金屬基復合材料的現狀與發展

□張文毓

中國船舶重工集團公司第七二五研究所河南洛陽471023

金屬基復合材料的現狀與發展

□張文毓

中國船舶重工集團公司第七二五研究所河南洛陽471023

金屬基復合材料以陶瓷為增強材料、以輕合金為基體材料制備而成，從性能特點、研究現狀、應用等方面對金屬基復合材料進行了介紹。

1 概述

1.1 基本性能特點

金屬基復合材料除了具有高比強度、高比模量和低膨脹系數等與樹脂基復合材料相似的特點外，還具有良好的耐熱性、高韌性、耐老化性、高導電和高導熱性，同時還能抗輻射、阻燃、不吸潮、不放氣，以及尺寸穩定。因此，在某些應用場合比樹脂基復合材料更有競爭優勢。表1為金屬基復合材料的力學性能一覽表。

1.2 分類

（1）按增強材料分類。纖維增強金屬基復合材料、顆粒增強金屬基復合材料、晶須增強金屬基復合材料。

（2）按基體材料分類。鋁基復合材料、鎂基復合材料、鈦基復合材料、高溫合金基復合材料、金屬間化合物基復合材料。

1.3 制備工藝

（1）固態法。真空熱壓擴散結合、超塑性成型/擴散結合、模壓、熱等靜壓、粉末冶金法。

（2）液態法。液態浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態鑄造。

（3）噴射成型法。等離子噴涂成型、噴射成型。

（4）原位生長法。

2 研究現狀

2.1 鋁基復合材料

目前已經研制成功的長纖維鋁基復合材料主要有以下五種:硼-鋁復合材料、碳(石墨)-鋁復合材料、碳化硅-鋁復合材料、氧化鋁-鋁復合材料和不銹鋼絲-鋁復合材料[2]。

鋁基復合材料增強體還有短纖維、晶須和顆粒增強物，與其它金屬基復合材料相比，鋁基復合材料的性能特點是輕質、高強、高韌性、導熱性好、適用的制備方法多、工藝靈活性大、易于塑性加工、制造成本低，因此研究最為廣泛和深入，制造技術也相對成熟。最具代表性的是顆粒增強鋁基復合材料，它具有高比模量、高比強度、良好的塑性和較高的疲勞極限，以及耐高溫、抗腐蝕等性能。

表1 金屬基復合材料的力學性能一覽表[1]

常用的增強顆粒主要包括碳化硅、四氮化三硅、三氧化二鋁、碳化鈦、二硼化鈦、氮化鋁、碳化四硼及石墨顆粒或金屬顆粒等。

到目前為止，制備顆粒增強鋁基復合材料較為成熟的技術主要有以下幾種：粉末冶金法、擠壓鑄造法、攪拌鑄造法、噴射沉積法和原位復合法。

隨著納米技術的發展，人們發現了碳納米管(CNTs)、石墨烯(GR)、氮化硼納米管(BNNTs)等在微觀尺度上，具有十分優異的剛度和強度，將它們與鋁基體復合，有望在宏觀上發揮這些優異性能，獲得很高的增強效率和增強效果。另一方面，納米尺寸的增強體和基體結構能夠在鋁基中發揮尺寸效應，通過發揮材料中的位錯、晶界等微觀缺陷，以及應力-應變分配行為等的作用來調控材料性能[3]。

2.2 鎂基復合材料

鎂基復合材料是繼鋁基復合材料之后又一具有競爭力的輕金屬基復合材料，其主要特點是密度低,比強度和比剛度高，同時還具有良好的耐磨性、耐高溫性、耐沖擊性，優良的減振性能及良好的尺寸穩定性和鑄造性能等；此外，還具有電磁屏蔽和儲氫特性等，是一類優秀的結構和功能材料，也是當今高新技術領域中最有希望采用的復合材料之一；但由于價格昂貴，目前主要應用于航天及航空領域。

