金属基复合材料的制备技术及难点
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第3章金属基复合材料的制备工艺原理金属基复合材料是由金属基体和强化相组成的一种新型材料。
其制备
工艺原理涉及到材料选择、制备方法和工艺参数的确定等。
首先,在金属基复合材料的制备中,应选择适合的金属基体和强化相
材料。
金属基体应具有良好的塑性和可加工性,通常选用铝合金、钛合金
等作为基体材料。
强化相可以是颗粒、纤维或板材等形式,常用的强化相
材料有碳纤维、陶瓷颗粒、金属颗粒等。
其次,制备方法是影响金属基复合材料性能的重要因素。
常见的制备
方法有热压、热处理、力学合金化等。
热压是将金属粉末和强化相混合后
在高温高压下进行压制制备的方法。
热处理是通过固溶处理、时效处理等
工艺来调控材料的晶体结构和性能。
力学合金化是在固态或液态条件下通
过机械力使金属基体与强化相达到均匀分散的方法。
最后,工艺参数的确定也是制备金属基复合材料的重要环节。
工艺参
数包括温度、压力、时间和气氛等,对于金属基复合材料的微观结构和性
能有着重要影响。
合理调控工艺参数可以实现金属基复合材料的定向生长、晶体定向、相变控制等。
总体而言,金属基复合材料的制备工艺原理可以简单概括为选择合适
的金属基体和强化相材料,通过适当的制备方法和工艺参数来调控材料的
微观结构和性能。
在制备过程中需注意材料的相容性、界面反应等问题,
以确保金属基复合材料的质量和性能。
同时,也要密切关注环保和节能问题,选择可持续发展的制备工艺,推动金属基复合材料的应用与发展。
颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其存在的问题冶金0901班张莹20091311近年来,随着不断追求轻量化、高性能化、长寿命、高效能的发展目标带动牵引了轻质高强多功能颗粒增强铝基复合材料的持续发展。
提出的低密度、高比强度、高比模量、低膨胀、高导热、高可靠等优异以及良好的抗磨耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀等综合性能要求,传统轻质材料已很难全面满足要求,如铝合金模量低、线胀系数较大; 钛合金密度较大、热导率极低; 纤维增强树脂基复合材料在空间环境下使用易老化等,颗粒增强铝基复合材料经过30 多年的发展,已在国外航空航天领域得到了规模应用,这充分验证了与铝合金、钛合金、纤维树脂基复合材料等传统材料相比具有的显著性能优势,奠定了颗粒增强铝基复合材料在材料体系中的地位和竞争态势。
而且更重要的是,在世界范围内有丰富的铝资源,加之易于进行工艺加工成型和处理,因而制各和生产铝基复合材料比其他金属基复合材料更为经济,易于推广,可广泛应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育运动等领域,因此,这种材料在国内外受到普遍重视。
颗粒增强铝基复合材料已成为当下世界金属基复合材料研究领域中的一个最为重要的热点,各国已经相继进入了颗粒增强铝基复台材料的应用开发阶段,在美国和欧洲发达国家,该类复台材料的工业应用已开始,并且被列为二十一世纪新材料应用开发的重要方向并日益向工业规模化生产和应用的方向发展。
本文旨在探讨颗粒增强铝基复合材料的制备方法及在亟待解决的各方面的问题,推进其应用发展的进程。
主要制备方法介绍:增强体颗粒的分布均匀性和界面结合状况是影响复合材料性能的重要因素。
因此,如何使增强体颗粒均匀分布于铝基体井与铝基体形成良好的界面结台是颗粒增强铝基复台材料制备过程中必须解决的两个最关键问题。
以下是制备颗粒增强铝基复合材料的一些方法:1、原位法原位法的原理是通过元素间或元素与化合物之间反应制备陶瓷增强金属基复合材料,是近年来迅速发展的一种新的复合工艺方法,目前已成功地在铝基中实现了硼化物、碳化物、氮化物等的原位反应。
现代科学的发展和技术的进步,对材料性能提出了更高的要求,往往希望材料具有某些特殊性能的同时,又具备良好的综合性能。
传统的单一材料已经很难满足这种需要。
因此,人们将注意力转向复合材料,复合材料是指由两种或两种以上成分不同,性质不同,有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。
其以最大限度的发挥各种材料的特长,并赋予单一材料所不具备的优良性能,复合材料的性能还具有可设计性的重要特征。
作为复合材料重要分支的金属基复合材料(MMCs),发展于20世纪50年代末期或60年代初期。
