金属基陶瓷复合材料制备技术研究发展与应用

·8· 材料导报网刊 2009年12月第4卷第4期

*973计划前期研究专项(2008CB617613)

付鹏：男，1981年生，硕士生，从事复合材料研究

金属基陶瓷复合材料制备技术研究进展与应用*

付 鹏，郝旭暖，高亚红，谷玉丹，陈焕铭

（宁夏大学物理电气信息工程学院，银川 750021）

摘要 综述了国内外在金属基陶瓷复合材料制备技术方面的最新研究进展与应用现状，展望了国内金属基陶瓷复合材料的未来发展。

关键词 金属基陶瓷复合材料 制备技术 应用

Development and Future Applications of Metal Matrix Composites

Fabrication Technique

FU Peng , HAO Xunuan, GAO Yahong, GU Y udan, CHEN Huanming

(School of Physics & Electrical Information Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021)

Abstract Recent development and future applications of metal matrix composites fabrication technique are reviewed and some prospects of the development in metal matrix composites at home are put forward.

Key words metal-based ceramic composites, fabrication technique, applications

0 引言

现代高技术的发展对材料性能的要求日益提高，单一材料已很难满足对性能的综合要求，材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。陶瓷的高强度、高硬度、高弹性模量以及热化学性稳定等优异性能是其主要特点，但陶瓷所固有的脆性限制着其应用范围及使用可靠性[1—3]。因此，改善陶瓷的室温韧性与断裂韧性，提高其在实际应用中的可靠性一直是现代陶瓷研究的热点。与陶瓷基复合材料相比，通常金属基复合材料兼有陶瓷的高强度、耐高温、抗氧化特性，又具有金属的塑性和抗冲击性能，应用范围更广，诸如摩擦磨损类材料、航空航天结构件、耐高温结构件、汽车构件、抗弹防护材料等。

1 金属基陶瓷复合材料的制备

金属基陶瓷复合材料是20世纪60年代末发展起来的，目前金属基陶瓷复合材料按增强体的形式可分为非连续体增强（如颗粒增强、短纤维与晶须增强）、连续纤维增强(如石墨纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等)[4—6]。实际制备过程中除了要考虑基体金属与增强体陶瓷之间的物性参数匹配之外，液态金属与陶瓷间的浸润性能则往往限制了金属基陶瓷复合材料的品种。目前，金属基陶瓷复合材料的制备方法主要有以下几种。

1.1 粉末冶金法

粉末冶金法制备金属基陶瓷复合材料即把陶瓷增强体粉末与金属粉末充分混合均匀后进行冷压烧结、热压烧结或者热等静压，对于一些易于氧化的金属，烧结时通入惰性保护气体进行气氛烧结。颗粒增强、短纤维及晶须增强的金属基陶瓷复合材料通常采用此种方法，其主要优点是可以通过控制粉末颗粒的尺寸来实现相应的力学性能，而且，粉末冶金法制造机械零件是一种净终成型工艺，可以大量减少机加工量，节约原材料，但粉末冶金法的生产成本并不比熔炼法低[7]。

1.2 熔体搅拌法

熔体搅拌法是将制备好的陶瓷增强体颗粒或晶须逐步混合入机械或电磁搅拌的液态或半固态金属熔体中冷却形成坯锭的过程，制备过程对设备的要求较低，生产制备工艺相对简单。由于伴随搅拌过程，材料中容易形成气孔和夹杂而影响产品的质量，同时基体和增强体之间的密度差往往造成增强体分布不均匀的现象。熔体搅拌法制备的工件通常需要进一步的热处理和二次机加工来达到使用性能的要求[8]。

1.3 金属陶瓷共沉积法

在喷射沉积制备金属材料的基础上发展的金属陶瓷共沉积法是将液态金属通过氩气等惰性气体雾化成金属液滴，金属液滴在喷射途中与增强体陶瓷颗粒碰撞会合，共同沉积于水冷衬底上复合形成金属基陶瓷复合材料。由于金属液滴尺寸小，凝固冷却速率快，无宏观偏析等快速凝固材料的优越特性，抑制了界面的高温反应，材料微观组织均匀性高，但金属陶瓷共沉积法工艺优化条件复杂，容易出现不够密实的组织疏松等冶金缺陷[9,10]。

