金属基复合材料的分类.增强机制及制备方法综述 蒋雯

金属基复合材料的分类、增强机制及制备方法综述

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摘要：金属基复合材料具有高比强度、高比模量、较好的耐热性和更低的热膨胀系数等优点，因此，对它进行充分的研究很有必要。本文研究了国内外相关研究的文献，介绍的金属基复合材料的分类，增强机制和具体制备方法，并指出了目前金属基复合材料尚需解决的问题。

关键词：金属基复合材料；分类；增强机制；制备方法

1前言

现代科学技术的迅猛发展对材料提出了越来越高的要求。在结构材料方面，尤其是在航空航天领域，现有高强度、高模量、耐高温、低密度的单一材料已远远不能满足使用要求。为此，国内外大量学者采用复合技术将不同性能的材料复合起来，得到单一材料无法比拟的、综合性能优越的新型复合材料[1]。 复合材料是指由两种或两种以上异质、异形、异性的原材料通过某种工艺组合成的一种新的材料。它即保留了原组分材料的主要特性。又通过复合效应获得了原组分材料所不具备的新性能。与普通单增强相复合材料相比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。

复合材料的种类繁多，按其基体材料不同可分为金属基、树脂基和陶瓷基复合材料。金属基复合材料是其中重要的一类。它采用金属或合金为基体，以纤维、晶须、颗粒等为增强体，通过合理的设计和良好的复合工艺，使基体和增强体之间取长补短，发挥了各自的性能及工艺优势。与传统的金属材料相比，金属基复合材料往往具有更高的比强度、比模量，更好的耐热以及更低的热膨胀系数[2]。

为了充分全面了解金属基复合材料，本研究结合国内外相关的研究状况，总结分析了金属基复合材料的分类、性能、制备技术等方面的研究成果，评述了金属复合材料的制备技术和目前存在的问题。

2金属基复合材料的分类

金属基复合材料因其优异的性能而应用范围广泛。依据基体合金的种类可分为：轻金属基复合材料、耐高温金属基复合材料、金属间化合物基复合材料。按增强相形态的不同可划分为：连续纤维增强金属基复合材料、短纤维增强金属基复合材料、晶须增强金属基复合材料、颗粒增强金属基复合材料、混杂增强金属复合材料[2-3]。以下分别从基体和增强相的角度进行分类介绍。

2.1 不同基体的金属基复合材料

2.1.1轻金属基复合材料

铝、镁合金是目前应用最为广泛、发展最为成熟的轻金属合金。用它们制成的各种高比强度、高比模量的轻型结构件，广泛的应用于宇航、航空和汽车工业等领域，并已形成工业化规模生产。

（1）铝基复合材料

铝基复合材料常用的铝合金基体有A1-Mg、A1-Si、Al-Cu、A1-Li和A1-Fe等。采用A1-Li合金作基体，可减轻构件质量并提高刚度；采用A1-Fe合金作基体则可提高构件的高温性能；而经过处理后的Al-Cu合金强度高。具有非常好的塑性、韧性和抗蚀性，易焊接、易加工。颗粒增强铝基复合材料的增强体主要有SiC颗粒、A12O3颗粒、BC4颗粒、TiC颗粒等[1]。铝基复合材料具有成

本低，易成型的优点，但是它在高于300℃的高温后，强度会迅速下降，极限工作温度为350℃[2]。

（2）镁基复合材料

镁基复合材料密度为铝基复合材料的2/3，具有高比强度、比刚度，优异的阻尼减震、电磁屏蔽和储氢析氢等性能。镁基复合材料主要由镁合金基体、增强相以及基体与增强相界面组成。常用基体合金主要有：Mg-Mn、Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Zr、Mg-Li和Mg-RE，此外还有用于较高温度下的Mg-Ag和Mg-Y合金。常用的增强相主要有SiC颗粒等。氧化铝是铝基复合材料中常用的增强相，但易与镁合金基体发生反应，降低界面强度，所以镁基复合材料较少采用氧化铝作

