金属基复合材料

高性能金属基复合材料定义以金属、合金、金属间化合物为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体，通过渗透、固结工艺制成的复合材料称为金属基复合材料。与传统的金属材料相比，金属基复合材料往往具有更高的比强度，比模量，更好的耐热性以及更低的热膨胀系数。发展历程20世纪60年代，硼纤维增强6061铝基复合材料(Br/Al)开始得到应用，与此同时，制造出定向凝固共晶复合材料。70年代，成功地制造出碳纤维增强金属基复合材料。70年代中后期，随着SiC、Al203等增强纤维的开发与应用，金属基复合材料得到迅速发展。金属基复合材料分类(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3～150μ，纵横比在102以上。在现有的各种类型增强体中，高性能连续纤维具有最明显的增强效果和更高的强度及刚度。连续纤维增强复合材料具有明显的各向异性，但复合和加工工艺独特、复杂、不易掌握和控制，因此连续纤维增强金属基复合材料主要用于较少考虑成本的航天、航空等尖端技术领域。(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35～150mm；短切纤维一般是由连续纤维(长纤维)切割而成，长度1～50mm，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。短纤维增强金属基复合材料中增强体的体积分数一般不超过30％。主要用于汽车行业、电力行业等。(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。作为金属基复合材料的增强体使用的晶须使用做多、性能较好的是SiC、SiN4晶须，成本最低的是Al2O3·B2O3晶须。主要用于航空航天等高新技术领域，如飞机架构、推杆加强筋等。(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，颗粒平焊接材料均直径在1μm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：SiC、Al2O3、TiC、TiB2，NiAl、Si3N4等陶瓷颗粒，以及石墨颗粒、甚至金属颗粒。在各种金属基复合材料中，颗粒增强金属基复合材料的使用范围最广，不仅包括航空、航天及尖端军事领域，还适用于交通运输工具、微电子、核工业等商业应用。(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。制备方法1.搅拌铸造法搅拌铸造法根据铸造时加温度的不同可分为全液态搅拌铸造、半固态搅拌铸造和搅熔铸造3种。搅拌铸造法的特点是:工艺简单,操作方便,可以生产大体积的复合材料，设备投入少,生产成本低,适宜大规模生产。图1搅拌铸造法流程图2粉末冶金法粉末冶金法是指将基体金属合金与增强体粉末混合均匀后在模中冷压,除气后在真空中加热至固液两相区进行热压,最后烧结制得金属基复合材料的方法。粉末冶金法特点:可以制备出增强相非常高体积分数的金属基复合材料,并且不受基体合金种类与增强体类型的限制,通过粉末混合工艺可以使增强相在金属基体中达到分布均匀。但此工艺设备复杂、成本偏高,不易进行大规模工业化生产。3.原位生成法指增强材料在复合材料制造过程中,并在基体中自己生成和生长的方法,增强材料以共晶的形式从基体中凝固析出,也可与加入的相应元素发生反应、或者合金熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之间的反应生成。原位生成复合材料的特点，增强体表面无污染,界面结合强度高。增强相颗粒尺寸细小、分布均匀,基体与增强材料间相容性好,界面润湿性好,采用该技术制备的复合材料的综合性能比较高,生产工艺简单,成本较低。4.挤压铸造法此工艺先将增强体制成预成型体,放入固定模型内预热至一定温度,浇人金属熔体,将模具压下并加压,迅速冷却得到所需的复合材料。挤压铸造法特点:可以制备出增强相非常高体积分数(40%～50%)的金属基复合材料,由于在高压下凝固,既改善了金属熔体的浸润性,又消除了气孔等缺陷,因此,挤压铸造法是制造金属基复合材料质量较好,可以一次成型。5.喷射成形法工艺的实质是:将液体金属在高压惰性气体喷射作用下雾化成微细颗粒,然后喷射沉积在一定形状的收集基板上,得到快速凝固因而获得致密的金属半成品。喷射成形法特点:得到细小、致密、成分均匀的组织,具有快速凝固工艺的特点,生产工序简单,生产成本较低,适用于生产各种形状的预成形金属制品。应用举例1.在陆上运输领域的应用2.在电子/热控领域的应用3.航空航天方面航空航天用高温材料，可用作飞机涡轮发动机和火箭发动机热区和超音速飞机的表面材料。4.其他方向目前已小批量应用于汽车工业和机械工业。在5～15年内有商业应用前景的是汽车活塞、制动机部件、连杆、机器人部件、计算机部件、运动器材等。展望金属基复合材料的制备工艺及理论研究发展很快,但仍处在研究阶段,还未进入批量生产,少量产品虽有制品,但距离实际应用还有一段距离。金属基复合材料在提高强度、硬度、弹性模量的同时,却大大地降低了其塑性,不利于对复合材料二次塑性加工。但随着半固态成形技术和理论不断成熟与发展。为金属基复合材料的半固态成形开拓了新的发展方向。