金屬基復合材料的發展現狀

    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、不放氣等特點。通過不同材料的組合，可以人為地制造出符合科技與工業生產要求的復合金屬材料，可以應用于機械制造、冶金、交通、船舶、制藥等多個領域。

 

1、金屬基復合材料的研究歷史及發展現狀

 

    在２０世紀６０年代，由于傳統金屬材料無法滿足一些國家對于高性能武器裝備以及航空技術發展的需求，因此人們開始了對新材料的研究和開發，促成了金屬基復合材料的發展。２０世紀７０年代末，粉末冶金法制造復合材料的技術逐漸成熟，以碳化硅顆粒為增強相的鋁合金材料的使用，標志著鋁合金復合材料逐漸商業化。２０世紀８０年代，金屬基復合材料的發展進入井噴時期。１９８３年，日本Ｈｏｎｄａ汽車公司推出新產品——以陶瓷纖維增強相的鋁基復合材料制造鋁活塞，使得金屬基復合材料逐漸從軍用開始轉向民用。進入到２０世紀９０年代，金屬基復合材料廣泛應用于各種軍事、航天、民用工業領域中。

 

圖1 陶瓷纖維增強鋁活塞

 

2、金屬基復合材料的發展現狀

 

2.1黑色金屬基復合材料

 

    常見的黑色金屬基復合材料是鋼鐵基復合材料。作為最常用的功能材料，鋼鐵因其熔點高，比例大，比強度小，制造工藝困難等導致基于鋼鐵材料的復合材料研究并不廣泛。然而隨著現代工業的高速發展，工件要在惡劣的工況條件下還能正常穩定的工作，因此，改進和提高鋼鐵基體的性能具有重要得研究意義和實用價值。鋼鐵基復合材料采用高比剛度、比強度的增強顆粒與鐵基體相結合的方法，可以降低基體材料的密度，并提高其硬度、耐磨度、彈性模量等物理性能。鋼鐵基復合材料現主要用于切削工具和等工業領域。

 

圖2 磨煤機的耐磨襯板

 

    鋼鐵基復合材料可分為表面復合材料和整體復合材料。對于整體復合材料，常見的制備方法有粉末冶金法、原位反應復合法、外加增強體顆粒法；表面復合技術常見的制備方法為鑄滲法、鑄造燒結法等。鋼鐵基復合材料多采用顆粒增強形式，其中碳化鈦、碳化鎢、碳化硅、碳化釩顆粒是最為常見的增強相。

 

2.2有色金屬基復合材料

 

    常見的有色金屬基復合材料包括鋁基、鎂基、鈦基、鎳基復合材料。由于有色金屬具有熔點低、硬度小的特點，故有色金屬基復合材料比起黑色金屬基復合材料應用更為廣泛。目前，在航天、航空和汽車工業等領域中，各種高比模量、高比強度的有色金屬基復合材料輕型結構件正在被廣泛應用。

 

    鋁基復合材料在具有鋁合金密度小、導熱好等特性的同時還具有更高的強度和剛度，而較多的制備方法和易于進行塑形加工的特點也在一定程度上降低了鋁基復合材料的制造成本。目前已經研制成功的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。

 

    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。

 

    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。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,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。

 

    鎳基復合材料是另一種常見的有色金屬基復合材料，其優異的高溫強度、抗熱疲勞、抗氧化和抗熱腐蝕性能使其在國內外得到迅速發展，成為制造艦船、航空以及工業燃氣渦輪發動機中重要受熱部件的重要材料。

 

圖3金屬基復合材料的廣泛應用于上述行業

 

3、金屬基復合材料的展望

 

    實際上，金屬基復合材料應用廣泛、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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