構成鎂基復合材料的基體合金主要分為鑄造、變形和超輕等系列。鑄造系包括鎂-鋁、鎂-鋅、鎂-鋁-鋅、鎂-鋁-鋯、鎂-鋅-鋯-稀土等,側重于制造鎂基復合材料;變形系包括鎂-錳、鎂-鋁-鋅、鎂-鋅-鋯、鎂-稀土等,側重于擠壓性能的復合材料應用;鎂-鋰系是目前最輕質的合金系,具有較強的抗高能粒子穿透能力,以及能顯著降低構件質量、節約能量和滿足某些高性能的要求。增強體可以分為顆粒、晶須、纖維等幾種,增強體的選擇要從復合材料的應用情況、制備方法，以及增強體的成本等諸多方面考慮。常用的增強體主要有碳纖維、鈦纖維、硼纖維、三氧化二鋁短纖維、碳化硅晶須、碳化四硼顆粒、碳化硅顆粒和三氧化二鋁顆粒等。

鎂基復合材料中常用的制備方法有攪拌鑄造法、熔體浸滲法、粉末冶金法、原位反應自生法、噴射沉積法[4]。

2.3 鈦基復合材料

鈦基復合材料可在比鋁、鎂基復合材料更高的溫度下使用,曾引起人們很大的關注。鈦基復合材料(TMCs)以其高比強度、比剛度，以及良好的抗高溫、耐腐蝕性能,在航空、航天、汽車等領域有著廣闊的應用前景,引起了材料研究者的廣泛興趣。國外對鈦基復合材料的研究已有近40年的歷史,發展相當迅速,開發的原位合成工藝、纖維涂層等制備技術已經成功用于制備高性能鈦基復合材料。

鈦基復合材料分為連續纖維增強（FTMCs）和顆粒（晶須）增強鈦基復合材料（PTMCs）兩大類，這兩種復合材料都要求基體材料具有較好的力學和加工成形性能。

目前研究較多的制備方法主要有：粉末冶金法、熔鑄法、放熱彌散法、自蔓延高溫合成和機械合金化等[5]。

2.4 國外金屬基復合材料的研究現狀

金屬基復合材料是近幾年迅速發展起來的一種高技術的新型工程材料，它具有高的比剛度、比強度，優良的高溫性能，低的熱膨脹系數，以及良好的耐磨、減摩性。由于其優良的加工、成形性能，明顯的性能價格比優勢，在世界許多國家，如美國、英國、日本、印度、巴西等對它的研究和應用開發正多層次大面積展開。金屬基復合材料的成功應用首先是在航空、航天領域，如美國宇航局（NASA）采用硼鋁復合材料制造飛機中部20 m長的貨艙桁架；Martin公司采用二硼化鈦顆粒增強鋁基復合材料制造機翼。近年來金屬基復合材料已逐漸被用于要求更精密的關鍵零部件，英國航天公司從20世紀80年代起研究采用顆粒和晶須增強鋁合金制造三叉戟導彈制導元件，美國DWA公司和英國BP公司已制造出專用于飛機和導彈的復合材料薄板和型材，以及航空結構導槽等。隨著復合材料研究的深入，其應用范圍也開始從軍工（飛機、導彈零部件）擴展到民用（汽車、摩托車、紡織、石油、化工等行業），尤其在制造領域有著十分廣闊的應用前景。

2.5 我國金屬基復合材料的研究現狀

我國結合國防軍工及高技術發展的需要，已開展顆粒與纖維增強鋁基、鈦基、鎂基、鐵基、銅基等各類金屬基復合材料的研發，已有較好的研究基礎。顆粒增強鋁基復合材料的研究已形成了自身的特色，不僅基礎研究工作的深度和水平處于國際前列，研制的鋁基復合材料的性能也達到了國際先進水平，而且應用研究正在和國外應用研究接軌，并努力將材料推向實際應用。結合鋁基復合材料的應用要求，我國還開展了復合材料的導熱性、熱膨脹性、摩擦磨損特性、疲勞特性、尺寸穩定性等應用基礎研究，為鋁基復合材料的實際應用打下了良好的基礎。在鋁基復合材料的復合和成形技術研究方面，已基本掌握了精密鑄造、擠壓成形、超塑成形、攪拌鑄造、真空壓力浸漬等技術，并達到了國際先進水平。

