金属复合材料

金属基复合材料论金属基复合材料（MMC），这一术语包括很广的成分与结构，共同点是有连续的金属基体（包括金属间化合物基体）。现代科学技术对现代新型材料的强韧性，导电、导热性，耐高温性，耐磨性等性能都提出了越来越高的要求。与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度，而与高分子基复合材料相比，它又具有优良的导电性而耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。这些优良的性能决定了它从诞生之日起就成了新材料家庭中的重要一员。它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大

一、金属基复合材料分类

通常，金属基复合材料根据增强相、基体种类或材料特性进行分类。由于金属基复合材料的特性，特别是力学性能与增强相的形态、体积分数、取向，以及分散等直接相关，故多采用增强相对复合材料进行分类。但是，具有两种以上的增强相的混合复合材料是很难包括在增强相分类复合材料中的。例如，采用晶须和颗粒两种增强材料的复合材料。随着新型复合材料的不断开发，其分类的界线将变得模糊。

1.1. 按用途分类：

⑴结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。

⑵功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化

组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。强调具有电、热、磁等功能特性

⑶智能复合材料则强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。

1.2.按增强材料形态分类

可分为纤维增强金属基复合材料、颗粒和晶须增强金属基复合材料。

1.3.按金属基体分类

可分为铝基复合材料，钛基复合材料、镁基复合材料、高温合金复合材料和金属间化合物复合材料。

1.4.按增强体类型分类

则可分为单片、晶须（或者纤维）和颗粒

二、金属基复合材料的制备

2.1粉末冶金复合法

粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法等适合于分散强化型复合材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。粉末冶金复合法的工艺主要优点是：基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选择强化颗粒的种类、尺寸，还可多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现颗粒均匀化。缺点是：工艺复杂，成本高；制品形状、尺寸受限制；微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料等

目前金属基复合材料的制备工艺主要有哪些?

2.2、半固态复合铸造法

半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。通常金属凝固时，初生晶以枝晶方式长大，固相率达0.2%左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌则使树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中，这种颗粒状非枝晶的微组织在固相率达0.5%～0.6%仍具有一定的流变性。液固相共存的半固态合金因具有流变性，可以进行流变铸造；半固态浆液同时具有触变性，可将流变铸锭重新加热到固、液相变点软化，由于压铸时浇口处及型壁的剪切作用，可恢复流变性而充满铸型。强化颗粒或短纤维强化材料加入到受强烈搅拌的半固态合金中，由于半固态浆液球状碎晶粒对添加颗粒的分散和捕捉作用，既防止颗粒的凝聚和偏析，又使颗粒在浆液中均匀分布，改善了润湿性并促进界面的结合。

2.3、离心铸造法

广泛应用于空心件铸造成形的离心铸造法，可以通过两次铸造成型法成形双金属层状复合材料，此方法简单，具有成本低、铸件致密度高等优点，但是界面质量不易控制，难以形成连续长尺寸的复合材料。

2.4、加压凝固铸造法

该法是将金属液浇注铸型后，加压使金属液在压力下凝固。金属从液态到凝固均处于高压下，故能充分浸渗，补缩并防止产生气孔，得到致密铸件。铸、锻相结合的方法又称挤压铸造、液态模锻、锻铸法等。加压凝固铸造法可制备较复杂的MMCs零件，亦可局部增强。由于复合材料易在熔融状态下压力复合，故结合十分牢固，可获得力学性能很高的零件。这种高温下制成的复合坯，二次成

型比较方便，可进行各种热处理，达到对材料的多种要求。

2.5直接氧化（DIMON）法

直接氧化法是由氧化性气体在一定工艺条件下使金属合金液直接氧化形成复合材料。通常直接氧化法的温度比较高，添加适量的合金元素如Mg、Si等，可使反应速度加快。这类复合材料的强度、韧性取决于形成粒子的状态和最终显微组织形态。由于形成的增强体可以通过合金化及其反应热力学进行判断，因此可以通过合金化、炉内气氛的控制来制得不同类型增强体的复合材料。

三、复合材料的一般性能特点

3.1. 高比强度、比刚度：

①纤维增强金属基复合材料的比强度、比模量明显高于金属基体。

②颗粒增强金属基复合材料的比强度虽无明显增加，但比模量明显提高。

③横向模量和剪切模量，金属基复合材料远高于聚合物基复合材料。

3.2 高韧性和高冲击性能:

①金属基复合材料中的金属基体属韧性材料，受到冲击时能通过塑性变形来接受能量，或使裂纹钝化，减少应力集中而改善韧性。

②因而相对聚合物、陶瓷基复合材料而言，金属基复合材料具有较高的韧性和耐冲击性能。

③在硼/铝复合材料中，在铝中扩展的裂纹尖端应力可达到350MPa，而纤维的局部强度接近4.2GPa。当裂纹在垂直于外张力载荷方向扩展时，会受到纤维/基体界面的阻滞。因为基体中的裂纹顶端的最大应力接近基体的拉伸强度，而低于纤维的断裂应力时，裂纹或在界面扩展钝化，或因基体的塑性剪切变形而钝化，从而改善了复合材料的断裂韧性。

3.3 对温度变化和热冲击的敏感性低:

①与聚合物、陶瓷基复合材料相比，金属基复合材料的物理与机械性能具有高温稳定性，即对温度不敏感；耐冲击性能优良。

②特别是聚合物基复合材料的耐热冲击性能对温度变化非常敏感，在接近其玻璃化温度时更为明显；

③陶瓷基复合材料的耐热冲击性能与金属基复合材料相比也比较差

3.4 表面耐久性好，表面缺陷敏感性低

金属基复合材料中的金属基体能通过塑性变形来接受能量，或使裂纹钝化，因而表面耐久性

好，表面缺陷敏感性低。尤其是晶须、颗粒增强复合材料常用做工程中的耐磨部件使用。

3.5 导热、导电性能好

3.6 性能再现性好

3.7 良好的热匹配性:

硼纤维与钛合金的热膨胀系数接近，硼/钛复合材料中的热应力可降至很低；石墨/镁、碳/

铝复合材料经设计后的热膨胀系数接近于零；晶须、颗粒增强复合材料的热膨胀系数具有各向同性。

四、金属基复合材料的应用

由于金属基复合材料具有极高的比强度、比刚度，以及高温强度，首先在航空航天上得到应用，今后也将在航空航天领域占据重要位置。随后，在汽车、体育用品等领域也得到了应用，特别是晶须增强复合材料和颗粒增强复合材料在日本的民用领域得到较好的应用。目前以铝基、镁基、铁基复合材料发展较为成熟，己在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。金属基复合材料按组织形态可分为宏观组合型和微观强化型两类

五、金属基复合材料的发展

金属基复合材料的例子可追溯到古文明时期。在土耳其发现的公元前7000年的铜锥子，它是经过反复拓平与锤打研制成的。在这个过程个，非金属夹杂物被拉长。弥散强化金属材料：始于

1924年，Schmit关于铝／氧化铝粉末烧结，导致上世纪50及60年代的广泛研究。沉淀强化的理论于30年代，并在以后的几十年里得到了发展。金属基复合材料真正的起步是在20世纪50年代60年代初。美国国家航空和宇航局(NASA)成功地制备出W丝增强的Cu基复合材料，成为金属基材料研究和开发的标志性起点。随后，对纤维金属基复合材料的研究在20世纪60年代迅速发展来。那时，主要的力量集中在以钨和硼纤维增强的铝和铜为基的系统。在这种复合材料里，基体的主要功能在于把载荷传递和分配给纤维。增强体的体积分数一般都很高(约40％-80％)，得出的轴向性能都很好，因而基体的组织与强度似乎是次要的。关于连续纤维增强的复合材料的研究在70年代里有点滑坡，主要归咎干该材料的昂贵价格和受生产制造的限制。涡轮发动机的各个部件对于高温高效性材料的不断需求，触发了对金属基复合材科特别是钛基材料的广泛兴趣的复苏。

七、总结

我国金属基复合材料的研究起步仅落后于美、日等国不到五年。鉴于国际上金属基复合材料尚未大规模生产，因此目前差距不大。目前主要集中在以轻金属（如铝、镁、钛）等为基体的复合材料研究，少量研究致力于铜、铁、铅的复合材料。增强的形式包括连续纤维、短纤维、晶须和颗粒。鉴于国际的发展趋势侧重于连续的颗粒、晶须和短纤维方面，因此我国的研究也早已转向这方面。但在关于其理论基础性研究的理论深度上与国外有一定的差距，特别是在原子、分子水平上深入认识界面的结构方面不够，这主要是缺少先进的分析表征手段和物理学家的介入不够有关。另外，复合材料可持续发展实用化降低成本的要求使金属基复合材料的再生问题显得尤为重要，应该加强对金属基复合材料的再生研究工作。对于大批量生产的复合材料来讲，轧制复合是特别有效的复合方法。无论采用热轧还是冷轧，在不同的材料复合中都在广泛的研究和应用。其适用性和经济性是其它复合方法所不能比拟的。总之，我国对复合材料科学研究正方兴未艾，目前的科学研究正向着使复合材料廉价和提高可靠性方面发展，以加强复合材料与其他传统材料的竞争优势。