金屬基復合材料的分類及制造技術研究進展

陳素玲，孫學杰

(四川工程職業技術學院 材料工程系，四川 德陽 618000)

金屬基復合材料的分類及制造技術研究進展

陳素玲，孫學杰

(四川工程職業技術學院 材料工程系，四川 德陽 618000)

研究金屬基復合新材料是當代新材料技術領域中的重要內容之一。金屬基復合材料具有高比強度、高比模量、較好的耐熱性和更低的熱膨脹系數等優點，針對金屬基復合材料的制備工藝不完善、成本高、難形成大規模的生產等弱點，并結合國內外相關工作的研究狀況，從金屬基復合材料的分類、性能特點以及制成品的制備技術與應用方面，對其領域內取得的研究成果進行了總結和分析。評述了金屬復合材料的制備技術和目前存在的問題，探討了我國金屬基復合材料未來的研究重點。

金屬基復合材料；分類；制備技術

0 前言

隨著科學技術的大力發展，對材料性能的要求也越來越高，現有高強度、高模量、耐高溫、低密度的單一材料已遠遠不能滿足使用要求。為此，國內外大量學者采用復合技術將不同性能的材料復合起來，取長補短，得到單一材料無法比擬的、綜合性能優越的新型復合材料[1-3]。復合材料是以一種材料為基體，另一種材料為增強體，通過復合工藝形成的材料。它克服了單一材料的某些弱點，產生協同效應，使之綜合性能優于原組成材料，從而滿足各種不同的要求[4-6]。與普通單增強相復合材料相比，其沖擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。復合材料的種類繁多，按其基體材料不同可分為金屬基、樹脂基和陶瓷基復合材料。

目前，金屬基復合材料是我國應用較為廣泛、發展迅速的復合材料。它采用金屬或合金為基體，以纖維、晶須、顆粒等為增強體，通過合理的設計和良好的復合工藝，使基體和增強體之間取長補短，發揮了各自的性能及工藝優勢[7-8]。與傳統的金屬材料相比，金屬基復合材料往往具有更高的比強度(強度和密度之比)、比模量(模量和密度之比)，更好的耐熱性以及更低的熱膨脹系數。迄今為止，由于金屬基復合材料的制備工藝不完善、成本高等因素，導致難以大規模生產[9-10]。基于此，本研究結合國內外相關的研究狀況，總結分析了金屬基復合材料的分類、性能特點、制備技術等方面的研究成果，重點評述金屬復合材料的制備技術和目前存在的問題，并探討了金屬基復合材料未來的研究重點。

1 金屬基復合材料的分類和性能

金屬基復合材料除力學性能優異外，還具有某些特殊性能和良好的綜合性能，應用范圍廣泛。依據基體合金的種類可分為：輕金屬基復合材料、高熔點金屬基復合材料、金屬間化合物基復合材料。按增強相形態的不同可劃分為：連續纖維增強金屬基復合材料、短纖維增強金屬基復合材料、晶須增強金屬基復合材料、顆粒增強金屬基復合材料、混雜增強金屬復合材料[11-13]。以下從基體、增強體以及復合材料的性能應用等方面，分別予以評述。

1.1 合金基體復合材料性能

鋁、鎂、鈦、銅合金及金屬間化合物合金是目前應用廣泛、發展迅速的輕金屬合金。用其制成的各種高比強度、高比模量的輕型結構件廣泛地應用于航天、航空和汽車工業等領域[14]。

鋁基復合材料具有輕質、高強、高韌性、導熱性較好的性能特點，且鋁基復合材料適用的制備方法多，易于塑性加工，制造成本低。與鋁基復合材料相比，鎂基復合材料最大的優點是質量更輕，多用于航天、空間等對構件質量有嚴格要求的高技術領域[15-18]。銅的導電性、導熱性和塑性在金屬中名列前茅，屬于廉價金屬，但在銅中加入增強體可提高其強度、剛度、耐熱性和降低熱膨脹系數，所以銅基復合材料有良好的導熱性可有效地傳熱散熱，能減少構件受熱后產生的溫度梯度，主要用于電力工業和半導體工業。鋁基復合材料在溫度高于300℃后，其強度迅速下降，極限工作溫度約350℃，相比之下，鈦基復合材料比鋁基復合材料有更高的耐熱性，但成本明顯高于鋁基復合材料，因此，鈦基復合材料應用領域主要集中于飛行器及發動機的耐熱零部件。另有一類主要用于高溫作業輕質高強結構件方面的金屬間化合物基復合材料，此類復合材料具有輕質、高溫性能高的特點，故被選用在發動機等高溫零部件上，可大幅度提高發動機的性能和效率。通常金屬間化合物基復合材料的增強體有SiC、TiB2、TiC顆粒等，常見的基體有NiAl、TiAl。

