金属基复合材料综述

金属基复合材料 一、复合材料的定义和特点： 1、复合材料的定义： 两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 复合材料应满足下面三个条件： （1）组元含量大于 5 %； （2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能； （3）通过各种方法混合而成。 2、复合材料的特点： 1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观 复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面。 2）各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。 3）复合材料具有可 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 性。 二、复合材料的分类 1、按基体材料分类，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。 2、按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。 3、按复合材料的性能分类，可分为结构复合材料和功能复合材料。 三、金属基复合材料 1.金属基复合材料的分类  金属基复合材料的增强体是一些不同几何形状的金属或非金属材料。目前，其增强相已有很多，重要的有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、SiC纤维、SiC晶须；颗粒型的有SiC、碳化硼、图化钛等；丝状的有钨、铍、硼、钢等。金属基复合材料按其增强材料的几何形态可划分为五类。  (1)连续纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料是利用无机纤维(或晶须)及金属细线等增强金属得到质量轻且强度高的材料，纤维直径从3～150mm(晶须直径小于1 mm)，纵横比(长度直径)在102以上。   (2)短纤维增强金属基复合材料作为金属基复合材料增强体的短纤可分为天然纤维制品和短切纤维。天然纤维主要是一些植物纤维和菌类纤维索等，长度一般为35～150 mm；短切纤维一般是由连续纤维(长纤维)切割而成，长度 1～50 mm，用于金属基复合材料短纤维增强体的材料主要有Saffil－Al2O3、Al2O3－SiO2、SiC等。  (3)晶须增强金属基复合材料晶须是指在特定条件下以单晶的形式生长而成的一种高纯度纤维，其原子排列高度有序，几乎不含晶界位错等晶体结构缺陷，有异乎寻常的力学性能。  (4)颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料是利用颗粒自身的强度，其基体起着把颗粒组合在一起的作用，颗粒平均直径在1微米以上，强化相的容积比可达90％。常用作金属基复合材料增强体的颗粒主要有：SiCAl2O3、TiC、TiB2、NiAl、Si3N4等陶瓷颗粒，以及石墨颗粒，甚至金属颗粒。  (5)混杂增强金属复合材料对上述四种单一的增强形式进行有机的组合就形成了混杂增强。增强体的混杂组合可分为三种：颗粒－短纤维(或晶须)连续纤维－颗粒、连续纤维－连续纤维、在短纤维或晶须的预制件中，易出现增强的粘结、团聚现象，颗粒的混入可以解决这一问题与单一的增强金属基复合材料相比，可以大幅度提高材料的横向强度，改善材料的力学性能。 2.金属基复合材料的发展历程及研究现状  20世纪60年代为满足发展高性能武器装备的军事需要，人们开始对金属基复合材料(MMCs)进行研究和开发。70年代末，军事领域也开始强调经济性和风险性，政府军事 采购 采购部分工政府采购法87号令广东省政府采购政府采购法及采购员下一步工作计划 的数量明显减少，使得高性能MMCs的开发和应用变得相当困难。80 年代，成本低、加工性能好的非连续增强MMCs出现，使MMCs的研发复兴，也开始进入其它应用领域。至今,MMCs已成为继金属材料、无机非金属材料、高分子材料之后的第四大类材料，应用前景广阔。