2 金属基复合材料的制备方法

摘 要：金属基复合材料有着一系列优越的性能，如高比强度和高比模量，导热导电性能较好，热膨胀系数小，尺寸稳定性好，耐磨性好，聊好的疲劳性能和断裂韧性等。本文主要介绍了金属基复合材料的主要制备方法，其主要的四类制备方法是扩散粘结法，铸造法，叠层复合法和原位自生法。在介绍制备方法的基础上又介绍了在性能方面的最新研究方向和成果。例如，在多元复合强化方面，微结构硬化方面和碳纳米管增强金属基复合材料方面的研究都有很大的进展。这些成果都表明未来世界，金属基复合材料有着其宽广的舞台。 关键词：性能 制备方法 研究方向 成果 1 前言

随着近代高新技术的发展,对材料不断提出多方面的性能要求,推动着材料向高比强度、高比刚度、高比韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展[1].复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题,推进了材料的进展. 复合材料(Composite Materials)是为达到预期的使用特性将不同性质的两种或两种以上材料结合为一体而设计制造的新材料[2].金属基复合材料(MMCs即Metal matrix composites)是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料.其目标是解决航空、航天、电子、汽车、先进武器系统等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要,它在60年代末才有了较快的发展,是复合材料一个新的分支.目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导电性和导热性以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点,成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料. 金属基复合材料集高比模量、高比强度、良好的导热导电性、可控的热膨胀系数以及良好的高温性能于一体[3],成为当代发展迅速的重要先进材料之一. 2 金属基复合材料的制备方法

金属基复合材料制备科学的研究与发展是决定其迅速发展和广泛应用的关键问题.研究开发有效而实用的制备方法一直是金属基复合材料的重要问题之一.常用的制备方法有以下4种:扩散粘结法、铸造法、叠层复合法和原位复合法. 2.1 扩散粘结法

对于颗粒、晶须等增强体可采用成熟的粉末冶金法,即把增强体与金属粉末混合后冷压或热压烧结,也可以用热等静压的工艺;对于连续增强体则较复杂,需先将纤维进行表面涂层以改善它与金属的润湿性并起到阻碍与金属反应的作用,再浸入液态金属制成复合丝,然后再把复合丝排列并夹人金属薄片后热压烧结;对于难熔金属则用等离子喷涂法把金属喷射在纤维已排好的框架上制成复合片,再

把这些片材层叠热压或热等静压成型.这类方法成本高,工艺及装备复杂,但制品质量好[4]. 2.2 铸造法[5]

铸造法主要有熔体搅拌铸造法、液相浸渗法和共喷射沉积法等.用铸造法制备金属基复合材料,工艺比较简单,制品质量也较好,所以受到普遍的关注. 2.3 叠层复合法

这种方法是先将不同金属板用扩散结合方法复合,然后来用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料.这种复合材料性能很好,但工艺复杂难以实用化.目前这种材料的应用尚不广泛,过去主要少量应用或试用于航空、航天及其它军用设备上,现在正努力向民用方向转移,特别是在汽车工业上有很好的发展前景. 2.4 原位自生复合法

金属基复合材料的原位复合工艺基本上能克服其它工艺中常出现的一系列问题,如基体与增强体浸润不良、界面反应产生脆性、增强体分布不均匀、对微小的(亚微米和纳米级)增强体极难进行复合等.它作为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视,其中包括直接氧化法、自蔓延法和原位共晶生长法等[5]. 3 金属基复合材料在性能方面的研究进展

当代MMCs的结构和功能都相对简单,而高科技发展日益要求MMCs能够满足高性能化和多功能化的挑战,因此新一代MMCs必然朝着/结构复杂化0的方向发展。下面对已经初露端倪的一些研究前沿和趋势进行简要的介绍,希望能够对国内从事MMCs研究和开发的同行们有所启发。 3.1 金属基复合材料结构的优化

金属基复合材料的性能不仅取决于基体和增强体的种类和配比,更取决于增强体在基体中的空间配置模式(形状、尺寸、连接形式和对称性)。传统上增强体均匀分布的复合结构只是最简单的空间配置模式,而近年来理论分析和实验结果都表明,在中间或介观尺度上人为调控的有序非均匀分布更有利于发挥设计自由度,从而进一步发掘MMCs的性能潜力、实现性能指标的最优化配置,是MMCs研究发展的重要方向。 3.1.1 多元/多尺度MMCs