綜上所述，國內外在金屬基復合材料研制和開發方面取得了非凡的進展，在開發高性能材料方面獲得重大突破，極大豐富了材料市場。但由于金屬基復合材料在研究和生產過程中涉及到許多相關技術，包括復合材料制造技術和使用技術等，要把這些技術綜合在一起，是一個相當復雜的研究過程。因此，在金屬基復合材料的研究和開發過程中還有許多工作要做，如要進一步對復合材料的性能與增強體的性能、增強體各自體積分數、基體合金性質及性能等之間的關系，以及增強體之間的相互作用規律進行探討；在金屬基復合材料中引入三維連續網絡結構增強相的研究；降低材料成本等。隨著技術的不斷發展和完善，金屬基復合材料必將在航空、航天、汽車、通信、民用工業等領域可以得到廣泛應用[6]。

3 應用

3.1 鋁基復合材料的應用

鋁基復合材料已成為金屬基復合材料中最常用的、最重要的材料之一，在航空、航天、汽車、電子和光學儀器、體育用品等領域得到了廣泛應用。

氧化鋁纖維增強鋁基復合材料最成功的應用是日本豐田公司用來制造柴油發動機的活塞,年產量有幾十萬只。

碳化硅晶須增強鋁基復合材料用于制造導彈平衡翼和制導元件、航天器的結構零部件和發動機部件、戰術坦克履帶，以及汽車零件如活塞、連桿、汽缸、氣門挺桿、推桿、活塞銷、凸輪隨動機等，還用于飛機的機身地板和新型戰斗機尾翼平衡器、星光敏感光學系統的反射鏡基板、超輕高性能太空望遠鏡的管棒桁架、微波電話插件,高爾夫球棒和蹄鐵等。

碳化硅顆粒增強鋁基復合材料可用于制造衛星及航天器結構材料,如衛星支架、結構連接件、管材、各種型材、導彈翼、遙控飛機翼、制導元件；飛機零部件,如起落架支柱龍骨、縱架管、液壓歧管、直升飛機閥零件；金屬鏡光學系統,如紅外探測器、空間激光鏡、高速旋轉掃描鏡等；汽車零部件,如驅動軸、剎車盤、發動機缸套、襯套和活塞、連桿、活塞鑲圈；此外還可用于制造微波電路插件、慣性導航系統的精密零件、渦輪增壓推進器、電子封裝器件、自行車框架接頭等。

縱觀國內外，對鋁基復合材料的應用研究主要集中在碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，并且取得很大的成就。少數國家（如美國、日本、加拿大等）已進入應用階段，取得了顯著的經濟效益。鋁基復合材料的應用領域包括交通運輸、航空航天、兵器武裝、電子和光學儀器等。從發展趨勢看，今后非連續增強鋁基復合材料不僅會成為航空航天和空間領域中不可替代的重要材料，而且會逐步拓寬民用市場，預計在本世紀將會大批量生產和應用[7-8]。

3.2 鎂基復合材料的應用

鎂基復合材料密度小、比強度和比剛度高,具有良好的尺寸穩定性和優良的鑄造性能,正成為現代高新技術領域中最有希望采用的一種復合材料。鉻鎂復合材料用于人造衛星拋物面天線骨架,使天線效率提高539%；美國海軍衛星上已將鎂基復合材料作為支架、軸套、橫梁等結構件使用,其綜合性能優于鋁基復合材料。

此外,這種材料還具有優良的阻尼減振、電磁屏蔽等性能,在汽車制造工業中用作方向盤減振軸、活塞環、支架、變速箱外殼等,在通信電子產品如手機、便攜電腦中也用作外殼材料。而且鎂基復合材料具有高儲氫容量,氫化動力學性能較好,正逐漸成為非常具有發展前景的儲氫材料[9]。

