金属基复合材料分析及发展探讨

杨瑞①杜立国②

黑龙江大庆163000

①大庆师范学院②大庆石油管理局有限公司装备制造分公司

摘要：金属基复合材料在目前的各个领域中使用的十分广泛，具有良好的导电性、导热性、抗疲劳性、力学性能、耐磨性等优点，本文主要对金属基复合材料的特点进行介绍，针对其中比较典型的材料，研究和分析其制备的方法和发展的方向。

关键词：金属基；合金；制备

金属基复合材料的主要组成为金属和合金，在加上纤维、颗粒、晶须等一些增强体。经过我们的科学合理处理，金属基复合材料具有金属的塑韧性、加工性的同时，还具有增强体的高比刚、高比强，使之金属基复合材料具有更加稳定的导热性、耐磨性等优点。根据基体材料、增强体的种类不同，分为很多的种类。自生复合材料在热力学上具有稳定的增强相，具有较高的界面结合强度，通过工艺参数对增强体的尺寸、体积分数进行控制，也是目前我们主要的研究方向。

1、金属基复合材料的性能特点

金属基复合材料在保障原有材料特色的同时，还能通过复合效应取得更多的性能。经过我们对金属基复合材料进行优化，得到金属特性的同时还具有增强体的耐热、耐磨、比强度等更多特性。金属基复合材料的性能和基体金属材料相比较，有着以下方面的优势：具有更好的力学性能，将纤维、晶须、颗粒等一些高强度、低密度、高模具的增强体加入到金属基体中，有效的将复合材料的比模具、比强度进行提升；金属基复合材料中占有重要体积的还是金属基体，其中的导热、导电性能良好，热膨胀尺寸稳定性好、系数小。陶瓷纤维和颗粒等增强体具有较高的硬度、强度，因此也具有良好的耐磨性；在金属基体中，增强体分布呈现出金属基体、增强体的特性，尤其是最佳的界面状态中，有效起到传递载荷的同时还能阻止裂纹的扩大，材料的断裂韧性得到增强。同时金属基体和增强体要选择适当，经过科学合理的加工工艺和技术，金属基复合材料还能具有良好的气密性、不吸潮、耐老化等性质。

2、典型的金属基复合材料

铝基复合材料具有导热性好、导电性好、密度低、塑韧性良好的特点，缺点就是熔点比较低、耐磨性比较差，因此应用的领域比较有限。如果将增强相加入到铝基复合材料中，能够加强其耐磨性、比强度、比刚度，尺寸稳定效果更好，加工性能更加的完善。镁基复合材料具有高比刚度、高比强度、密度低的同时，还具有很好的耐高温性、耐磨性、抗冲击性、阻尼减振性，尺寸稳定效果良好。钛基复合材料主要的组成部分有钛、钛合金，具有良好的物理性能、化学性能的同时，有着相对密度低、耐海水、强度高、耐腐蚀等优点，其缺点就是耐磨性比较低、弹性模量比较低，强度和蠕变能力在超过600摄氏度的环境下就会急剧下降。传统的合金化处理方法已经不能有效的满足目前的高温和蠕变性能要求，钛基复合材料和基材相比较有着强度高、硬度大的优势，具有良好的抗蠕变性能、高温强度、抗疲劳性和耐腐蚀性等。

3、制备方法

3.1原位反应自生法

原位反应自生法主要分为两种，一种为固态自生法，一种为液态自生法。原位反应自生法的工作原理是将两种或者多种预期反应生成增强相与基体金属混合均匀，将生成预期增强相的元素和化合物加入到熔融基体中，元素之间在一定的温度下产生化学反应，一些细小、弥散的增强相在基体的熔液中生成。通过反应元素的加入量对增强相含量进行控制。反应生成的增强相种类比较多，TiC、SiC、TiN等陶瓷颗粒都可以制备出来。原位法制备金属基复合材料能够加强基体和增强颗粒之间的相容性，避免了颗粒和基体界面之间产生化学反应，避免了外加强颗粒产生的污染现象，增强颗粒具有高温工作时不易退化、热力学稳定的优点，同时原位反应生成的增强相还有着均匀性强、性能优异、细小弥散的优势，缺点就是控制起来不太容易，相对比较复杂。