多元复合强化(混杂增强)的研究理念逐渐引起研究者的更大兴趣[6 -7 ]。通过引入不同种类(例如TiB和TiC混杂增强钛基MMCs)、不同形态(例如晶须和颗粒混杂增强镁基基MMCs)、不同尺度(双峰SiC颗粒增强铝基MMCs)的增强相,利用多元增强体本身物性参数不同,通过相与相、以及相界面与界面之间的耦合作用呈现出比单一增强相复合条件下更好的优越性能。

3.1.2 微结构韧化MMCs

随增强体含量些微增大, MMCs的强度和韧性/塑性存在着相互倒置关系,即强度的提高伴随韧性/塑性的降低。通过将非连续增强MMCs分化区隔为增强体颗粒富集区(脆性)和一定数量、一定尺寸、不含增强体基体区(韧性),这些纯基体区域作为韧化相将会具有阻止裂纹扩展、吸收能量的作用,从而使MMCs的损伤容限得到提高。与传统的均匀分散的MMCs相比,这种新型的复合材料具有更好的塑性和韧性[8 -9 ]。 3.1.3 层状MMCs

层状金属基复合材料在现代航空工业中的应用十分广泛,如用作飞机蒙皮的GLARE层板是由玻纤增强树脂层与铝箔构成的层状铝基复合材料,在A380上的用量达机体结构质量的3%以上。在微米尺度上,受自然界生物叠层结构达到强、韧最佳配合的启发,韧脆交替的微叠层MMCs研究越来越引起关注,主要包括金属/金属、金属/陶瓷、金属M/ MCs微叠层材料,主要目的是通过微叠层来补偿单层材料内在性能的不足,以满足各种各样的特殊应用需求,如耐高温材料、硬度材料、热障涂层材料等[10 -11 ]。 3.1.4 泡沫MMCs

多孔金属泡沫是近几十年发展起来的一种结构功能材料,作为结构材料,它具有轻质和高比强度的特点;作为功能材料,它具有多孔、减振、阻尼、吸音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能,由于其满足了结构材料轻质多功能化及众多高技术的需求,已经成为交通、建筑及航空航天等领域的研究热点。目前研究较多的是泡沫铝基复合材料,大致可分为两个范畴:一是泡沫本身是含有增强体的铝基复合材料[12 -13 ],二是泡沫虽然由纯铝基体构成,但在其孔洞中引入粘弹性体、吸波涂料等功能组分[14 ]。 3.1.5 双连续/互穿网络MMCs

为了更有效地发挥陶瓷增强体的高刚度、低膨胀等的特性,除了提高金属基复合材料中的陶瓷增强体含量外,另一种有效的作法是使陶瓷增强体在基体合金中成为连续的三维骨架结构,从而以双连续的微结构设计来达到这一目的[15 -16 ]。

3.2 结构-功能一体化

随着科学技术的发展,对金属材料的使用要求不再局限于机械性能,而是要求在多场合服役条件下具有结构功能一体化和多功能响应的特性。在金属基体中引入的颗粒、晶须、纤维等异质材料,既可以作为增强体提高金属材料的机械性能,也可以作为功能体赋予金属材料本身不具备的物理和功能特性。 3.3 碳纳米管增强金属基纳米复合材料

在金属基体中引入均匀弥散纳米级增强体粒子,所得MMCs往往可以呈现出更为理想的力学性能[17 ]以及导电、导热、耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化等性能。目前,金属基纳米复合材料的研究重点主要集中在纳米结构材料和纳米涂层。碳纳米管具有优异的力学、电学、热学等性能,是制备MMCs的最为理想的增强体之一,特别是随着碳纳米管的宏量制备及其价格的一路降低,碳纳米管增强MMCs日渐成为研究的焦点[18 -19 ], A,lCu, Mg, T,i Fe等基体虽都有涉及,但是关于Al基和Cu基的研究相对集中。然而,一则由于碳纳米管很难均匀分散,二则由于碳纳米管很难与金属基体形成有效的界面结合,所以所制备的MMCs的性能提高并不是很大,远没有达到理想值,特别是在力学性能方面。 4 总结与展望

经过二十多年的发展, MMCs已经成功地从实验室走向市场,并在诸多应用领域站稳了脚跟,这受益于广泛而深入的基础研究工作,为低成本、高效率生产MMCs提供有力的技术支撑。今后的研发工作主要应着眼于两个方面,即在进一步完善已有MMCs材料和技术的同时,寻求新一代MMCs设计与制备的突破口,从而为MMCs的可持续发展奠定基础。目前MMCs研发工作呈现3个趋势:¹复合构型设计将受到更多重视,重点是通过调控增强体的空间分布实现强韧化;º结构功能一体化、多功能化将成为未来MMCs高性能化的必然途径;»尽管备受争议,以碳纳米管为代表的金属基纳米复合材料终将登上历史的舞台。