现代材料方面不但要求强度高,还要求其重量要轻,尤其是在航空航天领域。
金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。
1.金属基复合材料的分类金属基复合材料(Metal matrix Composite,简称MMCs)是以陶瓷(连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒)为增强材料,金属(如铝、镁、钛、镍、铁、桐等)为基体材料而制备的。
金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。
前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等);后者需显微观察分辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。
根据用途分类:(1)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。
(2)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。
(3)智能复合材料:强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。
根据复合材料基体可划分为铝基、镁基、钢基、钛基、高温合金基、金属间化合物基及耐热金属基复合材料等。
按按增强体分类划分为颗粒增强金属基复合材料、层状增强金属基复合材料和纤维增强金属基复合材料。
2.金属基复合材料的性能特点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。
液态金属加工是一种先进的制造技术,它利用液态金属的流动性、固化特性以及与其他材料的相互作用,实现各种复杂形状和结构的制造。
金属基复合材料是液态金属加工的重要应用领域,通过在金属基体中引入各种增强材料,可以显著提高金属的性能,满足各种特殊应用的需求。
在液态金属加工中,金属基复合材料的制备是一个关键步骤。
这一过程通常包括以下几个步骤:首先,选择合适的增强材料。
增强材料可以是各种类型的颗粒、纤维、晶须或其它形态,如碳纳米管、玻璃纤维、氧化铝颗粒等。
这些增强材料可以显著提高金属基体的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能。
其次,将增强材料与液态金属混合。
通常使用机械搅拌或超声波处理等方法,使增强材料均匀分散在液态金属中。
然后,将混合物倒入模具中,通过控制温度和压力等条件,使液态金属固化,形成所需的形状。
在制备过程中,需要注意控制各种工艺参数,如温度、压力、时间等,以确保增强材料能够有效地分散在液态金属中,并形成均匀分布的复合材料。
此外,还需要选择合适的模具材料和工艺方法,以避免模具的腐蚀和磨损,保证制备过程的连续性和稳定性。
制备出的金属基复合材料具有优异的综合性能。
由于增强材料在金属基体中的分布和取向不同,可以获得各种不同的性能。
例如,纤维增强金属基复合材料具有优异的强度和刚度,适用于需要高强度和高刚度的应用;颗粒增强金属基复合材料具有优异的耐磨性和耐腐蚀性,适用于需要耐磨损和耐腐蚀的应用。
总之,液态金属加工中的金属基复合材料的制备是一个复杂的过程,需要精确控制各种工艺参数和条件。
通过选择合适的增强材料和工艺方法,可以制备出具有优异性能的金属基复合材料,满足各种特殊应用的需求。
这一技术具有广阔的应用前景,将在航空航天、汽车制造、能源等领域发挥重要作用。
陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法及研究进展陶瓷颗粒增强金属基复合材料是一种通过在金属基体中加入陶瓷颗粒来提高材料的性能和功能的材料。
它具有优异的机械性能、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性,被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、能源、化工等领域。
制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料的方法主要包括粉末冶金法、熔凝法、电沉积法和电化学沉积法等。
粉末冶金法是将金属基体粉末和陶瓷颗粒混合后,在高温下进行烧结,使两者相互结合成复合材料。
