金属基复合材料性能的影响因素

金属基复合材料性能的影响因素

摘要：金属基复合材料具有高比强度、高比模量、低热膨胀系数等优点，近年来发展非常迅速。但其性能一致性差的问题制约了其应用，因此复合材料的性能设计受到了普遍的关注。本文综述了基体、增强体、基体与增强体相容性、工艺、界面等因素对金属基复合材料性能的影响。

关键词：金属基复合材料性能影响因素设计

1 引言

金属基复合材料被誉为21世纪的材料, 它兼有金属的塑性和韧性，以及其它材料如陶瓷的高强度和高刚度，而且比重小，因此具有较高的比强度、比刚度和更好的热稳定性、耐磨性以及尺寸稳定性等优点，从而在机械、汽车、航空航天、兵器、电子等许多领域得到了应用[1~3]。

尽管金属基复合材料在过去的30年里在世界范围内得到了广泛的研究和发展，但是还没有在工业上得到广泛的应用，其原因主要在于它的成本高、性能低于期望值、相对较低的稳定性和大的性能波动、不可回收利用、环境污染等几个障碍[4~5]。目前在国内发展复合材料，关键是要实现低成本、高性能、一致性好、稳定的制备技术和根据力学原理以及使用者的期望设计出令用户满意的性价比的材料。这就涉及到复合材料的设计问题，而性能决定了复合材料在工程上的应用，所以性能的影响因素一直是研究的热点。但是由于金属基复合材料的强化机理不明确，至今在金属基复合材料的设计理论上还存在着较大的盲目性。因此对复合材料性能的影响因素的研究是一个使金属基复合材料走出低谷获得突破的重要课题。

2 影响金属基复合材料的因素

2.1 基体的影响

不同的基体对复合材料的抗拉强度、屈服强度、结合强度有较大的影响。但并不是基体强度越高，复合材料的强度越高，而是存在一个最佳匹配[6]。姜龙涛等[7]对AlN颗粒在不同铝合金中的增强行为的研究表明，在低强度的L3纯铝上可以得到最大的增强率，而在高强度的LY12合金上没有得到高的增强率，相比之下具有良好塑性和较高强度的LD2合金作为基体时，具有较高的强度。而康国政等[8]认为基体本身的强度较低时，复合材料中基体的强度将有较大幅度的提高，因此对基体本身强度较低的复合材料通过基体原位性能的大幅度提高使复合材料抗拉强度的提高十分明显。这些研究都说明基体同增强体之间存在着优化选择、合理匹配的问题。

基体的合金化也对复合材料的强度有重要影响。Tsudo等[9]探讨过铝合金成分对

Al2O3颗粒增强铝基复合材料力学性能的影响。他们的研究表明Cu和Ni加到铝合金中，高温时抗弯强度增加，增加Al的体积分数也能增加抗弯强度．

另外稀土元素的加入也能提高复合材料的强度，如稀土Ce的加入对基体起着强化作用[10]。但是稀土元素对复合材料具体的强化原因目前尚未有一致的结论。

2.2 增强体的影响

增强体的加入可以通过对基体金属的显微组织，如亚结构、位错组态、晶粒尺寸及材料密度等的改变，改善和弥补基体金属性能上的不足。增强体的性质对复合材料的强度起着至关重要的作用。加入增强体后，材料的抗拉强度和屈服强度都有所提高。增强体的主要贡献是通过基体合金的微观组织变化实现的，另外它是载荷的主要承受者，其次它对位错的产生，亚晶结构细化也起着重要的影响。

例如SiCp／Al复合材料由于增强颗粒的加入，晶界面积增加，固溶处理时，基体内由于热错配产生的位错，异号位错相互抵消，同号位错则经攀移排列成垂直于滑移晶面的小角度晶界形成亚晶界，这样亚晶界面积也随之相应增加。由Hall-Petch关系式可知，晶界、亚晶界的增加，基体合金晶粒、亚晶结构和共晶Si颗粒细化，可在一定程度上提高复合材料的强度[11]。

2.3 基体和增强体相容性的影响

基体合金与颗粒增强体之间的界面相容性也是一个必须重视的问题。尤其当采用铝合金为基体时，界面上常出现氧化物元素富集等现象，有时界面上基体与增强体发生化学反应生成新相，如Al4C3、MgO或MgAl2O4。因此对于不同的颗粒增强体，为避免界面反应物产生的危害，在保证复合材料性能的前提下基体合金的成分应有所调整。由于铝合金中的不同溶质元素所引起的时效析出行为具

有一定的差异，颗粒增强铝基复合材料对基体的显微组织十分敏感。从这一角度出发，为充分发挥复合材料的性能优越性，也必须选择合适的基体合金[12]。

此外，颗粒增强体的加入，导致了基体合金的微观组织发生显著的变化。主要体现为，由于基体和增强体热膨胀系数（CET）的差别引起的错配应力在基体中诱发了高密度位错、晶粒尺寸变化、残余应力（热错配应力）、时效析出组织等。这些微观组织的改变都会不同程度地对复合材料的性能产生重要的影响[12]。

2.4 工艺的影响

不同的制备方法使得复合材料的性能有很大的差异。热处理工艺，例如淬火就能对复合材料起到一定的强化作用。时效对复合材料也有明显的强化作用。二次加工对复合材料的强度也有很大的影响。

原位生成法制备的复合材料，由于原位增强相不仅尺寸非常细小（一般＜1um），

而且与基体有着良好的界面相容性，从而使得这种复合材料较传统的外加增强相复合材料具有较高的强度。高能球磨法使增强体颗粒弥散均匀分布于基体中，而常规混合法制备的复合材料中存在增强体颗粒的偏聚现象[13]。颗粒越均匀越有利于提高复合材料的强度。

2.5 界面的影响

界面是复合材料中普遍存在且非常重要的组成部分，是影响复合材料行为的关键因素之一。金属基复合材料宏观性能的好坏很大程度上取决于基体和增强体之间的界面结合状况[14]。而温度－时间引起的界面反应是金属基复合材料中大多数承载体不能发挥最佳性能的主要原因之一。为了获得更高的强度，应该形成稳定的界面结合。界面结构与性能是基体和增强体性能能否充分发挥，形成最佳综合性能的关键。金属基复合材料的界面结构非常复杂，有3种结合类型5种结合方式[4]，而且界面区尺寸为纳米级，难以分析表征，很多问题在理论上难以解释。为了兼顾有效传递载荷和阻止裂纹扩展两个方面，必须要有最佳的界面结合状态和强度。

目前有很多界面优化的方法，具体手段有：金属基体合金化、增强体表面涂层处理、改变粘结剂及制备工艺和参数的控制等。

3 结束语

金属基复合材料作为新兴的材料，具有特殊的优异性能，更由于其可设计性，被认为是具有很大实用价值的先进材料。金属基复合材料在提高其性能及加工方面仍处于研究阶段。

影响金属基复合材料性能除了以上这些内部因素外，还有很多外部因素，如温度、环境都会对金属基复合材料的强度产生影响。如何有效地利用有利因素，去除不利因素，从而提高金属基复合材料的性能是个值得进一步探讨的问题。

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