为增强相。B4C、SiC与镁不发生反应，但B4C颗粒表面的B2O3与Mg发生反应

生成MgB2，增大了Mg与B4C之间的润湿性，提高了界面强度[4]。因此，SiC

和B4C是镁基复合材料较为理想的增强颗粒[1、5]。

（3）铜基复合材料

传统的铜和铜合金由于强度与耐热性不足,而提高铜合金的强度很大程度以牺牲电导率和热导率为代价。铜基复合材料则能较好解决这一问题。铜基复合材料的性能主要取决于铜基体和增强体的性能以及基体和增强体之间的结合特性。常见的增强相主要有A12O3、WC、TiB2、Ti3SiC2、TiC等。A12O3增强铜

基复合材料强度高，导电性和导热性与纯铜接近，具有良好的抗腐蚀和抗磨损能力；由于WC化合物因其高强度、高硬度、高熔点和高弹性等性能，因此用WC颗粒增强的铜基复合材料具有高强度、高硬度、高导电性的特点；TiB2刚度好、硬度高、耐磨性优良，因此采用TiB2作为增强体制备的TiB2增强铜基

复合材料与铜基体相比刚度、硬度和耐磨性均有明显提高；Ti3SiC2是集结构、

导电和自润滑等功能于一体的新型材料，有与金属一样的导电、导热和易加工的特性。又有与陶瓷一样的轻质、抗氧化、耐高温等特性。Ti3SiC2增强铜基

复合材料是一种优良的自润滑材料，其力学性能优于SiC增强铜基复合材料。

（4）钛基复合材料

钛基复合材料可在比铝、镁基复合材料更高的温度下使用[5]。

钛基体是一种物理性能优良、化学性能稳定的材料，钛与钛合金具有强度高、相对密度小、耐海水和海洋气氛腐蚀等许多优异的特性。钛合金具有高比强度和良好的耐腐蚀性能，随着钛合金的使用温度逐步提高，在600℃以上。其强度和蠕变抗力急剧下降。通过传统的合金化方法已无法满足对高温和蠕变性能的要求。钛基复合材料具有比钛合金更高的比强度和比刚度、优良的耐疲劳和抗蠕变性能以及优异的高温性能和耐腐蚀性能，它克服了钛合金弹性模量和耐磨性低的缺点。颗粒增强钛基复合材料的增强颗粒主要有TiC、TiB与TiAl等。颗粒增强钛基复合材料的性能是各向同性的，其硬度和耐磨性、刚度得到明显提高，塑性、断裂韧性和疲劳性能有所降低，室温抗拉强度与基体接近，高温强度比基体高[1]。 [1]

2.1.2耐高温金属基复合材料

耐高温金属基复合材料的使用温度通常都在1000℃以上，除了对材料要求具有好的高温持久强度和模量外，韧性和导热性能都应优异。高熔点金属（合金）丝增强镍基和铁基高温合金是此类复合材料的主要品种。镍基高温合金是广泛使用于各种燃气轮机的重要材料，具有良好的高温强度、抗热疲劳、抗氧化和抗热腐蚀性。用钨丝、钍钨丝增强镍基合金可以大幅度提高其高温性能—高温持久性能和高温蠕变性能，一般可以提高100h持久强度1～3倍，主要用于高性能航空发动机叶片等重要部件[5-6]。用SiC颗粒增强可达到高强度、高刚度和抗蠕变，但不适于富氧环境下[1]。

2.1.3金属间化合物基复合材料

另有一类主要用于高温作业轻质高强结构件方面的金属间化合物基复合材料，此类复合材料具有轻质、高温性能高的特点，故被选用在发动机等高温零部件上。可大幅度提高发动机的性能和效率。通常金属间化合物基复合材料的增强体有SiC、TiB2、TiC颗粒等。常见的基体有NiAl、TiAl[2]。