1.4 叠层复合法

叠层式金属基复合材料是先将不同金属板用扩散方法结合，然后用离子溅射或分子束外延将金属层/陶瓷层叠合成复合材料。这种复合材料性能好，已经少量应用于航空航天及军用设备上，如航天飞机中部的货舱桁架、卫星上的天线结构件、波导管、运输机货舱地板等，但叠层复合法工艺复杂，材料有明显的各向异性[11—13]。

金属基陶瓷复合材料制备技术研究进展与应用/付鹏等·9·

1.5 浸渗法

浸渗法分为压力浸渗和无压浸渗，首先需要把增强体做成多孔预制件，然后在压力或无压条件下将液态金属渗入多孔预制件。对于液态金属与陶瓷浸润性能差的复合体系采用压力浸渗法将液态金属压入多孔预制件，对于浸润性能好、预制件孔径小的复合体系可利用熔体的毛细力无压浸渗。无论是压力浸渗还是无压浸渗，多孔预制件的互连通性对复合材料的密实度及力学性能等有重要影响，另外，为消除气体对材料性能的影响，发展了真空热压与真空无压浸渗[14—17]。

2 金属基陶瓷复合材料的应用

近十多年来，工业发达国家都制定了全国性的研究计划来大力发展金属基复合材料，其长远目标是发展一种使用温度和力学性能介于Ni基高温合金和高温陶瓷材料之间的高温结构材料，使其使用温度更高而高温力学性能特别是强韧性更好。金属基陶瓷复合材料是实施这一目标的一个重要方面。

迄今为止，金属基陶瓷复合材料的加工工艺尚不够完善，还没有形成大规模批量生产，受到的主要制约因素是加工难度高、加工时间长等。目前最大的应用出路是在汽车工业方面，如氧化铝增强铝合金制成镶圈以代替含镍奥氏体铸铁镶圈，不仅耐磨性相当，还可以减轻质量、简化工艺和降低成本。另外，发动机缸套、连杆、连杆销、刹车盘等也在试用金属基陶瓷复合材料制造。其他方面如运动器材、自行车车架、各种型材以及装甲车履带、轻质防弹装甲等也有报道，但用量较少[18]。

由于其制造成本高，工艺复杂，使之与金属材料相比出现价格高、稳定性差等问题，阻碍其应用进程。通过深入研究组织结构与性能的关系，适度控制界面反应，探索新的复合工艺方法等提高生产效率和改善制品质量是进一步扩大金属基陶瓷复合材料应用的关键。近年来发展了一种以多孔陶瓷作为预制体，利用无压浸渍工艺制备具有金属/陶瓷网络互穿结构的金属基复合材料的工艺路线，从而找到了一个有可能突破应用困难的缺口[19,20]。

3 金属基陶瓷复合材料的研究热点

3.1 金属基陶瓷复合材料的界面结构

金属基陶瓷复合材料的界面结构对复合材料性能的影响极大，多数金属基复合材料是以界面反应的形式相结合，但是界面反应的程度受工艺方法及温度参数的控制，所以制备的界面微区结构非常复杂。界面结构一方面起到传递应力的作用，另一方面使裂纹偏转和吸收能量[21]，因此通过控制工艺方法和优化制备过程获得最佳界面结合状态是金属基陶瓷复合材料界面结构研究的重要内容之一。而且，对于界面精细结构的测定和表征，比较清楚地了解界面结构与力学性能间的关系，以及对界面进行预处理来改善界面润湿性和控制界面反应产物等方面的工作对于提高金属基陶瓷复合材料的综合力学性能也至关重要。

近几年来，发展的增强体和增韧体在三维空间网络互穿分布的复合材料复合方法具有显著的特点，如这种复合材料可以容纳更高体积分数的陶瓷相，从而有利于将应力集中迅速分散和传递，抑制基体合金的塑性变形和高温软化，大幅度提高材料的承载能力或抗冲击能力、抗耐磨性等[22—24]。因此，这种金属/陶瓷网络互穿复合材料由于可以避免传统金属基复合材料存在各向异性的弊端，其界面结构对损伤容限的影响、界面分布状态与形式对裂纹的桥接作用等也是研究者关注的主要方面。