鎂基復合材料不僅保留了基體金屬的導電、導熱及優良的冷熱加工性能，而且具有更高的比強度、比剛度、高溫蠕變性能和尺寸穩定性，使其成為一種先進的高性能工程結構材料。鎂合金還能作為一種減振材料，可以把振動能較快地轉變為熱能消耗掉。在汽車、3C產品（即計算機Computer、通信Communication和消費類電子產品Consumer Electronics三者結合）、航空航天和國防軍工等領域具有越來越重要的應用價值和廣闊的應用前景。已經有約60種汽車部件，包括變速箱外殼、轉向柱等應用鎂基復合材料，如德國克勞斯塔爾工業大學用碳化硅增強鎂基復合材料制成了汽車軸承、活塞和氣缸內襯等零件，美國TEXTRON公司、Dow化學公司用這一復合材料制成螺旋槳、導彈尾翼和內部加強的氣缸等。

3.3 鈦基復合材料的應用

鈦基復合材料在國外已有許多的實際應用。在美國，大型高性能渦輪發動機技術（IH-PTET）計劃的執行,已經開發了大量不同的鈦基復合材料部件,如空心翼片、壓縮機轉子、箱體結構件、連接件及傳動機構等。隨著在美國空軍F-22中的引入,鈦基復合材料已經進入了實際應用階段。日本采用誘發電位金屬（BEP/M）工藝制備出一系列民用耐磨性好的碳化鈦和硼化鈦顆粒增強的β鈦復合材料，可望應用于汽車部件。我國鈦基復合材料研究起步較晚,但也取得了一些成績。如何降低材料的制備成本,提高材料穩定性是材料研制應用過程中必須要解決的問題。

3.4 航空航天領域

金屬基復合材料主要應用領域是航空、航天和軍事領域，已成功地用于人造衛星支架、L頻帶平面天線、空間望遠鏡及照相機波導和鏡筒、紅外反射鏡、人造衛星拋物面天線等．在航空工業方面，美國宇航局（NASA）的LEWIS研究中心正在開發采用金屬基復合材料制造航空用先進燃氣渦輪發動機。美國DWA特種復合材料公司用25%碳化硅6061鋁復合材料代替7075鋁制造航空結構導槽、角材。

發展目標是代替鋁合金、鈦合金、鋼等用于制造高性能的構件，減重并提高性能和儀器精度。美國已從φ455 mm圓坯中擠壓出質量182 kg的碳化硅鋁復合型材，并軋制出尺寸為3 050 mm×1 320 mm× 3 mm的板材，制造了火箭發動機、導彈和衛星上的零件。加拿大Cercast公司試制了顆粒增強鋁基復合材料（PRA）用于光學底座、萬向支架等精密鑄件，以及液壓管、壓氣機渦殼和衛星反動輪，代替鋁合金，減重并提高了使用性能。美國DWA公司用碳化硅顆粒增強6092鋁基復合材料代替鋁合金，大規模用于F16戰斗機的垂直尾翼，提高使用壽命17倍；代替樹脂基復合材料用于波音777的P&W4000發動機風扇出口導流葉片，大幅提高使用壽命并降低成本33%。美國DWA公司和英國AMC公司將碳化硅鋁復合材料批量用于EC-120和EC-135直升機旋翼系統，大幅提高構件剛度和使用壽命。這些關鍵結構件的成功應用，說明美國和英國對這種材料的應用研究已相當成熟[10]。

3.5 汽車領域

金屬基復合材料用于汽車工業主要是顆粒增強和短纖維增強的鋁基復合材料、鎂基復合材料。目前，鋁基復合材料通常采用鋁硅合金。常用的填充增強劑有陶瓷纖維、晶須和微粒等。與常用汽車材料鋁合金相比，鋁基復合材料具有質量輕、比強度高和彈性模量高、耐熱性和耐磨性好等優點，是汽車輕量化的理想材料，已經在活塞及活塞環、缸套、連桿、汽車制動盤、制動鼓及剎車盤、保持架、驅動軸、傳動軸、軸承、發動機零件上得到應用。

目前，由低密度金屬和增強陶瓷纖維組成的高性能鋁活塞已有所應用。國外推出了氧化鋁纖維增強活塞頂的鋁活塞、氧化鋁增強的鎂合金制造的活塞、氧化鋁纖維及不銹鋼纖維增強的鋁基復合材料連桿等，進一步擴大了復合材料在活塞上的應用。