1.2 增強體金屬基復合材料

金屬基復合材料的增強體是一些不同幾何形狀的金屬或非金屬材料。目前，其增強相已有很多，重要的有氧化鋁纖維、硼纖維、石墨(碳)纖維、SiC纖維、SiC晶須；顆粒型的有SiC、碳化硼、圖化鈦等；絲狀的有鎢、鈹、硼、鋼等。金屬基復合材料按其增強材料的幾何形態可劃分為以下幾類[13]。

(1)連續纖維增強金屬基復合材料。

纖維增強金屬基復合材料是利用無機纖維(或晶須)及金屬細線等增強金屬得到質量輕且強度高的材料，纖維直徑從3～150μm(晶須直徑小于1μ m)，縱橫比(長度／直徑)在102以上[19]。在現有的各種類型增強體中，高性能連續纖維具有最明顯的增強效果和更高的強度及剛度。連續纖維增強復合材料具有明顯的各向異性，但連續纖維增強復合材料的復合和加工工藝獨特、復雜、不易掌握和控制，因此該類復合材料的制造成本很高。連續纖維增強金屬基復合材料主要用于較少考慮成本的航天、航空等尖端技術領域。

(2)短纖維增強金屬基復合材料。

作為金屬基復合材料增強體的短纖可分為天然纖維制品和短切纖維。天然纖維主要是一些植物纖維和菌類纖維索等，長度一般為35～150 mm；短切纖維一般是由連續纖維(長纖維)切割而成，長度1～50 mm，用于金屬基復合材料短纖維增強體的材料主要有Saffil-Al2O3、Al2O3-SiO2、SiC等[15]。短纖維增強金屬基復合材料成本比連續纖維增強金屬基復合材料低得多，與基體合金相比，短纖維增強金屬基復合材料具有較高的比強度、比剛度和高耐磨性，其各向異性要遠遠小于連續纖維增強復合材料。短纖維增強金屬基復合材料中增強體的體積分數一般不超過30%。主要用于汽車行業、電力行業等。

(3)晶須增強金屬基復合材料。

晶須是指在特定條件下以單晶的形式生長而成的一種高純度纖維，其原子排列高度有序，幾乎不含晶界位錯等晶體結構缺陷，有異乎尋常的力學性能。作為金屬基復合材料的增強體使用的晶須使用做多、性能較好的是SiC、SiN4晶須，成本最低的是Al2O3·B2O3晶須。與連續纖維增強金屬基復合材料相比，其各向異性極小；與短纖維增強復合材料相比，晶須增強復合材料的性能更高；而晶須在復合材料中的體積分數一般不超過30%，主要用于航空航天等高新技術領域，如飛機架構、推桿加強筋等。

(4)顆粒增強金屬基復合材料。

顆粒增強金屬基復合材料是利用顆粒自身的強度，其基體起著把顆粒組合在一起的作用，顆粒平均直徑在1μ m以上，強化相的容積比可達90%。常用作金屬基復合材料增強體的顆粒主要有：SiC、Al2O3、TiC、TiB2、NiAl、Si3N4等陶瓷顆粒，以及石墨顆粒、甚至金屬顆粒[16]。顆粒增強金屬基復合材料是各向同性、顆粒價格最低、來源最廣、復合制備工藝多樣、最易成形和加工的復合材料。在各種金屬基復合材料中，顆粒增強金屬基復合材料的使用范圍最廣，不僅包括航空、航天及尖端軍事領域，還適用于交通運輸工具、微電子、核工業等商業應用。

(5)混雜增強金屬復合材料。

對上述四種單一的增強形式進行有機的組合就形成了混雜增強。增強體的混雜組合可分為三種：顆粒-短纖維(或晶須)、連續纖維-顆粒、連續纖維-連續纖維。在短纖維或晶須的預制件中，易出現增強的粘結、團聚現象，顆粒的混入可以解決這一問題。與單一的增強金屬基復合材料相比，可以大幅度提高材料的橫向強度，改善材料的力學性能。