3.2 连续增强金属基陶瓷复合材料的制备

连续增强金属基陶瓷复合材料是指陶瓷增强体具有三维连通骨架结构的复合材料。从材料相组成的空间拓扑分布形式上看，这种三维网络金属/陶瓷骨架复合材料内部金属/陶瓷在三维空间上呈连续分布的特点，材料性能更高且成本降低，材料失效的危险性大大降低，引起了国内外学者的广泛关注。这种三维双连续复合材料制备方法[25,26]可分为两大类：（1）化学反应直接合成（原位复合工艺）微结构连接的复合材料；（2）制造孔隙连通的预制体，然后浸渗金属并凝固成型。其中，原位复合工艺基本上能克服基体与增强体浸润不良、界面反应产生脆性层、增强体分布不均匀等问题，作为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视，包括直接氧化法、自蔓延法、原位共晶生长法等。这些方法虽各有特点，但具有共性，即复合材料的强度、韧性以及其他力学性能取决于原位生长的增强相本身物理性质和几何尺寸以及显微组织形态和基体相的含量。研究热点集中在合金的配制、参与反应物质的设计、工艺方法、原位反应机理和过程的研究以及原位复合材料微结构与性能的研究等方面。值得一提的是近20年来发展非常迅速的自蔓延高温合成材料制备新技术，由于燃烧过程中反应速度快，温度梯度高，造成生成物的晶体点阵具有高密度的缺陷，易于生成多孔的骨架结构，使生成物具有很大的表面积。这种方法生产周期短、能耗小、工艺简单。

较成熟的多孔陶瓷预制体成型与制备技术主要有海绵预制体挂浆成型、陶瓷泡沫成型、陶瓷粉末烧结、溶胶-凝胶等方法。近年来发展了微波加热工艺、颗粒堆积工艺、注凝成型工艺、凝胶铸造工艺、模板添隙工艺、冷冻干燥工艺等新的制备技术[20,27—29]。孔隙尺寸则具有较大的变化范围，从溶胶-凝胶法的几纳米、冷冻干燥工艺的几微米到有机泡沫浸浆法可达到的几毫米。文献[30]报道了连通结构的Al/Al2O3复合材料，孔隙率约1%，陶瓷体体积分数达75%。实验结果表明陶瓷预制体中的孔隙形貌为略有变形的颗粒堆积空隙，尺寸在0.08～1μm之间。这种细观结构导致了在陶瓷/金属界面上生成了大量的界面反应过渡带，所制备的材料断裂韧性达10.5MP a·m1/2，断裂强度达810MPa。

3.3 力学性能多尺度计算与设计

金属基陶瓷复合材料的力学行为取决于其微观结构特点，正确认识并计算微结构对宏观力学行为的影响是金属基陶瓷复合材料设计的基础。该领域的研究人员通过发展微米尺度、纳米尺度和原子尺度的多尺度计算模拟方法[31—35]，定量揭示不同层次结构及其演化对宏观力学行为的影响，为材料设计、力学性能预报、实验工艺制定等提供理论指导。

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目前所采用的主要方法有差分法、有限元方法、蒙特卡罗法、分子动力学方法、相场法、边界元、复分析等，可应用于金属基陶瓷复合材料物性参数以及在相应环境条件下的应力场、温度场、浓度场、损伤演化等方面的计算。优化多尺度计算的物理模型使其更接近实际状态、采用新算法不断提高计算效率以及应用数学理论的一些新成果等是其力学性能多尺度计算与结构设计的研究热点之一。

4 展望

国内在此领域的研究还非常有限，体现在：（1）所选用的金属间化合物和与之匹配的陶瓷基体形成复合材料的体系还很有限，因此，寻求更多更合理的金属间化合物与陶瓷相复合的陶瓷基金属间化合物复合材料是一项有意义和必要的工作；（2）目前所报道的金属基陶瓷复合材料的机械性能不尽理想，在高温强度方面、高温蠕变性能方面的研究也十分有限，使得金属基陶瓷复合材料未能得到大范围的真正实际应用；（3）一些制备方法目前只适合于实验室研究，难以真正用于实际工业生产；（4）复合材料制备工艺过程-微观组织结构-力学性能之间的关系、断裂方式和强化机理等方面的研究还有待于进一步的深入。以上4个方面应当是金属基陶瓷复合材料进一步研究发展的主要趋势。

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