2.2不同增强体的金属基复合材料

金属基复合材料的增强体是一些不同几何形状的金属或非金属材料。目前，其增强相已有很多，重要的有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、SiC纤维、SiC晶须；颗粒型的有SiC、碳化硼等；丝状的有钨、铍、硼、钢等[7]。金属基复合材料按其增强材料的几何形态可划分为以下几类。

2.2.1连续纤维增强金属基复合材料

连续纤维增强金属基复合材料是利用高强度、高模量、低密度的硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳纤维与石墨纤维等作为增强体，与相应的金属基体复合而成[8]。纤维直径从3～150um(晶须直径小于1um)，纵横比(长度/直径)在102以上。其中增强纤维绝大多数情况下是作为承载组分，而金属基体主要

起黏结纤维、传递载荷、部分承载的作用。

性能优良的连续纤维加入，使得复合材料具有轻质，比强度、比模量高，耐磨性强，耐高温性能好，导电、导热性好，抗疲劳，抗老化等优良的综合性能， 但连续纤维增强复合材料的复合和加工工艺独特、复杂、不易掌握和控制，因此该类复合材料的制造成本很高。连续纤维增强金属基复合材料主要用于较少考虑成本的航天、航空等尖端技术领域[2]。

2.2.2短纤维增强金属基复合材料

作为金属基复合材料增强体的短纤维可分为天然纤维制品和短切纤维。天然纤维主要是一些植物纤维和菌类纤维索等，长度一般为35～150mm；短切纤维一般是由连续纤维切割而成，长度l～50 mm，用于金属基复合材料短纤维增强体的材料主要有Saffil-A12O3、A12O3-SiO2、SiC等[9]。氧化铝短纤维增强

复合材料的室温拉伸强度并不比基体合金高，但它们的高温强度保持率明显优于基体，弹性模量在室温和高温都有较大的提高，热膨胀系数有所降低，耐磨性能得到改善[5、10]。

短纤维增强金属基复合材料成本比连续纤维增强金属基复合材料低得多，与基体合金相比，短纤维增强金属基复合材料具有较高的比强度、比刚度和高耐磨性，其各向异性要远远小于连续纤维增强复合材料。短纤维增强金属基复合材料中增强体的体积分数一般不超过30％。主要用于汽车行业、电力行业等。

2.2.3晶须增强金属基复合材料

晶须是指在特定条件下以单晶的形式生长而成的一种高纯度纤维，其原子排列高度有序，几乎不含晶界位错等晶体结构缺陷。有异乎寻常的力学性能。作为金属基复合材料的增强体使用的晶须多是SiC、Si3N4晶须，成本最低的是

A12O3·B2O3晶须。与连续纤维增强金属基复合材料相比，其各向异性极小；与

短纤维增强复合材料相比，晶须增强复合材料的性能更高。主要用于航空航天等高新技术领域．如飞机架构、推杆加强筋等[5]。

2.2.4颗粒增强金属基复合材料

粒增强金属基复合材料（PRMMC）是指弥散的硬质增强相的体积超过20％的复合材料，不包括弥散质点体积比很低的弥散强化金属的金属基复合材料。它利用颗粒自身的强度，其基体起着把颗粒组合在一起的作用，颗粒平均直径在lum以上，强化相的容积比可达90％。常用作金属基复合材料增强体的颗粒主要有：SiC、Al2O3、TiC、TiB2、NiAl、Si3N4等陶瓷颗粒[11、13]。

PRMMC除具有高强度、高模量和低膨胀系数等特点外,能耐300-500℃或更高温度，不燃烧、不吸潮，具有高的导热系数与导电率。且在较高温度下不会放出气体污染环境。更重要的是PRMMC的颗粒增强相成本低、微观结构均匀、可采用热压、热轧等传统的金属加工工艺加工，有良好的发展前途。目前，PRMMC主要用于航空航天、汽车工业等领域[9、14]。