2 制備工藝與分析

金屬基復合材料的復合制備工藝復雜、技術難度較大，但制備技術研究是決定該類材料迅速發展和廣泛應用的關鍵問題。所以，研究開發實用有效的制備方法一直是金屬基復合材料的重要問題之一。目前，雖然已經研制出不少復合工藝，但都存在一些問題。按照制備過程中基體的溫度，將其工藝分為液相工藝、固相工藝和液-固兩相工藝[20-22]。

2.1 液相復合工藝

2.1.1 攪拌復合工藝

攪拌復合工藝又稱攪拌鑄造法，是通過機械攪拌裝置使顆粒爭強體與液態金屬基體混合，然后通過常壓鑄造或真空常壓鑄造或壓力鑄造制成復合材料錠子或零件。可分為漩渦法和Duralcan法。其中，Surappa和Rohtgi最早采用攪拌法制備，通過機械攪拌在熔體中產生渦流引入顆粒。而攪拌工藝取得最重要的突破來自于Skibo和Schuster開發的Duralcan工藝[23-24]。

攪拌復合工藝最大的優點在于采用常規的熔煉設備，成本低廉，可以制備精密復雜零件，但仍存在一些問題有待解決，如：鑄造缺陷(氣體、夾雜物的混入)，顆粒分布不均勻，另外，復合需要較長時間和較高溫度，基體金屬與顆粒之間易發生截面反應，顆粒的增加會使金屬熔體的粘度增大，使顆粒再混入變形區，增強體的體積分數一般不超過25%。

2.1.2 浸滲復合工藝

浸滲工藝包括高壓、氣壓、無壓浸滲三種，該制備技術已用于制造Toyoto發動機活塞。液態金屬浸滲法是一種制備大體積分數復合材料的好方法，但是存在預制塊的變形、微觀結構不均勻、晶粒尺寸粗大和界面反應等缺點[25-26]。

(1)擠壓鑄造。

擠壓鑄造是將增強體材料制成一定形狀并有一定強度的預制體，再將金屬液浸滲到預制體中，保壓凝固而成。此工藝的最大優點在于浸滲、凝固快、效率高、成本低、可大批量生產。但用此工藝制備的零件結構和尺寸很大程度上受到設備規模和壓力容量的限制，且在距沖頭較遠的位置容易形成疏松和氣孔等缺陷。有充型速度的控制，集渣和排氣問題。

(2)氣壓浸滲。

氣壓浸滲能有效防止金屬和增強體的氧化，限制了界面反應，改善界面，提高了浸潤性，減少了出現氣孔等缺陷的幾率。由于其制造過程氣壓不超過10 MPa，所以零件不易開裂。但是，低氣壓浸滲難以制造大型件，生產效率低，工藝步驟多，周期長。

(3)無壓浸滲。

無壓浸滲是金屬液體在沒有外壓力和真空的條件下，自發地滲入預制體間隙，冷卻凝固獲得致密的復合材料。該技術投資小，可制備復雜薄壁的零件，無需耐高溫的模具；若浸滲強的金屬，可加阻尼層，限制過度增長，以實現復雜薄壁結構的近無余量制備。該技術已被美國Lanxide公司掌控，并被美國國防部列為非轉讓技術。

2.1.3 噴射共沉積復合工藝

噴射共沉積復合技術克服了粉末冶金含氧量大、攪拌復合界面反應嚴重的缺點。其最大的工藝特點在于快速冷卻過程粒子不易偏析，同時界面反應也得到有效地抑制；由于沖擊破碎效應，微米原子的射入可制成亞微米級的增強顆粒，獲得更好的綜合性能，尤其是高溫性能。但其工藝設備復雜，控制過程難度大，增強相的尺寸一般是細微顆粒，大顆粒和不連續纖維等容易堵塞噴口。

