金屬基復合材料的循環再生利用研究

符淼

摘 要：金屬基復合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相材料，其循環再生利用技術有其自身的特點及難點。文章結合金屬基復合材料的制備工藝特點，分析了金屬基復合材料中基體材料和增強相的多樣性，論述了熔融鹽處理技術、電磁分離技術和化學溶解技術在廢棄金屬基復合材料循環再生利用中的應用。

關鍵詞：金屬基復合材料；循環再生；節約資源

1 概述

金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料各自具有其性能特點，它們是應用最為廣泛的材料。金屬材料由于具有良好的使用性能及加工工藝性能，在機械工業、冶金工業、航空航天工業等應用更加廣泛。金屬材料的發展及應用，在創造了大量的物質財富，促進了生產力的發展，為人類文明的進步做出貢獻的同時，也加速了對資源、能源的消耗和生態環境的持續破壞[1]。就金屬材料本身而言，金屬一旦被提取后就可以被方便的反復熔融再生，這個特點也說明回收再利用金屬材料是節省能源和資源、降低環境負載的最經濟的策略。廢金屬具有可重熔性和可重塑性。金屬再生資源利用使它最有希望成為解決金屬礦產資源的有限性與人類需求的無限性這一矛盾的根本出路。金屬材料的再生利用率明顯較高，就鋼鐵材料而言，目前已經初步形成了較為完整的再生循環體系，可維持其持續發展，這個特點稱為金屬再生的高效性。金屬材料在實際應用中通常要經過各種制造過程，不僅有變形加工，還有提高金屬性能的加工。為了提高金屬材料的使用性能，延長金屬材料零件的使用壽命，合理利用金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料各自的性能特點，人們制造金屬基復合材料[2]。金屬基復合材料是以金屬及其合金為基體材料，以陶瓷顆粒、纖維等非金屬材料為增強材料，通過一定的復合工藝而成的先進材料。由于金屬基復合材料具有高的比強度、比模量高，具有良好的耐熱性、耐磨性、耐疲勞性，以及尺寸穩定性好、可設計性好等性能特點，使金屬基復合材料已成為在許多應用領域最具商業吸引力的材料[3]。然而，金屬基復合材料主要是金屬材料與非金屬材料組成的多相復合材料，其循環再生利用工作就有其新的特點及難點[4]。為了合理利用金屬基復合材料資源，促進金屬基復合材料工業可持續發展，加強金屬基復合材料的循環再生利用研究具有重要的現實意義。

2 金屬基復合材料的制備工藝特點

金屬基復合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相材料。在復合材料中有一相為連續相，稱為基體相（基體材料），另一相為分散相，稱為增強相（增強材料）。金屬基復合材料的基體相把改善性能的增強相材料固結成一體，并起傳遞應力的作用。金屬基復合材料的增強相在結構復合材料中承受應力，在功能復合材料中起顯示功能的作用。由于基體相和增強相的力學性能、物理性能和化學性質差別較大，使得金屬基復合材料的制備工藝和廢棄金屬基復合材料的循環再生利用工藝具有其顯著特點。

一是金屬基復合材料的基體材料化學性質差別大，熔點高低不同，加熱工藝較復雜。金屬基復合材料按照基體材料分類主要有鋁基復合材料、銅基復合材料、鈦基復合材料、鎂基復合材料、鋅基復合材料、鎳基復合材料、鋼鐵基復合材料等。金屬基復合材料的制備溫度以基體材料熔點為主要參考溫度，鋁基復合材料、鎂基復合材料、鋅基復合材料制備溫度較低，制備工藝較簡單。銅基復合材料、鈦基復合材料、鎳基復合材料、鋼鐵基復合材料等制備溫度較高，制備工藝較復雜。由于基體材料性能差別較大，所以用于450℃以下的輕金屬基體-鋁、鎂及其合金。用于450-700℃的復合材料的金屬基體-鈦合金。用于1000℃以上的高溫復合材料的金屬基體-鎳基、鐵基耐熱合金。二是金屬基復合材料的基體材料和增強相化學性質差別大，復合材料制備過程中容易產生界面反應，影響復合材料中基體與增強相的界面結合強度，影響復合材料的力學性能。在金屬基復合材料制備過程中，界面反應是在局部區域中發生的，形成粒狀、棒狀、片狀的反應產物，而不是同時在增強體和基體相接觸的界面上發生層狀物。當有嚴重的界面反應時，就能形成界面反應層。例如，在一定的制備工藝下，嚴重的界面反應后，B4C/Al復合材料界面形成Al3BC化合物；金屬基復合材料在高溫制備過程中會發生元素的擴散，吸附和偏聚，在界面微區形成合金元素濃度梯度層。合金元素濃度梯度的厚度，濃度梯度的大小與元素的性質、加熱過程的溫度和時間有密切關系。金屬基體與增強體的強度、模量、熱膨脹系數有差別，在高溫冷卻時還會產生熱應力，在界面區產生大量位錯。位錯密度與金屬基復合材料體系及增強體形狀有密切關系。三是金屬基復合材料中增強相的形態差別較大。金屬基復合材料按照增強材料分類主要有顆粒增強復合材料、層狀復合材料、纖維增強復合材料、混雜增強復合材料、晶須增強復合材料等。纖維增強復合材料還分為短纖維復合材料、連續纖維復合材料等。顆粒增強復合材料還分為外加顆粒增強復合材料、原位自生顆粒增強復合材料、納米顆粒增強復合材料等。由于金屬基復合材料中增強相的形態和尺寸差別較大，其制備工藝較多，不同形態和尺寸增強相復合材料的循環再生工藝也就不同。

3 金屬基復合材料的循環再生利用技術

由于金屬基復合材料中基體材料熔點差別較大，增強相的形態和尺寸種類繁多，使得金屬基復合材料的循環再生利用技術研究還不充分。不同種類的基復合材料，其分離技術及循環再生利用工藝各有特點。對于采用重熔后重新復合的工藝方法，控制復合材料重熔時的溫度、合理控制保溫時間可以減少增強相與基體材料的界面反應。熔融鹽處理技術是將金屬基復合材料中的陶瓷顆粒通過加入熔融無機鹽后形成了浮渣，通過排除浮渣，能夠將熔融的金屬分離出來，加以回收再利用。電磁分離技術是對處于熔融狀態下的金屬基復合材料基體，進行施加單方向的電磁場，由于復合材料中增強體和基體對外加磁場的作用極性有差別，使得兩者產生相對方向的運動，從而將其分離。化學溶解技術是通過化學方法使金屬鹽從溶液中析出，然后以化學原料的形式加以回收，從而達到循環再生利用金屬基復合材料的目的。當前，面向環境的復合材料制備及應用的關鍵技術主要有面向回收的復合材料產品可拆卸性設計及評價方法和評價指標體系的建立，適合綠色產品設計的復合材料環境指標的建立及其規則，綠色復合材料產品評價體系和方法的研究，綠色復合材料產品集成設計理論與方法的研究。

參考文獻

[1]解念鎖，王艷，武立志.高鋅基合金的應用現狀及前景[J].熱加工工藝，2010，39（14）：50-53.

[2]費良軍，朱秀榮，童文俊.顆粒增強鋁基復合材料廢料回收的實驗研究[J].復合材料學報，2001（1）：67-70.

[3]王艷，解念鎖，李春月.原位結晶法制備顆粒增強鋅基復合材料的研究進展[J].鑄造技術，2010，31（5）：656-659.

[4]姜傳海，張文龍，王德尊.SiCw/Al復合材料切屑的熱模壓成形回收方法[J].機械工程材料，2001，25（5）：21-23.