金属基复合材料的制备技术及难点

金属基复合材料制备的关键技术及难点
摘要：针对金属基复合材料的制备问题，本文简述了金属基复合材料制备的几个关键技术及难点，并简单指出了相应的解决方案。

其中引用了一些文献中较为优秀的制备技术，并概述了金属基复合材料的应用领域及发展方向。

1、背景
金属基复合材料是以金属为基体，以纤维、颗粒、晶须等为增强体材料，并均匀地分散于基体材料形成的两相或多相组合的材料体系，而用于制备这种复合材料的适当方法称之为复合材料制备技术。

金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于材料的制备技术，因此研究和发展有效的制备技术一直是金属基复合材料研究的重要问题
之一。

2、内容
由于金属所固有的物理和化学特性，其加工性能不如树脂好，在制造金属基复合材料中还需解决一些关键技术，其中主要表现为一下几个方面：
加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应。

在加工过程中，为了保持基体的浸润性和流动性，需要采取很高的加工温度（往往接近或高于基体的熔点）。

在高温下，基体与增强材料易发生界面反应，有时也会发生氧化生成有害的反应产物。

这些反应往往会对增强材料造成伤害，形成过强结合界面。

过强结合界面会使材料产生早期低应力破坏。

高温下反应产物通常呈脆性，会形成复合材料整体破坏的裂纹源。

因此控制复合材料的加工温度是一项关键的技术。

解决方法：尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应时间降低至最低程度；通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快；采用扩散粘接法可有效地控制温度并缩短时间。

如朱波等人通过热压法在大气环境下采用镁铝共晶合金粉末(Mg-31at.%Al)和铝镁共晶合金粉末(Mg-62at.%Al)作为中间层(钎料),热压压头温度分别在460℃、480℃和480℃、500℃下,施加30 MPa压力,保压1min,成功制备了100mmx 100mm×2.4mm的AZ31B/Al复合板。

X射线无损检测表明镁铝复合板层界面完整,无气孔、未熔合等缺陷。

利用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察分析了不同工艺参数下所制备的镁铝复合板的层界面微观组织结构。

结果表明：热压过程中,中间层(钎料)与两侧基体均发生明显的扩散,层界面通过扩散形成冶金结合。

在采用镁铝共晶合金粉末制备的镁铝复合板的层界面上,从AZ31B镁合金板到1050纯铝板依次形成α-Mg+Mg17Al12双相层、Mg17Al12单相层和Mg2Al3单相层；在采用铝镁共晶合金粉末制备的镁铝复合板的层界面上,从AZ31B镁合金板到1050纯铝板依次形成Mg17Al12单相层和Mg2Al3单相层。

采用粘接拉伸法,测试了镁铝复合板层界面的结合强度,并利用扫描电镜和X射线衍射仪观察和分析了断面的组织形貌和物相组成。

结果表明：镁铝复合板的层界面结合强度可达24 MPa,层界面沿较厚的单相金属间化合物层开裂。

镁铝复合板层界面处较厚的镁铝金属间化合物层,尤其是Mg2Al3层,是层界面的薄弱位置。

采用α-Mg+Mg17Al12共晶合金比采用α
-Al+Mg2Al3共晶合金作钎料利于减小Mg2Al3层的厚度,界面结合强度也相对提高。

电化学腐蚀结果表明：镁铝复合板的耐蚀性较镁合金基体有很大的提高。

在3.5wt.%NaCl溶液中,腐蚀电流从AZ31B的10.75μA/cm2降低至8.68×10-3μA/cm2,与纯Al板的相当。

采用锌板中间层,压头温度440℃,热压30s,压强15MP持续60s制备
AZ31B/Zn/Al复合板,中间层与镁合金基体反应剧烈,而与铝基体无明显反应和扩散。

增强材料与基体湿润性太差是金属基复合材料制造的又一难点。

绝大多数的金属基复合材料如碳/铝、碳/镁、碳化硅/铝、氧化铝/铜等，基体对增强材料浸润性太差，有时根本不发生浸润现象。

解决方法：加入合金元素，优化基体组分，改善基体对增强材料的浸润性，常用的合金元素有钛、锆、铌等；对增强材料进行表面处理，涂敷一层可抑制界面反应的涂层，可有效改善其浸润性，表面涂层方法很多，如化学气相沉淀、物理气相沉积、溶胶—凝胶和电镀或化学镀等。

如比较先进的电热爆炸超高速喷涂法、纳米复合电刷镀技术等。

按结构设计要求，使增强材料按设计要求分布于基体中也是金属基复合材料制造中的难点。

增强材料的种类很多，如短纤维、晶须、颗粒等，也有直径较粗的单丝，直径较细的纤维束等。

在尺寸、形态、理化性能上也有很大差异，使其均匀地、或按设计强度的需要分布比较困难。

解决方法：对增强材料进行适当的表面处理，使其浸润基体速度加快；加入适当的合金元素改善机体的分散性；施加适当的压力，使其分散性增大。

3、结论
近年来颗粒增强铝基复合材料的异军突起，终于实现了在先进飞机（包括大型客机）上作为主承载构件的成功运用，并迅速将其应用范围扩大到电子商品、交通运输工具、运动器材等民用领域。

因此，可以预见以颗粒增强铝为代表的低成本金属基复合材料，在未来的高技术竞争中必将能占有一席之地，并有希望成为重要的结构材料和结构—功能一体化的材料。

参考文献：
【1】于化顺主编【金属基复合材料及其制备技术】化学工业出版社2006.8.
【2】陶杰赵玉涛潘蕾骆心怡【金属基复合材料制备新技术导论】化学工业出版社2007.4.
【3】朱波梁伟【镁铝复合板热压法制备工艺及其层界面组织性能研究】太原理工大学2011.5.13
【4】刘宗董世运白树林【颗粒增强金属基复合材料涂层的制备及其特性与应用】复合材料学报2012.9.28。