鋁基復合材料也被用于剎車輪，其特點是可使質量減輕30%～60%，而且導熱性好。美國某汽車公司已研制出用碳化硅粒子增強的鋁-10%硅-鎂基復合材料制成的剎車輪。目前，中國上汽集團已經和有關高校合作，進行鋁基復合材料汽車制動盤的研制，將用于上汽集團獨立開發、具有自主知識產權的轎車剎車系統[11]。

3.6 工業、娛樂業和基礎設施工業領域

金屬基復合材料的其它應用涵蓋制造業、光學儀器、電子工業、體育休閑及基建領域，既包括硬質合金、電鍍及燒結金剛石工具、銅基及銀基電觸頭材料等成熟市場，也包括碳化鈦增強鐵基耐磨材料、三氧化二鋁纖維增強鋁基輸電線纜、碳化四硼增強鋁基中子吸收材料等新興領域。這些新興領域的表現在很大程度上決定著金屬基復合材料的未來增長點。

鐵基復合材料的制備和應用是提高鋼鐵材料性能的重要研究方向。低密度、高剛度和高強度的增強體顆粒加入到鋼鐵基體中，在降低材料密度的同時，提高了它的彈性模量、硬度、耐磨性和高溫性能，可應用于切削、軋制、噴丸、沖壓、穿孔、拉拔、模壓成型等方面。目前應用最多的是碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料，例如注冊商標為Ferro-TiC，Alloy-TiC和Ferro-Titanit的鋼基硬質合金，用于抗磨材料和高溫結構材料，性能明顯優于現有的工具鋼。

工業應用包括硬質合金、金屬陶瓷、電鍍和浸漬金剛石刀具、銅和銀金屬基復合材料電觸頭、石化行業的抗腐蝕涂層。碳化鈦增強的鐵和鎳合金具有出色的硬度和良好的耐磨性能，在工業中應用廣泛：切削、軋制、制粒、沖壓、沖孔、金屬熱加工、拉拔、模鍛、鉆孔等；制作的零件包括：鍛錘、沖壓模、罐裝工具、壓紋輥、止回閥、擠壓機噴嘴、彎曲模、擠壓模、熱鍛模模襯等。

金屬基復合材料在娛樂市場的應用包括比賽用自行車管材、線路道釘、長曲棍球球桿。自行車輪緣的制動表面上涂一層金屬基復合材料有利于改進耐磨性能，減小制動距離。

基礎設施應用包括盛裝核廢料的鋁-碳化四硼和高架電纜用的鋁-三氧化二鋁。金屬基復合材料產品能將電力輸送量提高200%～300%，若能廣泛應用于基礎電網，能帶來巨大的經濟效益[12]。

4 結束語

實際上，金屬基復合材料應用廣度、生產發展的速度和規模，已成為衡量一個國家材料科技水平的重要標志之一。以用量計算，美國、英國、日本是位列前三的金屬基復合材料消費大國，超過消費總質量2／3的金屬基復合材料為其所用，這與它們作為發達國家的地位相符。金屬基復合材料一開始因價格比較昂貴,首先應用于航空、航天和軍事領域。而隨著新的材料制備技術的研制成功和廉價增強物的不斷出現,金屬基復合材料正越來越多地應用于汽車、機械、冶金、建材、電力等民用領域，顯示出廣闊的應用前景和巨大的經濟效益和社會效益。隨著科學技術的不斷發展，以及相關領域研究工作的不斷深入,金屬基復合材料的理論基礎和制備技術將會有更大的突破,在各方面將有越來越廣闊的應用前景。

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（編輯：平平）

Metal matrix composite takes ceramic as reinforcing material and light alloy as the base material. The metal matrix composites were introduced from the aspects of performance characteristics,research status, application and soon.

金屬基復合材料；現狀；綜述

MetalMatrix Composites；Present Status；Overview

TH142；TB333

A

1672-0555（2017）02-079-05

2016年10月

張文毓（1968—），女，本科，高級工程師，主要從事情報研究工作。