2.2.5混杂增强金属复合材料

对上述四种单一的增强形式进行有机的组合就形成了混杂增强。增强体的混杂组合可分为三种：颗粒-短纤维(或晶须)、连续纤维-颗粒、连续纤维-连续纤维。在短纤维或晶须的预制件中，易出现增强的粘结、团聚现象，颗粒的混入可以解决这一问题。与单一的增强金属基复合材料相比，可以大幅度提高材料的横向强度，改善材料的力学性能[2]。

3 金属基复合材料的强化机制

金属基复合材料尤其是颗粒增强金属基复合材料的强化机制极其复杂,概括地讲，颗粒增强复合材料强化机制主要有以下几点：（1）材料受载时，增强体对基体变形的约束或对基体中位错运动的阻碍产生的强化作用；（2）基体向增强体的载荷传递；（3）增强体加入基体，由于基体和增强体热膨胀系数不同导致材料内产生热残余应力以及由于热残余应力释放导致基体中产生位错或基体加工硬化；（4）基体与增强体之间的界面结合状况及界面附近基体的微观结构和化学性质。关于上述强化机制的相对作用程度还必须根据具体材料和材

料变形不同阶段来确定[14]。

4金属基复合材料的制备方法

近年来，研究者对金属基复合材料的有效制备方法进行了大量的研究工作，创造了许多金属基复合材料的制备方法,具体如图1。

图1制备颗粒增强金属基复合材料的方法[12-15]

4.1粉末冶金法

粉末冶金法的主要技术步骤一般包括：粉末筛分、粉末与增强体混合、压制成型、高温除气、热压或热等静压致密化、二次加工(挤压、锻造、轧制、超塑性成型等)[18]。

粉末冶金法对基体合金和增强颗粒种类基本没有限制，而且可以任意调整增强体的含量、尺寸和形貌等。大大提高了复合材料的可设计性。另外。由于粉末冶金法所使用的温度较低，从而减轻了基体与增强体之间的界面反应。所制得的复合材料具有良好的力学物理性能且质量稳定。粉末冶金工艺的成本一般介于液相工艺与连续纤维复合材料之间，

但材料的综合性能高于液相法制备

的材料，且使用范围更加广泛[16]。

4.2固体分散法

4.2.1搅拌铸造法

搅拌铸造法是将增强体加入到基体金属液中，通过高速旋转的搅拌器使液相和固相均匀混合，然后浇入到铸型中。这种方法的关键是使基体和增强物之间有良好的界面结合，并使增强体在基体中均匀分布。搅拌铸造法分为真空搅拌铸造和非真空搅拌铸造。前者是在真空状态下，采用搅拌的方法使基体熔液和增强相混和，再进行浇注的方法。图2是真空搅拌铸造炉的结构示意图。

图2空搅拌铸造炉结构示意图

搅拌铸造法成本低，便于一次形成复杂的工件，所需设备相对简单，适应批量生产；但在搅拌的过程中存在陶瓷颗粒偏聚、在液体分布的均匀性以及界面反应等问题。非真空搅拌铸造时，在搅拌过程中容易引入气体，致使产品内部产生气孔，颗粒增强相的体积分数也会受到限制[17]。

4.2.2流变铸造法

流变铸造法是对处于固-

液两相区的熔体施加强烈搅拌形成低粘度的半固

态浆液，同时引入陶瓷颗粒，利用半固态浆液的触变特性分散增强相，阻止陶瓷颗粒的下沉或漂浮，保证陶瓷颗粒弥散分布于金属熔体中。该法仅适用于凝固区间较宽的金属。存在界面反应、颗粒偏析等问题[2]。

4.3 喷射沉积法

图3为喷射成型法示意图。该工艺过程是将基体金属在坩埚中熔炼后，在压力作用下通过喷嘴送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成“雾化锥”。同时通过一个或多个喷嘴向“雾化锥”喷射人增强颗粒，使之与金属雾化液滴一起沉积在一基板上并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。