熔凝法是将金属和陶瓷颗粒一起熔融,然后通过凝固来得到复合材料。
电沉积法是通过电化学方法在金属基体表面沉积陶瓷颗粒,形成复合材料。
电化学沉积法则是通过控制电化学条件,在金属基体上沉积陶瓷颗粒。
一是研究新型材料的制备方法。
传统的制备方法有一些局限性,比如粉末冶金法需要高温烧结,容易使颗粒聚集,破坏材料的均匀性。
研究人员开始探索新的制备方法,如激光选区熔化、快速凝固等,以提高材料的性能和均匀性。
二是改进材料的界面结合方式。
陶瓷颗粒与金属基体之间的界面结合对于材料的性能至关重要。
目前的研究主要集中在界面增强技术,包括引入中间层、涂覆界面改性剂、表面活性剂等,以提高界面的结合强度和界面的化学稳定性。
三是研究材料的微观结构和性能。
陶瓷颗粒增强金属基复合材料的性能和功能与其微观结构密切相关。
通过使用各种材料表征技术,如扫描电子显微镜和透射电子显微镜等,研究人员可以观察到复合材料的微观结构,分析颗粒分布和界面结合情况,并进一步探索其性能和功能。
四是应用领域的扩展和改善。
陶瓷颗粒增强金属基复合材料在航空航天、汽车、船舶、能源、化工等领域具有广泛的应用前景。
研究人员正在努力改善和拓展其应用领域,例如在电子器件中应用、制备高性能传感器和催化剂等。
陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法和研究进展是一个热门的研究领域。
通过不断改进制备方法、界面结合方式和微观结构的研究,可以进一步提高材料的性能和功能,并拓展其应用领域。
金属基复合材料制备的主要工艺及难点作者:方华攀来源:《数字化用户》2013年第21期【摘要】本文对金属基复合材料研究背景、特征、制备方法及其原理进行分析,并探索性提出制备的关键技术和难点,最后做出一些展望。
【关键词】金属基复合材料性能关键技术一、背景20世纪60年代,美国航天飞机主舱体的主龙骨的支柱就采用了硼纤维增强铝基复合材料;20世纪80年代初期,逐渐强化对碳纤维增强铝基复合材料制备工艺技术研究力度,如压铸、半固态复合铸造以及喷射沉积和原位金属直接氧化法、反应生成法。
80年中期开始加强对金属基复合材料界面稳定性研究。
二、金属基复合材料特征性能内容高强度、高模量、低密度的增强纤维的加入,使MMC的比强度和比模量成倍地提高;良好的高温稳定性和热冲击性。
金属基体的高温性能比聚合物高很多,加上增强材料主要为无机物,在高温下具有很高的强度和模量,因此MMC比基体金属具有更高的高温性能;热膨胀系数小、尺寸稳定性好;良好的导热性;不吸潮、不老化、气密性好。
三、MMC的制备工艺和制备方法研究金属基复合材料的制备工艺研究主要包含以下几个方面:金属基体和增强物的结合方式和结合性;增强物在金属基体中的混合分布情况;降低成本,复合材料硬度、稳定性的提升;避免连续性纤维在制作中的出现伤损状况。
目前制备方法有固态法,液态法,喷涂喷射沉积,原位复合等。
(一)固态法。
固态法指在制备过程中把纤维、颗粒等与金属基体按照原始设计要求,通过低温、高压条件将二者复合粘结,最终形成金属基复合材料。
该制备方法整个工艺保持在低温环境下、且金属材料和纤维、颗粒等增强物状态呈现为固态、界面反应不严重。
固态法制备工艺包含以下两个方面:1.扩散结合。
扩散结合是指金属材料在一定温度和压强下,把新鲜清洁表面的金属和增强材料,通过表面原子的互相扩散而连接在一起的固态化焊接技术。
如图2.粉末冶金。
粉末冶金(Powder Metallurgy)适应范围广,对于长纤维、短纤维、颗粒性金属基增强材料的制备都适合,粉末冶金制作工艺是将金属材料和增强物(颗粒、纤维等)按照一定要求混合,并经过压制、烧结及后期一系列处理工艺制成金属基复合材料。
金属基复合材料及其主要制备工艺简介复合材料简介本文介绍复合材料中的金属基复合材料的制备。
复合材料是指采用物理或化学的方法,使两种或两种以上的材料在相态(如连续相:基体;不连续体:增强相)以性能相互独立的形式下共存于一体之中,以达到提高材料的某些性能,或互补其缺点,或获得新的性能(或功能)的一种新型材料。
与常规材料相比较,金属材料有优良的延展性和可加工性,但其强度相对低,耐热、耐磨、耐蚀性差;陶瓷材料的强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好,但很脆,加工性能差,复合后利用两者的优势互补,提高性能。