2.1.4 熔體原位復合工藝

原位復合工藝生成的增強體一般為陶瓷相，也可以是金屬間化合物，形式多為顆粒、晶須等。其包括放熱彌撒法、接觸反應法、直接氧化或淡化法、氣-液反應法及反應噴射沉積法。用該制備技術可使增強體表面與基體間的截面潔凈、無雜質污染，界面是原位匹配、結合良好，且增強體在基體中易于實現均勻分布，增強體的尺寸也較小。

2.2 固相復合工藝

2.2.1 粉末冶金法

粉末冶金法采用熱壓或熱靜壓的方法使材料擴散復合，從而制成復合材料錠塊。該技術對基體合金和增強體的限制少，增強體體積分數易調節控制，這點也是鑄造法難以比擬的，且經二次加工增強體分布均勻，基體晶粒細小，性能穩定[27-29]。

2.2.2 擴散結合工藝

擴散結合工藝是在低于基體合金熔點的適當溫度下施加高壓，通過與基體發生的塑性變形、蠕變以及擴散，將基體與基體、基體與增強體緊密結合，從而得到完全壓實的金屬基復合材料的方法。該方法能有效抑制復合材料的界面反應，解決潤濕性問題，是連續纖維增強體金屬基復合材料的主要制備方法。但僅能生產平板狀或低曲率板等形狀簡單的構件。

2.3 固液兩相區復合工藝

(1)流變鑄造法。

流變鑄造法是對處于固-液兩相區的熔體施加強烈攪拌形成低粘度的半固態漿液，同時引入陶瓷顆粒，利用半固態漿液的觸變特性分散增強相，阻止陶瓷顆粒的下沉或漂浮，保證陶瓷顆粒彌散分布于金屬熔體中，但存在攪拌工藝所有的問題，僅適用于凝固區間較寬的金屬，也存在界面反應、顆粒偏析等問題。

(2)固液兩相區熱壓復合工藝。

固液兩相區熱壓復合工藝具有流變性，可進行流變鑄造；半固態漿液具有觸變性，可將流變鑄造錠重新加熱到所要求的固相組分的軟化度，送到壓鑄機中壓鑄，由于壓鑄時澆口處的剪切作用，可恢復其流變性而充滿鑄型，此稱作觸變鑄造。顆粒或短纖維增強材料加入到強烈攪拌的半固態合金中。由于半固態漿液中球狀碎晶粒子對添加粒子的分散和捕捉作用，既防止了添加粒子的上浮、下沉和凝聚，又使添加粒子在漿液中均勻分散，改善了潤濕性，促進界面結合。

3 金屬復合材料研制的重點與難點

通過多年研究積累，我國已在金屬基復合材料制備過程方面取得突破性的進步，為推動復合材料的發展作出了巨大貢獻。但我國金屬基復合材料制備技術水平與發達國家相比仍存在較大差距，主要是金屬基復合材料增強體與基體的潤濕機理、增強體與基體的微觀作用機理等領域研究薄弱，這是嚴重制約我國新型金屬基復合材料研發的主要因素。故在未來研究中，應基于金屬基體與增強體間發生的界面反應機理、金屬基復合材料的強化機制，開展增強體與基體的潤濕機理，闡明界面反應物脆性相對增強體的損傷程度；并結合金屬基復合材料的強化機制，探討金屬基復合材料的凝固過程，研究增強相與基體的微觀作用機理，實現低密度、高強度和比剛度、高溫性能和抗大氣腐蝕性、低熱膨脹系數的金屬基復合材料的突破性發展。

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Classification and manufacturing technologies of metal matrix composites

CHEN Su-ling
，SUN Xue-jie
(Department of Material Science and Engineering，Sichuan Engineering Technical College，Deyang 618000，China)

Studying on metal matrix composite is one of the important tasks in the modern field of new materials technology.In this paper，according to the weaknesses of incompletely manufacturing method，difficult forming and low-production，the research production was generalized and analyzed，which based on the higher specific strength and specific modulus，the best resistance to effect of heat and lower thermal expansion coefficient.Combined with the study condition，the metal matrix composite was studied on the classifications，properties，manufacturing methods and application of metal matrix composite.And the manufacturing technologies and defects were mainly commented,meanwhile,the future researching scope of the metal matrix composites was discussed.

metal matrix composites；classification；manufacturing method

TG421

C

1001-2303(2011)07-0090-05

2011-02-22

陳素玲(1981—)，女，河南洛陽人，碩士，主要從事焊接工藝制訂等工作。