金属基复合材料的发展现状

    金属基复合材料除了具有高比强度、高比模量和低膨胀系数等特点外，还具有良好的耐热性、高韧性、耐老化性、高导电和高导热性，同时还能抗辐射、阻燃、不吸潮、不放气等特点。通过不同材料的组合，可以人为地制造出符合科技与工业生产要求的复合金属材料，可以应用于机械制造、冶金、交通、船舶、制药等多个领域。

 

1、金属基复合材料的研究历史及发展现状

 

    在２０世纪６０年代，由于传统金属材料无法满足一些国家对于高性能武器装备以及航空技术发展的需求，因此人们开始了对新材料的研究和开发，促成了金属基复合材料的发展。２０世纪７０年代末，粉末冶金法制造复合材料的技术逐渐成熟，以碳化硅颗粒为增强相的铝合金材料的使用，标志着铝合金复合材料逐渐商业化。２０世纪８０年代，金属基复合材料的发展进入井喷时期。１９８３年，日本Ｈｏｎｄａ汽车公司推出新产品——以陶瓷纤维增强相的铝基复合材料制造铝活塞，使得金属基复合材料逐渐从军用开始转向民用。进入到２０世纪９０年代，金属基复合材料广泛应用于各种军事、航天、民用工业领域中。

 

图1 陶瓷纤维增强铝活塞

 

2、金属基复合材料的发展现状

 

2.1黑色金属基复合材料

 

    常见的黑色金属基复合材料是钢铁基复合材料。作为最常用的功能材料，钢铁因其熔点高，比例大，比强度小，制造工艺困难等导致基于钢铁材料的复合材料研究并不广泛。然而随着现代工业的高速发展，工件要在恶劣的工况条件下还能正常稳定的工作，因此，改进和提高钢铁基体的性能具有重要得研究意义和实用价值。钢铁基复合材料采用高比刚度、比强度的增强颗粒与铁基体相结合的方法，可以降低基体材料的密度，并提高其硬度、耐磨度、弹性模量等物理性能。钢铁基复合材料现主要用于切削工具和等工业领域。

 

图2 磨煤机的耐磨衬板

 

    钢铁基复合材料可分为表面复合材料和整体复合材料。对于整体复合材料，常见的制备方法有粉末冶金法、原位反应复合法、外加增强体颗粒法；表面复合技术常见的制备方法为铸渗法、铸造烧结法等。钢铁基复合材料多采用颗粒增强形式，其中碳化钛、碳化钨、碳化硅、碳化钒颗粒是最为常见的增强相。

 

2.2有色金属基复合材料

 

    常见的有色金属基复合材料包括铝基、镁基、钛基、镍基复合材料。由于有色金属具有熔点低、硬度小的特点，故有色金属基复合材料比起黑色金属基复合材料应用更为广泛。目前，在航天、航空和汽车工业等领域中，各种高比模量、高比强度的有色金属基复合材料轻型结构件正在被广泛应用。

 

    铝基复合材料在具有铝合金密度小、导热好等特性的同时还具有更高的强度和刚度，而较多的制备方法和易于进行塑形加工的特点也在一定程度上降低了铝基复合材料的制造成本。目前已经研制成功的铝基复合材料主要有以下五种:硼-铝复合材料、碳(石墨)-铝复合材料、碳化硅-铝复合材料、氧化铝-铝复合材料和不锈钢丝-铝复合材料。

 

    镁基复合材料是继铝基复合材料之后又一具有竞争力的轻金属基复合材料，其主要特点是密度低,比强度和比刚度高，同时还具有良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性，优良的减振性能及良好的尺寸稳定性和铸造性能等；此外，还具有电磁屏蔽和储氢特性等，是一类优秀的结构和功能材料，也是当今高新技术领域中最有希望采用的复合材料之一；但由于价格昂贵，目前主要应用于航天及航空领域。

 

    钛基复合材料可在比铝、镁基复合材料更高的温度下使用,曾引起人们很大的关注。钛基复合材料(TMCs)以其高比强度、比刚度，以及良好的抗高温、耐腐蚀性能,在航空、航天、汽车等领域有着广阔的应用前景。国外对钛基复合材料的研究已有近40年的历史,发展相当迅速,原位合成工艺、纤维涂层等制备技术已经成功用于制备高性能钛基复合材料。钛基复合材料分为连续纤维增强（FTMCs）和颗粒（晶须）增强钛基复合材料（PTMCs）两大类，这两种复合材料都要求基体材料具有较好的力学和加工成形性能。

 

    镍基复合材料是另一种常见的有色金属基复合材料，其优异的高温强度、抗热疲劳、抗氧化和抗热腐蚀性能使其在国内外得到迅速发展，成为制造舰船、航空以及工业燃气涡轮发动机中重要受热部件的重要材料。

 

图3金属基复合材料的广泛应用于上述行业

 

3、金属基复合材料的展望

 

    实际上，金属基复合材料应用广泛、生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家材料科技水平的重要标志之一。以用量计算，美国、英国、日本是位列前三的金属基复合材料消费大国，超过消费总质量2／3的金属基复合材料为其所用，这与它们作为发达国家的地位相符。金属基复合材料一开始因价格比较昂贵,首先应用于航空、航天和军事领域。而随着新的材料制备技术的研制成功和廉价增强物的不断出现,金属基复合材料正越来越多地应用于汽车、机械、冶金、建材、电力等民用领域，显示出广阔的应用前景和巨大的经济效益和社会效益。随着科学技术的不断发展，以及相关领域研究工作的不断深入,金属基复合材料的理论基础和制备技术将会有更大的突破,在各方面将有越来越广阔的应用前景。

 

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