复合材料按用途分为结构材料和功能材料;按复合材料各成分在材料集散情况,分为三类:分散强化型复合材料、层状复合材料、梯度复合材料;按基体材料类型分:金属基复合材料,聚合物基复合材料,陶瓷基复合材料;按增强原理分为弥散增强型复合材料、晶须增强型复合材料、纤维增强型复合材料。
金属基复合材料简介复合材料中的金属基复合材料是以金属为基体,以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。
其中,基体主要是由Al,Mg,Ti及其合金制成,增强体是有硼纤维,SiC纤维,高强度石墨纤维,Al2O3 等制成。
具有高强度、高模量、低膨胀系数,能耐300-500℃或更高的温度等优点。
但造价高、密度大、制备工艺复杂,存在界面反应等缺点。
其分类可以按照基体或增强体的不同分类。
金属基复合材料的制备工艺接下来介绍重点部分,就是金属基复合材料的制备及加工。
根据制备特点等,我们可以把金属基复合材料的制备方法分成以下四大类:(下面将一一介绍)1)固态法:粉末冶金法、真空热压扩散结合、热等静压、模压成型、超塑性成型 / 扩散结合。
2)液态法:真空压铸、半固态铸造、无压渗透等。
3)喷射成型法:喷射共沉积、等离子喷涂成型。
4)原位生长法(原位复合法)。
第一类:固态法下面介绍第一种方法,即真空热压扩散结合法,这种方法是在一定的温度和压力下,把表面新鲜清洁的相同或不相同的金属,通过表面原子的互相扩散而连接在一起因而,扩散结合也成为一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺方法。
金属及金属基复合新材料制备技术1. 引言嘿,大家好!今天我们来聊聊一个既高大上又有点复杂的话题——金属和金属基复合新材料的制备技术。
听上去有点严肃,其实这背后可是藏着很多有趣的故事呢!你知道吗?在现代工业中,这些材料的应用几乎无处不在,从汽车到飞机,从建筑到电子产品,真是方方面面都离不开它们。
咱们就像在逛超市一样,把这些材料逐一捡出来,看看它们都有什么“特长”吧!2. 金属材料的魅力2.1 金属的特性首先,咱们得知道,金属是个什么东西。
你看,金属材料通常都很结实,像钢铁一样,强度高得让人咋舌。
而且,它们的导电性和导热性也是一流的,像铜和铝就能把电和热“跑”得飞快。
这可不是随便哪个材料都能做到的哦,简直就是材料界的“运动健将”!不过,金属也有它的短板,比如容易生锈、腐蚀,真是让人头疼。
不过,这正是复合材料登场的时机。
2.2 金属基复合材料说到复合材料,简直就像是给金属穿上了一层“保护衣”。
金属基复合材料就是把两种或者多种不同的材料结合在一起,形成一种新型的材料。
这样一来,就能兼顾各家之长,弱点也能被弥补。
举个简单的例子,像把金属和陶瓷结合,这样就能得到更高的强度和更好的耐磨性,简直是金属的“铁哥们”!想想看,这样的搭配,岂不是更酷?3. 制备技术的那些事儿3.1 制备方法说到制备技术,那可真是一门学问。
常见的方法有几种,像铸造、粉末冶金、热压成形等等。
这些技术就像是给材料“做饭”,根据不同的“食材”搭配,做出各种口味的“菜肴”。
比如,铸造就像是把金属融化后倒进模具里,冷却后形成所需的形状,简单直接,谁都能理解。
而粉末冶金则是把金属粉末压制成形,再烧结,这个过程稍微复杂点,但可塑性更强,适合做精细零件。
3.2 技术挑战不过,制作这些复合材料可不是说说而已,技术挑战可不少呢!比如,要保证不同材料之间的结合良好,就像交朋友一样,得磨合。
而且,在加工过程中,要控制好温度、压力等参数,这可是一门技术活!如果把握不好,那可就像做饭时火候掌握不好,糊了就不说,连味道都跑了。
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 inmilitary,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,andthe 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。
一种真空压力浸渗制备金属基复合材料的方法
1. 真空压力浸渗是一种制备金属基复合材料的方法,其原理是利用真空和压力的作
用将增强材料浸渗到金属基体中。
2. 选取合适的金属基体和增强材料。
金属基体通常选择高强度和耐磨损的材料,如
铝合金或钛合金。
增强材料可以是纤维或颗粒状的硬质材料,如碳纤维或陶瓷颗粒。
3. 将金属基体放置在真空炉中,并抽掉炉内的空气,以建立真空环境。
真空环境可
以防止氧化和损害金属基体。
4. 在真空环境下,将增强材料放置在金属基体上。
增强材料应均匀分布在金属基体上,以确保最终制得的复合材料具有良好的性能。
