金属基复合材料的制备方法及发展现状

金属基复合材料的制备方法及发展现状

赵鹏鹏;谭建波

【摘 要】金属基复合材料具有较高的比强度和比刚度,广泛用于军事、航天等领域,其研究和发展受到了各行各业,尤其是重工业产业的密切关注.介绍了金属基复合材料的研究历史和发展现状,根据基体类型和增强相形态对其进行了分类.常见的金属基复合材料制备方法包括粉末冶金法、铸造凝固成型法(搅拌铸造法和挤压铸造法)、喷射成型法和原位复合法,重点介绍了粉末冶金法和铸造凝固成型法.指出了现阶段金属基复合材料发展需解决成本偏高、工艺复杂、分布不均匀、高温下易发生界面反应及偏聚等问题.%Due to their high specific strength and high specific

stiffness,metal matrix composites are widely used in

military,spaceflight,etc.,and the research and development of which has

been widely concentrated,especially in heavy industry.The research history

and development status of metal matrix composites are introduced,and

the classification of metal matrix composites is given according to the

types of the matrix and the morphology of the reinforcing phase.The

common methods for the preparation of metal matrix composites include

powder metallurgy,casting solidification molding (stir casting and squeeze

casting),spray forming and in situ compounding.The powder metallurgy

method and casting solidification forming method are mainly

introduced.The problems that need be solved for the development of

metal matrix composites including high cost,complicate craft,uneven

distribution,and incident surface reaction and segregation under high

temperature are pointed out. 【期刊名称】《河北工业科技》

【年(卷),期】2017(034)003

【总页数】8页(P214-221)

【关键词】金属基复合材料;基体类型;增强相;粉末冶金法;挤压铸造

【作 者】赵鹏鹏;谭建波

【作者单位】河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018;河北省材料近净成形技术重点实验室,河北石家庄050018;河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018;河北省材料近净成形技术重点实验室,河北石家庄050018

【正文语种】中 文

【中图分类】TG146.4

近些年来，由于一些高新技术的兴起，一些传统材料已无法满足多种产业对其比强度、比刚度等性能的要求。关于高性能材料的研发是现今新科技发展的重要方向，而复合材料的出现在较大程度上解决了材料所面临的问题，促进了材料的发展[1]。

复合材料是由2种或2种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成的具有新性能的材料[2]。由于具备较高的比强度和比刚度，金属基复合材料的研究和发展受到了众多行业尤其是重工业的密切关注，然而加工困难是限制其工业应用的瓶颈问题[3]，成本控制问题也并没有得到完全解决，所以更多应用于航空航天、军事科技等尖端科技领域。本文主要通过结合国内外金属基复合材料相关的研究状况，介绍金属基复合材料的分类、制备方法以及发展趋势。

在20世纪60年代，由于传统金属材料无法满足一些国家对于高性能武器装备以及航空技术发展的需求，因此人们开始了对新材料的研究和开发，促成了金属基复合材料的开发与发展。20世纪70年代末，粉末冶金法制造复合材料的技术逐渐成熟，利用粉末冶金法制造出的以碳化硅颗粒为增强相的铝合金的投入使用，标志着铝合金复合材料的制造成功和商业化，为以后复合材料进入市场打下了基础。20世纪80年代，金属基复合材料发展迅猛，其中，非连续增强相复合材料逐步进入人们的视野，并成为发展研究的重点。1983年，随着日本Honda汽车公司推出新产品——陶瓷纤维增强相的铝基复合材料局部铝活塞[4]，极大地推动了金属基复合材料由军用到民用的进程。进入到20世纪90年代，金属基复合材料的产量已达到300万t，并逐渐在各种军事、航天、民用工业领域中占据重要地位。

如今，金属基复合材料已与无机非金属复合材料、高分子复合材料一同成为3种重要的复合材料。其中铝合金因较小的密度和优异的性能，得到了广泛应用。

金属基复合材料由于其优异的力学性能和某些特殊性能而备受关注，应用范围广泛[5]。金属基复合材料的分类方法通常有两种，它既可以按照复合材料的基体合金类型进行分类，也可按照复合材料的增强相类别进行分类。

2.1 按照基体类型分类

常用的金属基复合材料可分为黑色金属基(如钢、铁)复合材料和有色金属基(如铝、镁、钛、镍等)复合材料两大类。

2.1.1 黑色金属基复合材料

常见的黑色金属基复合材料是钢铁基复合材料。作为最常用的功能材料，钢铁因其熔点高，比例大，比强度小，制造工艺困难等导致基于钢铁材料的复合材料研究并不广泛。然而现代工业的高速发展迫切需要在恶劣条件下可正常工作的结构件，因此，改进和提高钢铁基体的性能具有重要价值。复合材料采用高比刚度、比强度的增强颗粒与铁基体相结合的方法，可以降低基体材料的密度，并提高其硬度、耐磨度、弹性模量等物理性能。钢铁基复合材料现主要用于切削工具和耐磨部件等工业领域。 根据复合情况不同，钢铁基复合材料可分为表面复合材料和整体复合材料。对于整体复合材料，常见的制备方法有粉末冶金法、原位反应复合法、外加增强体颗粒法；表面复合技术常见的制备方法为铸渗法、铸造烧结法等[6]。钢铁基复合材料多采用颗粒增强形式，其中碳化钛、碳化钨、碳化硅、碳化钒颗粒是最为常见的增强相。

