金屬基復(fù)合材料制備自生復(fù)合技術(shù)

1、金屬基復(fù)合材料自生復(fù)合制備技術(shù)綜述摘要： 摘要：簡(jiǎn)述了金屬基復(fù)合材料的定義，分類，性能及應(yīng)用領(lǐng)域。概述金屬基復(fù)合材料制備過程的主要要求，及其制備過程中的難點(diǎn)。對(duì)金屬基復(fù)合材料制備的自生復(fù)合技術(shù)概念及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了闡述，介紹了目前典型的自生復(fù)合技術(shù)。最后，對(duì)金屬基復(fù)合材料自生復(fù)合技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞： 關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料；自生復(fù)合技術(shù)1 引言 引言復(fù)合材料是由兩種或兩種以上材料通過先進(jìn)的材料制備技術(shù)組合而成的性能優(yōu)異

2、的新材料。在復(fù)合材料種又將其組分稱為基體和增強(qiáng)體，通常將其中連續(xù)分布的組分稱為基體，將纖維、顆粒、晶須等稱為增強(qiáng)物。金屬基復(fù)合材料（metal matrix composites，簡(jiǎn)稱 MMCs）[4]是以金屬及合金為基體的復(fù)合材料，主要有以高性能增強(qiáng)纖維、晶須、顆粒進(jìn)行增強(qiáng)。金屬基復(fù)合材料既保持了金屬本身的特性，又具有復(fù)合材料的綜合特性。通過不同基體和增強(qiáng)物的優(yōu)化組合，可獲得各種特殊性能和優(yōu)異的綜合性能。 1.1 1.1 分類 分類金

3、屬基復(fù)合材料的分類可按:（1）基體材料類型分類。有鋁基、鎂基、鋅基、銅基、鉛基、鎳基、耐熱金屬基、金屬間化合物基等復(fù)合材料。 （2）按增強(qiáng)材料類型分類。分為連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料；非連續(xù)增強(qiáng)金屬及復(fù)合材料（包括顆粒、短纖維、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料；自生增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料（包括反應(yīng)自生和定向自生、大變形） ；層板金屬基復(fù)合材料。 （3）按用途分 類。分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料以高比強(qiáng)度、高比模 量、尺寸穩(wěn)定、耐熱性等

4、為主要性能特點(diǎn)。用于制造各種航天、航空、汽車、先進(jìn)武器系統(tǒng)等高性能結(jié)構(gòu)件。功能復(fù)合材料以高導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、低膨脹、高 阻尼、高耐磨性等物理性能的優(yōu)化組合為主要特性，用于電子、儀器、汽車等工業(yè)。 1.2 1.2 特點(diǎn) 特點(diǎn)金屬基復(fù)合材料具有如下特點(diǎn)：（1）高比強(qiáng)度、比模量；（2）導(dǎo)熱、導(dǎo) 電性好；（3）熱膨脹系數(shù)小,尺寸穩(wěn)定性好；（4）良好的高溫性能；（5）耐磨性好；（6）疲勞性能和斷裂韌性良好；（7)不吸潮、不老化、氣密性好； （8）二次

5、加工性能較好。這一系列優(yōu)異的綜合性能使金屬基復(fù)合材料在航天、航空、電子、汽車、先進(jìn)武器系統(tǒng)中均具有廣泛的應(yīng)用前景。 1.3 1.3 制備要求及難點(diǎn) 制備要求及難點(diǎn)在金屬基材料制備過程中，有如下幾點(diǎn)基本要求：（1）增強(qiáng)材料以設(shè)計(jì)的體積分?jǐn)?shù)和排列方式分布于金屬基體中，滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求； （2）不得使增強(qiáng)材料和金屬基體原有性能下降；（3）避免增強(qiáng)材料與金屬基 復(fù)合材料之間發(fā)生不利于性能的化學(xué)反應(yīng)。 （4）設(shè)備投資少，工藝簡(jiǎn)單易行

6、；（5）盡量制造出接近最終產(chǎn)品的形狀，尺寸和結(jié)構(gòu)，減少后續(xù)加工工藝。定向凝固技術(shù)制備共晶自生復(fù)合材料是在共晶合金單向凝固時(shí), 通過控制 固液界面前沿液相-測(cè)得溫度梯度、固液界面的推進(jìn)速度以及合金成分, 使固液界面以平界面形式推進(jìn)，使兩相均勻相間，定向整齊地排列。當(dāng)某一相按凝固 方向長(zhǎng)成細(xì)長(zhǎng)的晶須時(shí)，獲得自生復(fù)合材料[2]。這種在高溫近平衡狀態(tài)下制造出來的自生復(fù)合材料，與其他金屬基人工復(fù)合材料相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）第二相是在凝固過程中結(jié)晶

7、析出的，故兩相在界面處結(jié)合牢固，界面強(qiáng)度高，利于應(yīng)力傳遞。同時(shí)還避免了人工復(fù)合時(shí)的潤(rùn)濕、化學(xué)反應(yīng)或相容性等問題。（2）由于兩相是在高溫接近熱力學(xué)平衡條件下緩慢生長(zhǎng)而成，同時(shí)兩相界面處于低界面能狀態(tài)，因此有良好的熱穩(wěn)定性。而人工復(fù)合材料由于基體金屬和纖維間化學(xué)性質(zhì)的差異，具有高的界面能，在高溫下易發(fā)生界面反應(yīng)使性能 變差。（3）纖維分布均勻，沒有人工復(fù)合時(shí)纖維難以均勻分布和易受損傷等問題。定向凝固的重要工藝參數(shù)有二，一是凝固過程中固/液界

8、面前沿液相中的溫度梯度 G，另一是固/液界面向前推進(jìn)速度，即晶體凝固速率 R。G/R 是控制晶體長(zhǎng)大形態(tài)的主要判據(jù)，應(yīng)使G/R≥m（C-CE)/D≈ΔT/D式中 m——液相線斜率；C-CE——對(duì)共晶成分 CE 的偏差；D——液相中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)；ΔT——固、液共存的溫度范圍。上式雖然是針對(duì)二元共晶合金的，但對(duì)所有共晶合金均具有普遍意義。如果凝固速率太小，則生產(chǎn)效率太低，因此要設(shè)計(jì)溫度梯度 G 大的定向凝固裝置。定向凝固的方法較多，主