该工艺制备的复合材料致密度可达到理论的95％～98％，冷却速度达快，金属晶粒和组织细化、成分均匀、很少或没有界面反应，且流程短、工序简单、效率高，有利于工业化生产[19]。

图2喷射成型法示意图

4.4液态浸渗法

4.4.1挤压铸造法

挤压铸造法是将增强体制成预成型体，放人固定模型内预热至一定温度，

浇人金属熔体，将模具压下并加压，迅速冷却得到所需的复合材料。

挤压铸造法可以制备出增强相高达40％～50％的金属基复合材料，由于在高压下凝固，既改善了金属熔体的浸润性，又消除了气孔等缺陷，因此，挤压铸造法是制造金属基复合材料质量较好，可以一次成型。挤压铸造法的不足之处主要受到大体积产品的形状和尺寸的影响，因而，针对大体积的零件挤压铸造法适应性不高[20]。

4.4.2气压浸渗。

气压浸渗能有效防止金属和增强体的氧化，限制了界面反应，改善界面，提高了浸润性，减少了出现气孔等缺陷的几率。由于其制造过程气压不超过10 MPa，所以零件不易开裂。但是，低气压浸渗难以制造大型件，生产效率低，工艺步骤多，周期长。

4.4.3无压浸渗。

无压浸渗是金属液体在没有外压力和真空的条件下，自发地渗入预制体间隙，冷却凝同获得致密的复合材料。

该技术投资小，可制备复杂薄壁的零件，无需耐高温的模具；若浸渗强的金属，可加阻尼层，限制过度增长，以实现复杂薄壁结构的近无余量制备[2]。

4.5原位复合法

原位生成法指增强材料在复合材料制造过程中，并在基体中自己生成和生长的方法，增强材料以共晶的形式从基体中凝固析出，也可与加入的相应元素发生反应、或者合金熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之问的反应生成。前者得到定向凝固共晶复合材料，后者得到反应自生成复合材料。

该法制备的材料，增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，界面结合强度高。而且，原位反应产生的增强相颗粒尺寸细小、分布均匀，基体与增强材料间相容性好，界面润湿性好，不生成有害的反应物，不须对增强体进行合成、预处理和加入等工序，采用该技术制

备的复合材料的综合性能比较高，生产工艺简单，成本较低[20]。

5金属基复合材料目前存在的问题

（1）对于颗粒增强的金属基复合材料，增强颗粒进入基体金属熔体，并能很好地分散，首要条件是两者必须相互润湿。而有些增强颗粒表面存在的氧化物吸附气体、水分等，使增强颗粒与金属基体的润湿性变差。为此，需采取一定措施来降低颗粒表面张力，提高润湿性。

（2）金属基复合材料的界面有三种类型：增强体与基体互不反应互不溶解；增强体与基体不反应但能互相溶解；增强体与基体互相反应生成界面反应物。多数PRMMC是以界面反应的形式结合，因此必须注意防止界面过度反应，避免生成的脆性相在受力时起到萌生裂纹源的作用[9]。

（3）由于钢铁基材料熔点高、密度大、比强度小和制造工艺困难。因而钢铁基复合材料研究开发的较少，但通过复合工艺将钢铁材料和增强相材料间的高韧性和高耐磨性等性能的优化组合仍显示出极广阔的应用前景。

（4）对于颗粒增强金属基复合材料，由于颗粒的尖锐化导致基体内应变集中和颗粒尖端断裂而使材料塑性下降和脆化。因此，颗粒增强金属基复合材料的韧化十分必要，增强颗粒球化将有助于实现材料的韧化[21]。

6 结论

金属基复合材料具有许多优良性能，目前主要集中在以轻金属等为基体的复合材料研究，少量研究致力于铜、铁、铅基体的复合材料。增强的形式包括连续纤维、短纤维、晶须和颗粒。金属基复合材料的制备方法多种多样，每种方法都有其优势和缺点，实践中，应根据实际情况，探索适合的方法。总的来说，金属基复合材料还没有实现大规模生产，为此目标，还需要很多努力。

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