金属基复合材料的研究现状

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1、金属基复合材料的研究现状与发展材料学院耿浩然复合材料一词出现在20世纪50年代。Richardson在所著的《polymerEngineeringcomposites》书中定义：复合材料是不同的材料结合在一起、形成一种结构较为复杂的材料。这种材料的组成成分应保持同一性，在性能上必须有重要的改进或不同于原组成成分的性质。中国复合材料学科的开拓者胡振渭教授曾对复合材料做过较为简明的定义：“复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同形态的原材料，通过复合工艺组合而成的材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又具备了原组分材料所没有的新性能的一种多相材料”。基本

2、概念上述所列的学者对复合材料的定义，尽管从材料的组成与性质上进行了较为科学和全面的描述，但都忽略了作为复合材料的重要特点——可设计性。师昌绪院士主编的《材料大辞典》对复合材料给出了较全面完整的定义：“复合材料是由有机高分子、无机非金属和金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料的混合有本质的区别”。近代复合材料的发展从基体上来看，首先发展的是软基体，然后逐渐发展较硬和硬的基体，即从树脂到金属

3、到陶瓷基体。现代复合材料形成了树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。金属基复合材料（简称MMC）的性能既优于金属材料，也优于树脂基复合材料。它既有金属的性能，也有树脂基无法达到的使用温度高、剪切强度高、阻燃、不老化、不吸潮、不放气、耐磨损、导电、导热等金属属性，在一些工业领域中有广泛的应用前景。金属基复合材料起步于60年代初期。当时由于受到增强纤维品种少的限制，仅发展了硼纤维增强铝、钛等少量品种。多沿用树脂基复合材料的成型方法，如铺层工艺和缠绕工艺。生产的复合材料，价格高昂（如硼-铅复合材料的价格约为热轧钢的1860倍），仅限于用在航

4、空航天上。80年代中期，长纤维增强、短纤维增强、晶须增强、颗粒增强金属基复合材料开始多种增强材料（硼、碳、碳化硅、碳化钛、硼化钛、氧化铝等）、多种基体材料（钢、铝、钛、镁、锌等）、多种复合方法较为全面的发展。金属基复合材料制造技术金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于材料的制备技术，因此研究和发展有效的制备技术是金属基复合材料研究中最重要的问题之一。冶金工业中现有的常规技术如粉末冶金、铸造、塑性成型等被用来制造金属基复合材料，但鉴于材料本身的特殊性质和对材料的要求，不同类型的金属基复合材料在其制造技术上存在着很大的差别，有各自的难点，需

5、根据不同情况采用不同措施加以解决。对制造技术的要求为得到性能良好、成本低廉的金属基复合材料，制造技术应满足以下要求：1.增强材料以设计的体积分数和排列均匀地分布于基体中；2.尽量不使增强材料和金属基体原有性能下降，特别是不能对高性能增强材料造成损伤，应使增强材料和金属的优良性能得以叠加和互补；3.尽量避免增强材料和金属基体之间发生不利的化学反应，应得到合适的界面结构和性能，充分发挥增强材料的增强效果；4.工艺简单易行，适于批量生产，增强材料价格低，尽可能直接制成接近最终形状和尺寸的零件。金属基复合材料制造的难点及解决途径与树脂基复合材料相比，由于金属

6、固有的物理、化学特性，使金属基复合材料在制造上存在一些技术上的困难，需要采取特殊的措施解决：1.为了保证金属基体有足够的流动性，使之充分渗透到增强材料之间的间隙中并与之复合，需要高的制造温度（高于或接近基体的熔点），在高温下增强材料与基体容易发生界面反应，但也可能氧化，产生有害的反应。例如，在远低于熔点的温度下铝与碳生成Al4C3、与硼生成AlB2、钛与碳化硅生成TiC、Ti5Si3或TiSi2。这些反应造成增强材料的损伤，容易造成过强的界面结合。在纤维增强金属基复合材料中适当的界面结合强度是材料具有最高性能的保证，此时界面既能有效地传递载荷，又能有

7、效地阻止裂纹的扩展，充分发挥纤维的作用。过强的界面结合可能使材料发生早期的低应力破坏，反应产物呈脆性，在应力作用下往往首先断裂，成为裂纹源，引起复合材料的整体破坏。有些反应产物本身不稳定，容易分解造成界面分离。如Al4C3，与水接触时发生水解生成甲烷，严重时使复合材料解体。因此必须尽量控制界面脆性相的生成。2.金属基体与增强材料之间浸润性差。增强材料与基体之间应具有很好的润湿性（即接触角小于90°），基体才能均匀覆盖于增强材料表面和渗入到增强材料的间隙之间，因此，这是得到性能良好的复合材料的前提。绝大多数有前景的金属基复合材料体系中，如碳-铝、碳-镁

8、、碳化硅-铝、氧化铝-镁等，基体与增强材料之间的浸润性都很差，必须采取技术措施加以改善。3.将增强材料按设计