2.1.2 有色金属基复合材料

常见的有色金属基复合材料包括铝基、镁基、钛基、镍基复合材料。

由于有色金属具有熔点低、硬度小的特点，故有色金属基复合材料比起黑色金属基复合材料应用更为广泛。目前，在航天、航空和汽车工业等领域中，各种高比模量、高比强度的有色金属基复合材料轻型结构件正在被广泛应用。

铝基复合材料在具有铝合金密度小、导热好等特性的同时还具有更高的强度和刚度，而较多的制备方法和易于进行塑形加工的特点也在一定程度上降低了铝基复合材料的制造成本。相对于铝基复合材料，镁基复合材料质量更轻，故可用于航天、空间等对构件质量性能有严格要求的高技术领域[7-8]。而且相对于铝基复合材料350 ℃的极限工作温度，钛基复合材料拥有更为优异的耐热性能，但由于其生产制备成本较高，目前还只应用于航空航天领域。钛基复合材料也是下一代航空发动机的候选材料之一。镍基复合材料是另一种常见的有色金属基复合材料，其优异的高温强度、抗热疲劳、抗氧化和抗热腐蚀性能使其在国内外得到迅速发展，成为制造舰船、航空以及工业燃气涡轮发动机中重要受热部件的重要材料。有色金属基复合材料中，常见的增强相有碳化硅、氧化铈、氧化铝等。

2.2 按照增强相形态分类

目前，金属基复合材料的增强相类型已有许多种。其中，常见的增强相有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、碳化硅纤维、碳化硅晶须；颗粒型的有碳化硅颗粒、碳化硼颗粒、图化钛颗粒等；丝状的有钨、铍、硼、钢等[9]。对以上增强相按照其在复合材料中的形态进行分类，可分为连续纤维增强金属基复合材料、非连续纤维增强金属基复合材料、混杂增强金属基复合材料3种。

2.2.1 连续纤维增强金属基复合材料

连续纤维增强金属基复合材料就是利用金属细线和无机纤维等增强金属合成的质量轻且强度高的材料，纤维直径3～150 μm(晶须直径小于1 μm)，纵横比(长度/直径)在102以上[4]。连续纤维增强金属基复合材料相对于其他增强类型的复合材料，具有更为明显的增强效果和各向异性。

连续纤维增强金属基复合材料由于制造工艺复杂，制造成本较高，主要应用于尖端科技领域。目前，已成功应用于金属基合金复合材料的连续长纤维有碳(石墨)纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和不锈钢丝等[10]。

2.2.2 非连续纤维增强金属基复合材料

由于连续纤维增强金属基复合材料的成本较高，其并不适用于较多考虑成本的普通工业生产。因此，生产成本更低，以颗粒、晶须、短纤维等为增强相的非连续纤维增强金属基复合材料成为了研究的重点，近些年来发展较为迅速。

非连续纤维增强金属基复合材料不仅有较高的比刚度、比强度、高疲劳强度、高耐磨性、高蠕变抗力、低热膨胀率等特点，而且还具有各向同性。因此，可通过选择改变强化相的种类形态或采用传统工艺进行冷、热加工来调整材料的性能，满足设计要求。非连续纤维增强金属基复合材料的良好特性使其在许多的结构领域成为传统金属材料的有力竞争对手，其在航空航天、汽车工业及民用工业中的开发应用中受到了广泛关注。其中，应用最为广泛的为颗粒增强金属基复合材料，常见的颗粒增强相包括碳化硅、碳化钛、氧化铝、碳化钨、氮化硼、碳颗粒等[11]。

2.2.3 混杂增强金属基复合材料

对单一增强形式来进行组合形成的复合材料称为混杂增强金属基复合材料。根据参与组合的不同增强体进行分类，通常可分为颗粒-短纤维(或晶须)、连续纤维-颗粒、连续纤维-连续纤维3种。相对于其他单一增强的复合材料，混杂增强相可以在一定程度上提高材料的强度，改善材料的力学性能。例如：在短纤维或者晶须预制件中混入颗粒可以解决其增强相的黏结、团聚现象，提高材料性能。

除以上几种常见的增强体外，越来越多的材料作为增强相来制备金属基复合材料，包括石墨烯、碳纳米管这些纳米级别的高新材料，其中石墨烯金属基复合材料取得突破性进展，展现出巨大的发展潜力。

近年来，研究者们通过研究金属基体与增强体之间界面反应的规律、控制界面反应的方法等开发出了多种有效制备金属基复合材料的方法，大大推动金属基复合材料的发展和应用[12]。目前，金属基复合材料的制备方法根据增强相产生的方式不同可分为第二相外加法、原位复合法两类。

3.1 第二相外加法

第二相外加法就是将增强相加入到基体内来制备复合材料的方法，应用广泛。常见的第二相外加法包括粉末冶金法、铸造凝固成型法和喷射成型法。

3.1.1 粉末冶金法