MMCs除了具有基体金属或合金具备的良好的导热、导电性能，抗苛刻环境能力，抗冲击、抗疲劳性能和断裂性能以外，MMCs还具有高强度、高刚度，出色的耐磨性能和更低的热膨胀系数(CTE)。基体材料的改变，增强体材料、尺寸、形状和基体材料的改变，增强体材料、尺寸、形状和分布的几乎没有穷尽的组合，使MMCs具有多样性。众多基体中，目前以铝、镁、钛基发展较为成熟。增强体中以SiC的使用量最大， 远远超出了其它复合材料；其次是Al2O3。增强体不同，制造成本也有很大不同。连续纤维增强MMCs要比颗粒增强MMCs价格高很多，短纤维和晶须增强MMCs价格居中。 3.金属基复合材料的应用  3.1地面运输  汽车行业中的主要应用包括局部增强的柴油机活塞，局部增强的Al发动机组的缸体，进气阀和排气阀，驱动轴和连杆，制动组件(刹车盘、转子和卡钳)，混合式车或电车的电源模块。  3.2热学管理  热管理零件具有很高的附加值，通常是每平方英寸几美元。这方面应用最多的是Cu/Mo和Cu/W。以前多采用液态金属浸渗来制造，现在用P/M法，可以实现近净成形工艺，用搅拌铸造、液态浸渗、P/M的方法制造的Al/SiC正被越来越广泛地应用。用P/M法制得的Be/BeO用于高性能的场合。AlBeMet是金属/金属复合材料，通常用P/M或铸造方法制造，应用于需要良好结构性能的热管理零件。  3.3航空航天  航空学的MMCs应用已经建立起了飞机结构学、飞机推进学和辅助系统三类。飞机结构组件包括F16飞机的机腹尾翼、燃料通道门盖板,欧洲直升机EC120 和N4直升机的转子叶片。  3.4工业、娱乐业和基础设施工业  工业应用包括硬质合金、金属陶瓷、电镀和浸渍金刚石刀具，铜和银MMCs 电触点，石化行业的抗腐蚀涂层。TiC增强的铁和镍合金具有出色的硬度和良好的耐磨性能，在工业中应用广泛：切削、轧制、制粒、冲压、冲孔、金属热加工、拉拔、模锻、钻孔等；制作的零件包括：锻锤、冲压模、罐装工具、压纹辊、止回阀、挤压机喷嘴、弯曲模、挤压模、热锻模模衬等。  4.金属基复合材料存在的问题及发展趋势 4.1存在的问题  金属基复合材料在国际上虽然很受重视，近年发展较快，但就规模与速度相 比，还远落后于碳/环氧等树脂基复合材料，特别在生产应用上，尚未真正打开局面。上面提及的应用情况，大都为试验件，真正能用于生产的很少。这是当前不少先进的尖端材料普遍存在的一个共同问题。这些问题的原因主要是如下四个方面：1.工艺技术复杂；2.价格昂贵；3.性能有待改进，工艺尚须完善；4.设计与使用经验不足。  4.2金属基复合材料研究趋势  (1)简化制备工艺，降低制备成本，始终是研究热点之一。  (2)目前金属基复合材料的强化机制研究还不是很成熟，学术观点各有所见，很难达成共识。应加强对强化机制的研究，探讨复合材料的凝固过程，研究增强相与基体的微观作用机理，进一步推动金属基复合材料的发展。  (3)润湿性问题一直困扰研究金属基复合材料的学者，给实际制备复合材料带来很大的困难。目前，有些学者研究了铝基复合材料的润湿性，并取得了一定的进展。但对钢基复合材料的研究却很少，国内目前尚未见报道。如果想制备优良的钢基复合材料，润湿性问题尤显重要。  (4)研究的重点侧重于增强体与基体的结合界面及增强体在基体中的分布，却忽略了基体自身的性能。基体本身的性能对复合材料的影响也至关重要，性能优越的复合材料同样要求有性能优越的基体，因此应加大对基体和增强体性能同步提高的研究。 四.结语  与传统的单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料相比，金属基复合材料出除了具有优异的力学性能外，更具有某些特殊性能和良好的综合性能，并且应用范围也是越来越广泛。可以看出，金属基复合材料一开始因价格比较昂贵，首先应用于航空、航天和军事领域。而随着新的材料制备技术的研制成功和廉价增强物的不断出现，金属基复合材料正越来越多地应用于汽车、机械、冶金、建材、电力等民用领域。显示出广阔的应用前景和巨大的经济效益和社会效益。我们相信随着科学技术的不断发展以及相关领域研究工作的不断深入，金属基复合材料其理论基础和制备技术将会有更大的突破，在各方面将有越来越广阔的应用前景。