金属基复合材料的分类及制造技术研究进展

摘要：研究金属基复合新材料是当代新材料技术领域中的重要内容之一。

金属基复合材料具有高比强度、高比模量、较好的耐热性和更低的热膨胀系数等优点，针对金属基复合材料的制备工艺不完善、成本高、难形成大规模的生产等弱点，并结合国内外相关工作的研究状况，从金属基复合材料的分类、性能特点以及制成品的制备技术与应用方面，对其领域内取得的研究成果进行了总结和分析。

评述了金属复合材料的制备技术和目前存在的问题，探讨了我国金属基复合材料未来的研究重点。

关键词：金属基复合材料；分类；制备技术中图分类号：TG421文献标识码：C 文章编号：1001－2303(2011)07－0090－05第41卷第7期2011年7月Vol．41No．7Jul．2011Electric Welding Machine陈素玲，孙学杰(四川工程职业技术学院材料工程系，四川德阳618000)Classification and manufacturing technologies of metal matrix compositesCHEN Su-ling ，SUN Xue-jie(Department of Material Science and Engineering ，Sichuan Engineering Technical College ，Deyang 618000，China)Abstract ：Studying on metal matrix composite is one of the important tasks in the modern field of new materials technology．In thispaper ，according to the weaknesses of incompletely manufacturing method ，difficult forming and low-production ，the research production was generalized and analyzed ，which based on the higher specific strength and specific modulus ，the best resistance to effect of heat and lower thermal expansion coefficient．Combined with the study condition ，the metal matrix composite was studied on the classifications ，properties ，manufacturing methods and application of metal matrix composite．And the manufacturing technologies and defects were mainly commented,meanwhile,the future researching scope of the metal matrix composites was discussed．Key words ：metal matrix composites ；classification ；manufacturing method 0前言随着科学技术的大力发展，对材料性能的要求也越来越高，现有高强度、高模量、耐高温、低密度的单一材料已远远不能满足使用要求。

为此，国内外大量学者采用复合技术将不同性能的材料复合起来，取长补短，得到单一材料无法比拟的、综合性能优越的新型复合材料[1－3]。

复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体，通过复合工艺形成的材料。

它克服了单一材料的某些弱点，产生协同效应，使之综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求[4－6]。

与普通单增强相复合材料相比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。

复合材料的种类繁多，按其基体材料不同可分为金属基、树脂基和陶瓷基复合材料。

目前，金属基复合材料是我国应用较为广泛、发展迅速的复合材料。

它采用金属或合金为基体，以纤维、晶须、颗粒等为增强体，通过合理的设计和良好的复合工艺，使基体和增强体之间取长补短，发挥了各自的性能及工艺优势[7－8]。

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(强度和密度之比)、比模量(模量和密度之比)，更好的耐热性以及更低的热膨胀系数。

迄今为止，由于金属基复合材料的制备工艺不完善、成本高等因素，导致难以大规模生产[9－10]。

基于此，本研究结合国内外相关的研究状况，总结分析了金属基复合材料的分类、性能特收稿日期：2011－02－22作者简介：陈素玲(1981—)，女，河南洛阳人，硕士，主要从事焊接工艺制订等工作。

金属基复合材料的分类及制造技术研究进展点、制备技术等方面的研究成果，重点评述金属复合材料的制备技术和目前存在的问题，并探讨了金属基复合材料未来的研究重点。

1金属基复合材料的分类和性能金属基复合材料除力学性能优异外，还具有某些特殊性能和良好的综合性能，应用范围广泛。

依据基体合金的种类可分为：轻金属基复合材料、高熔点金属基复合材料、金属间化合物基复合材料。

按增强相形态的不同可划分为：连续纤维增强金属基复合材料、短纤维增强金属基复合材料、晶须增强金属基复合材料、颗粒增强金属基复合材料、混杂增强金属复合材料[11－13]。

以下从基体、增强体以及复合材料的性能应用等方面，分别予以评述。

1．1合金基体复合材料性能铝、镁、钛、铜合金及金属间化合物合金是目前应用广泛、发展迅速的轻金属合金。

用其制成的各种高比强度、高比模量的轻型结构件广泛地应用于航天、航空和汽车工业等领域[14]。

铝基复合材料具有轻质、高强、高韧性、导热性较好的性能特点，且铝基复合材料适用的制备方法多，易于塑性加工，制造成本低。

与铝基复合材料相比，镁基复合材料最大的优点是质量更轻，多用于航天、空间等对构件质量有严格要求的高技术领域[15－18]。

铜的导电性、导热性和塑性在金属中名列前茅，属于廉价金属，但在铜中加入增强体可提高其强度、刚度、耐热性和降低热膨胀系数，所以铜基复合材料有良好的导热性可有效地传热散热，能减少构件受热后产生的温度梯度，主要用于电力工业和半导体工业。

铝基复合材料在温度高于300℃后，其强度迅速下降，极限工作温度约350℃，相比之下，钛基复合材料比铝基复合材料有更高的耐热性，但成本明显高于铝基复合材料，因此，钛基复合材料应用领域主要集中于飞行器及发动机的耐热零部件。

另有一类主要用于高温作业轻质高强结构件方面的金属间化合物基复合材料，此类复合材料具有轻质、高温性能高的特点，故被选用在发动机等高温零部件上，可大幅度提高发动机的性能和效率。

通常金属间化合物基复合材料的增强体有SiC、TiB2、TiC颗粒等，常见的基体有NiAl、TiAl。

1．2增强体金属基复合材料金属基复合材料的增强体是一些不同几何形状的金属或非金属材料。

目前，其增强相已有很多，重要的有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、SiC纤维、SiC晶须；颗粒型的有SiC、碳化硼、图化钛等；丝状的有钨、铍、硼、钢等。

金属基复合材料按其增强材料的几何形态可划分为以下几类[13]。

(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3～150μm(晶须直径小于1μm)，纵横比(长度／直径)在102以上[19]。

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，但连续纤维增强复合材料的复合和加工工艺独特、复杂、不易掌握和控制，因此该类复合材料的制造成本很高。

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[15]。

短纤维增强金属基复合材料成本比连续纤维增强金属基复合材料低得多，与基体合金相比，短纤维增强金属基复合材料具有较高的比强度、比刚度和高耐磨性，其各向异性要远远小于连续纤维增强复合材料。

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。

与连续纤维增强金属基复合材料相比，其各向异性极小；与短纤维增强复合材料相比，晶须增强复合材料的性能更高；而晶须在复合材料中的体积分数一般不超过30％，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，颗粒平焊接材料陈素玲等：金属基复合材料的分类及制造技术研究进展第7期均直径在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[16]。

颗粒增强金属基复合材料是各向同性、颗粒价格最低、来源最广、复合制备工艺多样、最易成形和加工的复合材料。

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。

2制备工艺与分析金属基复合材料的复合制备工艺复杂、技术难度较大，但制备技术研究是决定该类材料迅速发展和广泛应用的关键问题。

所以，研究开发实用有效的制备方法一直是金属基复合材料的重要问题之一。