3.2粉末冶金法

粉末冶金法的主要工艺内容包括基体和增强体的前处理、均匀混合、粉体制备、压坯、热成型等工作。粉体混合的均匀性在粉末冶金工艺中是十分重要的。混合时产生的增强体颗粒因为粉体颗粒较小、表面带有电荷，在后续的挤压过程中不能进行有效的分散。基体和增强体基体在粉末冶金制备复合材料中选择的增强体种类、尺寸、数量都各不相同；强化颗粒之间和基体金属之间很难发生反应；工艺比较简单，操作比较方便；缺点就是成本比较高、很难对复杂型腔进行制备、尺寸受到的限制比较大、界面融合比较困难、成品致密性比较差。

3.3喷射沉积法

喷射沉积法的工作原理是将溶化后的基体金属通过导液管流入到喷枪中，利用惰性将其雾化，在水冷衬底平台上，与另一种惰性气体的增强微细颗粒在喷射过程中形成会合，产生沉淀，最终凝固后产生复合材料。通过计算机对雾化器和衬底的移动进行控制，根据现场实际中冷却速度和沉积坯的形状要求，沉积坯的长大速率要和基体的下降速度保持相同，坯件经过雾化液流的多次往返扫描沉积形成。金属基复合材料使用喷射沉积法制备具有工艺简单，操作快捷的优势，同时有效的避免了界面反应和成分偏析，通过计算机实时控制增强体的加入量，分布比较均匀。缺点就是使用该种方法制备金属基复合材料中气孔和疏松比较多，沉积层和雾化颗粒之间不能有效的冶金结合，需要后期进行二次加工操作，进行热致密化加工处理。

3.4搅拌铸造法

搅拌铸造法也被称为掺和铸造，工作的原理就是液态的合金通过机械的猛烈搅拌形成涡流，在加入增强体颗粒，保障基体中颗粒均匀分布，经过快速的凝固后就产生了颗粒增强复合材料。根据加热温度的不同，在铸造的时候可以分半固态搅拌铸造、全液态搅拌铸造、搅熔铸造。搅拌铸造法具有的优点就是工艺简单、成本比较低，产品的形状、尺寸受到限制的程度比较大，产生的复合材料体积比较大，缺点就是增强颗粒分布不够均匀，增强相体积分布不会超过百分之二十。

3.5挤压铸造法

在非连续增强金属基复合材料制备中挤压鋳造法是最常用、最成功的方法。液态金属通过铸造机强行的压入到增强材料制备中，形成的一种制造复合材料的手段。首先将增强体制作成型体，经过干燥和预热后，在磨具内加入金属熔体，金属熔体逐渐的侵入到预制的型体中，凝固后形成最终的零件。挤压铸造法的优点就是成本比较低、操作比较简单，同时基体和增强体在高压下浸渗和凝固，能够有效地加强两者的结合状态，避免铸造时出现缺陷，保障了材料的致密度，将复合材料的机械性能得到改善。

4、展望

金属基复合材料目前主要的研究方向表现在以下几个方面：制备工艺逐渐的简化、制造成本逐渐的降低，是研究的关键；增加复合材料的凝固过程进行探讨、增强相和基体的微观作用机理进行研究和分析；增强体和基体结合界面、增强体在基体中的分布是目前学者研究的主要内容，但是对基体本身的性能有所忽略，基体本身的性能和复合材料之间有着重要的联系，复合材料性能优越的同时也需要基体的性能同样优越。金属基复合材料目前在我国的制备和加工领域中没有一定的理论支持，增强体存在分散均匀，产品性能参数离散性大，不浸润、应力集中等缺点是影响金属复合材料发展的主要问题，是以后金属基复合材料研究的主要方向。

参考文献

[1]曾婧,彭超群,王日初,王小锋.电子封装用金属基复合材料的研究进展[J].中国有色金属学报,2015,25(12):3255-3270.

[2]吕宏虹,宫艳艳,唐景春,黄耀,高凯.生物炭及其复合材料的制备与应用研究进展[J].农业环境科学学报,2015,34(08):1429-1440.