5. 接下来,将真空炉加热至足够高的温度,使金属基体和增强材料之间的界面溶解,并形成一种熔融界面。
6. 当金属基体和增强材料的界面熔融后,开始施加压力。
压力的作用是将增强材料
推动进入金属基体中,使两者之间充分结合。
7. 通过适当调整温度和压力的参数,可以控制金属基体和增强材料之间的界面反应
速度和浸渗深度。
这样可以获得具有不同性能和结构的复合材料。
8. 在浸渗过程中,要保持恒定的温度和压力,以确保复合材料的质量和性能稳定。
还需要注意防止过度浸渗和过度反应,以避免不必要的损害。
9. 浸渗结束后,将复合材料从真空炉中取出,并进行冷却处理。
冷却过程应该尽量
平缓,以避免产生内部应力和裂纹。
10. 对制备的金属基复合材料进行加工和表面处理,以获得最终满足需求的产品。
这
包括切割、研磨、抛光和涂层等步骤。
金属基复合材料
金属基复合材料是一种由金属基体和其他非金属材料(如陶瓷、碳纤维等)组
成的复合材料。
它具有金属的高强度、刚性和导热性,同时又具有非金属材料的轻量化和耐腐蚀性能。
金属基复合材料在航空航天、汽车制造、电子设备等领域有着广泛的应用。
首先,金属基复合材料的制备方法有多种,其中包括粉末冶金法、热压法、热
处理法等。
粉末冶金法是将金属粉末与非金属粉末混合后,通过压制和烧结得到复合材料。
热压法是将金属基体和非金属材料层叠在一起,然后通过高温和高压进行热压,使两者紧密结合。
热处理法则是将金属基体与非金属材料进行热处理,使其在高温下发生化学反应,形成复合材料。
其次,金属基复合材料具有优异的性能。
首先,它具有高强度和高刚性,能够
承受较大的载荷,因此在航空航天领域得到广泛应用。
其次,金属基复合材料具有良好的导热性和导电性,能够有效地传递热量和电流,因此在电子设备中有着重要的作用。
此外,金属基复合材料还具有耐磨损、耐腐蚀等特性,能够在恶劣环境下长期稳定运行。
最后,金属基复合材料的发展前景广阔。
随着科技的不断进步,金属基复合材
料的制备工艺和性能将不断得到提升,其应用领域也将不断扩大。
未来,金属基复合材料有望在汽车制造、建筑领域等方面发挥更加重要的作用,为人类社会的发展做出更大的贡献。
综上所述,金属基复合材料具有制备方法多样、优异的性能和广阔的发展前景。
它在现代工业中有着重要的地位,为各个领域的发展提供了重要支撑。
相信随着科技的不断进步,金属基复合材料将会迎来更加美好的未来。
4金属基复合材料制备方法及应用金属基复合材料是一种由金属基体和其他强化相(例如纤维增强材料、陶瓷颗粒等)复合而成的材料。
这种材料具有金属的导电、导热和机械性能,同时又兼具强度高、抗磨损和耐高温等优点。
在许多领域,如航空航天、汽车制造和能源领域等,金属基复合材料常被应用于重要零部件的制备。
下面将介绍几种金属基复合材料的制备方法及其应用。
1.焊接制备方法:通过焊接技术将金属基体与强化相材料连接在一起。
这种方法适用于金属基体与纤维增强材料的组合。
例如,利用电弧焊、激光焊或摩擦焊等技术可以将金属基体与碳纤维增强材料连接在一起,制备出具有高强度和低密度的复合材料。
这种方法常被应用于航空航天和汽车制造领域。
2.粉末冶金制备方法:通过将金属粉末与强化相粉末混合后进行压制和烧结,制备出金属基复合材料。
这种方法适用于金属基体与陶瓷颗粒的组合。
例如,将铝粉末与氧化铝颗粒混合后压制和烧结,可以获得高强度和高耐磨损性的复合材料,广泛应用于汽车制造和航空航天领域。
3.化学反应制备方法:通过金属基体和强化相之间的化学反应,制备金属基复合材料。
这种方法适用于金属基体与陶瓷颗粒的组合。
例如,将铝基金属与氧化铝颗粒放置在高温环境中,经过反应生成金属化合物后,可以形成金属基复合材料。
这种方法常被应用于能源领域,如制备高温热电材料。
金属基复合材料在许多领域有着广泛的应用。
其中,航空航天领域是最重要的应用领域之一、由于金属基复合材料具有高强度、低密度和耐高温等特点,因此被广泛应用于飞机和航天器的结构件制造。
例如,利用金属基复合材料可以制备出更轻、更强的飞机机身和发动机零部件,提高飞机的性能和燃油效率。
此外,金属基复合材料还被应用于汽车制造领域。
由于金属基复合材料的高强度和低密度,可以用来替代传统的金属材料,降低汽车的整体重量,提高燃油效率。
同时,金属基复合材料还具有良好的耐磨损性能,可以用于制造汽车发动机零部件和刹车系统,提高汽车的性能和安全性。
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。