金屬基復合材料

    金屬基復合材料（Metal Matrix composites, MMCs）主要是指以金屬、合金為基體材料，以纖維、晶須、顆粒等高強度材料作為增強體，制備而成的一種復合材料。

 

    MMCs的常用的制備方法有：粉末冶金法、原位生成復合法、噴射成形法、鑄造凝固成型法等。按照不同增強相可以分為連續纖維增強（主要有碳及石墨纖維、碳化硅纖維、硼纖維、氧化鋁纖維、不銹鋼絲和鎢絲）、非連續纖維增強（包括碳化硅、氧化鋁、碳化硼等顆粒增強，碳化硅、氧化鋁、等晶須增強，氧化鋁纖維等短纖維增強）和疊層復合三類復合材料。

 

上海皓越自主研發的真空燒結爐(左)和真空熱壓爐(右)

 

    因為引入增強相在一定程度上會改變基體材料的顯微結構和組織，如亞結構、位錯形態和晶粒尺寸等，從而提高和彌補了基體材料在某些性能上的缺陷，使得MMCs具備高的比強度和比模量、耐高溫、耐腐蝕、熱膨脹系數小、尺寸穩定性強、良好的導電和導熱性等優異的物理和力學性能。因此，MMCs已經取代了部分傳統材料，并逐漸成為國內外材料科學研究的重點領域。

 

圖1.金屬基復合材料的應用

 

    銅是人類發現最早并最實用的金屬之一，因其具有優良的延展性，僅次于銀的電導率，僅次于金銀的熱導率，一直以來備受重視。但是，銅的力學性能(耐磨性、硬度、強度、抗蠕變性等)較差，限制了銅在工業和軍事等領域的應用。在眾多MMCs中，銅基復合材料以其優異的導電、導熱性能、耐腐蝕性以及良好的加工性而被廣泛關注。從二十世紀六十年代開始，銅基復合材料的相關研究逐漸開展，許多科學家在銅基體中加入了不同的增強體，發現該復合材料既保持了銅的優點，又彌補了銅力學性能上的不足。時至今日，銅基復合材料的研究已經持續了幾十年，形成了以顆粒增強銅基復合材料、纖維增強銅基復合材料、晶須增強銅基復合材料三大類別。

 

圖2.銅基復合材料的應用

 

1、顆粒增強銅基復合材料

 

    顆粒增強銅基復合材料目的是將性能優異的顆粒均勻分散于銅基體，提高銅基復合材料的綜合性能。顆粒增強相產生的釘扎作用能夠極大的阻礙位錯的運動從而增強復合材料的強度，使銅基復合材料的力學性能、耐磨以及高溫性能大幅提高。此外，由于顆粒增強相的添加量很少，不至于影響基體材料原有的物理化學特性，因此基材料原有的高電導和熱導性能不發生明顯降低。常見的顆粒增強相主要有Al₂O₃、WC、TiB₂、Ti₃SiC₂等。目前研究最多是是Al₂O₃，由于Al₂O₃增強銅基復合材料力學性能高，電導率和熱導率接近純銅，還具備有良好的抗腐蝕和抗磨損能力，該復合材料已進入實用化階段。WC顆粒的特點是高強度、高硬度、高熔點和高彈性，所以WC增強銅基復合材料也具有高的強度、高的硬度和高的導電、導熱等特性。TiB₂顆粒的特點是優異的剛度、高硬度和良好的耐磨性，因此TiB₂增強銅基復合材料具有優異的剛度、硬度和耐磨性。Ti₃SiC₂是一種新型材料，具有優異的結構、導電和自潤滑性能，具備金屬材料一樣的導電、導熱、易加工特點，同時又具備陶瓷材料輕質、抗氧化、耐高溫特性。所以，Ti₃SiC₂增強銅基復合材料是一種優良的自潤滑材料，其力學性能優于SiC增強銅基復合材料。

 

    由于兼具金屬與非金屬的綜合性能(強韌性、耐磨性、耐熱性、導電導熱性及耐候性)，顆粒增強銅基復合材料能廣泛適用工程要求，而且其比強度、比模量和高溫穩定性均超過基體材料，對航空航天等尖端領域的發展具有重要作用。

 

2、纖維增強銅基復合材料

    纖維增強銅基復合材料是利用強度極高的金屬絲或纖維(直徑3~5µm)，來增強銅基體的一種方法，也是最早應用于銅基復合材料的強化方式。由于纖維增強相具有良好的耐高溫性能，優異的導電、導熱、抗疲勞特性，以及在輻射和潮濕環境下優異的尺寸穩定性，纖維增強銅基復合材料因其高強度、耐高溫性能被認為在航空航天、汽車、電子等領域有巨大的應用前景。纖維增強銅基復合材料的性能由纖維的性能所決定，要求纖維增強相具備高的長徑比、高的比強度、高的比模量、穩定的高溫抗氧化性及良好的導電、導熱性能。目前應該廣泛的纖維增強相主要有：B纖維、C纖維、SiC纖維和Al₂O₃纖維等。B纖維具有低的密度、大的長徑比、高的彈性模量、高的導熱性、優異的熱穩定性等特點；C纖維與 B 纖維相比，除了具有低的密度、優異的力學性能、良好的潤滑和耐磨性外，它的制造成本更低；SiC纖維與B、C纖維相比而言，除力學性能更高外，其高溫性能更優異，在高溫條件下抗氧化能力更強。因此SiC纖維主要用于飛機、導彈、發動機的各種耐高溫、高性能結構件的制造。

 

3、晶須增強銅基復合材料

 

    晶須增強銅基復合材料主要利于晶須增強銅基復合材料的一種方法。微細針狀無缺陷（即生長軸上只存在一個螺旋位錯）的晶體稱為晶須；通常長徑比大于10，橫截面積小于52×10^-5 cm^-2，現在短纖維狀晶體也被視為晶須的一種。結晶時，晶須的原子結構具有排列高度有序狀、內部缺陷少的特點，因此晶須的強度和模量均接近完整晶界材料的理論計算值，從而使晶須增強相成為一種力學性能優異的增強增韌相，可顯著提高復合材料的耐磨耐腐蝕、抗熱疲勞性，同時可有效降低材料的膨脹系數。所以，合成晶須并且應用晶須已成為材料科學的熱點研究領域。經過多年的研究和開發，已經形成了以SiC、Si₃N₄、K₂Ti₆O₁₃、Mg₂B₂O₅、Al₁₈B₄O₁₃、Al2O₃、ZnO為主，總計一百多種的晶須類型。在所有晶須當中，SiC晶須被譽為“晶須之王”，是研究和應用的重點領域。因為SiC晶須是目前所有已合成晶須中強度、彈性模量、抗拉強度、耐熱溫度等性能均最高的。與SiC相似，Si₃N₄晶須硬度稍低，但機械加工性能較好。后期開發出的K₂Ti₆O₁₃、Al₁₈B₄O₁₃、Mg₂B₂O₅等晶須除性能優異外還更加廉價。

 

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