機風扇葉片、飛機機翼蒙皮、結構支承件、飛機垂直尾翼、導彈構件、飛機起落部件、自行車架、高爾夫球桿等。碳化硅晶須增強鋁基復合材料用于制造導彈平衡翼和制導元件，航天器

17、的結構部件和發動機部件，戰術坦克反射鏡部件，輕型坦克履帶，汽車零件，如活塞、連桿、汽缸、活塞銷等，飛機的機身地板和新型戰斗機尾翼平衡器。碳化硅增強鋁基復合材料可用來制造衛星及航天用結構材料，如衛星支架、結構連接件、管材，各種型材，導彈翼、遙控飛機翼、飛機零部件等。 5.1.2鈦基復合材料的應用 SiC纖維增強鈦基復合材料的發展最初是以超高音速宇航器和先進航空發動機為主要目標。因為用它制造的波紋芯體呈蜂窩結構，在高溫下具有很高的承載能力和剛度及低的密度，使其成為航天飛機發動機理想的候選材料。但是由于制作工藝復雜、成型工藝困難和原材料昂貴使得它的推廣應用很困難。美國建立了SiC纖維增強鈦基復合材料

18、生產線，已為直接進入軌道的航天飛機提供機翼、機身的蒙皮、支撐梁及加強筋等構件。 5.1.3鎂基復合材料的應用 鎂合金材料【8】具有密度小、比強度和比剛度高、良好的尺寸穩定性和優良的鑄造性能，正成為現代高新技術領域中最有希望采用的一種復合材料，其綜合性能優于鋁基復合材料。此外，這種材料還具有優良的阻尼減振、電磁屏蔽等性能，在汽車制造工業中用作方向盤減振軸、活塞環、支架、變速箱外殼等，在通訊電子產品中的飛機、便攜計算機等也用做外殼材料。SiC晶須增強鎂基復合材料可用于制造齒輪，SiC和Al2O3顆粒增強鎂基復合材料由于耐磨性好，可用于制造油泵的泵殼體、止推板、安全閥等零件。鎂合金復合材料由于其優異

19、的力學性能和物理性能已經顯示出廣闊的用途。5.2金屬基復合材料研究趨勢(1)簡化制備工藝,降低制備成本，始終是研究熱點之一。(2)目前金屬基復合材料【9】的強化機制研究還不是很成熟，學術觀點各有所見,很難達成共識。應加強對強化機制的研究，探討復合材料的凝固過程，研究增強相與基體的微觀作用機理，進一步推動金屬基復合材料的發展。(3)潤濕性問題一直困擾研究金屬基復合材料的學者，給實際制備復合材料帶來很大的困難。目前，有些學者研究了鋁基復合材料的潤濕性，并取得了一定的進展。但對鋼基復合材料的研究卻很少，國內目前尚未見報道。如果想制備優良的鋼基復合材料，潤濕性問題尤顯重要。(4)研究的重點側重于增強體

20、與基體的結合界面及增強體在基體中的分布，卻忽略了基體自身的性能。基體本身的性能對復合材料的影響也至關重要，性能優越的復合材料同樣要求有性能優越的基體，因此應加大對基體和增強體性能同步提高的研究。6結束語由此看來,金屬基復合材料研究較早,但關鍵處還有待突破;而表面復合金屬基復合材料雖研究較晚,但由于具有相對簡單的復合工藝和較低的造價等特性,正受到越來越多的重視。盡管金屬基復合材料有于廣大科研人員的繼續努力。相信在不久的將來,金屬基復合材料一定會在眾多的材料家族中占有舉足輕重的一席之地。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