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