金屬基復(fù)合材料除了具有高比強(qiáng)度、高比模量和低膨脹系數(shù)等特點外，還具有良好的耐熱性、高韌性、耐老化性、高導(dǎo)電和高導(dǎo)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(yè)生產(chǎn)要求的復(fù)合金屬材料，可以應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、交通、船舶、制藥等多個領(lǐng)域。

 

1、金屬基復(fù)合材料的研究歷史及發(fā)展現(xiàn)狀

 

    在２０世紀(jì)６０年代，由于傳統(tǒng)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(shù)發(fā)展的需求，因此人們開始了對新材料的研究和開發(fā)，促成了金屬基復(fù)合材料的發(fā)展。２０世紀(jì)７０年代末，粉末冶金法制造復(fù)合材料的技術(shù)逐漸成熟，以碳化硅顆粒為增強(qiáng)相的鋁合金材料的使用，標(biāo)志著鋁合金復(fù)合材料逐漸商業(yè)化。２０世紀(jì)８０年代，金屬基復(fù)合材料的發(fā)展進(jìn)入井噴時期。１９８３年，日本Ｈｏｎｄａ汽車公司推出新產(chǎn)品——以陶瓷纖維增強(qiáng)相的鋁基復(fù)合材料制造鋁活塞，使得金屬基復(fù)合材料逐漸從軍用開始轉(zhuǎn)向民用。進(jìn)入到２０世紀(jì)９０年代，金屬基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于各種軍事、航天、民用工業(yè)領(lǐng)域中。

 

圖1 陶瓷纖維增強(qiáng)鋁活塞

 

2、金屬基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀

 

2.1黑色金屬基復(fù)合材料

 

    常見的黑色金屬基復(fù)合材料是鋼鐵基復(fù)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(qiáng)度小，制造工藝?yán)щy等導(dǎo)致基于鋼鐵材料的復(fù)合材料研究并不廣泛。然而隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，工件要在惡劣的工況條件下還能正常穩(wěn)定的工作，因此，改進(jìn)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(fù)合材料采用高比剛度、比強(qiáng)度的增強(qiáng)顆粒與鐵基體相結(jié)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(fù)合材料現(xiàn)主要用于切削工具和等工業(yè)領(lǐng)域。

 

圖2 磨煤機(jī)的耐磨襯板

 

    鋼鐵基復(fù)合材料可分為表面復(fù)合材料和整體復(fù)合材料。對于整體復(fù)合材料，常見的制備方法有粉末冶金法、原位反應(yīng)復(fù)合法、外加增強(qiáng)體顆粒法；表面復(fù)合技術(shù)常見的制備方法為鑄滲法、鑄造燒結(jié)法等。鋼鐵基復(fù)合材料多采用顆粒增強(qiáng)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(qiáng)相。

 

2.2有色金屬基復(fù)合材料

 

    常見的有色金屬基復(fù)合材料包括鋁基、鎂基、鈦基、鎳基復(fù)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(fù)合材料比起黑色金屬基復(fù)合材料應(yīng)用更為廣泛。目前，在航天、航空和汽車工業(yè)等領(lǐng)域中，各種高比模量、高比強(qiáng)度的有色金屬基復(fù)合材料輕型結(jié)構(gòu)件正在被廣泛應(yīng)用。

 

    鋁基復(fù)合材料在具有鋁合金密度小、導(dǎo)熱好等特性的同時還具有更高的強(qiáng)度和剛度，而較多的制備方法和易于進(jìn)行塑形加工的特點也在一定程度上降低了鋁基復(fù)合材料的制造成本。目前已經(jīng)研制成功的鋁基復(fù)合材料主要有以下五種:硼-鋁復(fù)合材料、碳(石墨)-鋁復(fù)合材料、碳化硅-鋁復(fù)合材料、氧化鋁-鋁復(fù)合材料和不銹鋼絲-鋁復(fù)合材料。

 

    鎂基復(fù)合材料是繼鋁基復(fù)合材料之后又一具有競爭力的輕金屬基復(fù)合材料，其主要特點是密度低,比強(qiáng)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(yōu)良的減振性能及良好的尺寸穩(wěn)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(yōu)秀的結(jié)構(gòu)和功能材料，也是當(dāng)今高新技術(shù)領(lǐng)域中最有希望采用的復(fù)合材料之一；但由于價格昂貴，目前主要應(yīng)用于航天及航空領(lǐng)域。

 

    鈦基復(fù)合材料可在比鋁、鎂基復(fù)合材料更高的溫度下使用,曾引起人們很大的關(guān)注。鈦基復(fù)合材料(TMCs)以其高比強(qiáng)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(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。國外對鈦基復(fù)合材料的研究已有近40年的歷史,發(fā)展相當(dāng)迅速,原位合成工藝、纖維涂層等制備技術(shù)已經(jīng)成功用于制備高性能鈦基復(fù)合材料。鈦基復(fù)合材料分為連續(xù)纖維增強(qiáng)（FTMCs）和顆粒（晶須）增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（PTMCs）兩大類，這兩種復(fù)合材料都要求基體材料具有較好的力學(xué)和加工成形性能。

 

    鎳基復(fù)合材料是另一種常見的有色金屬基復(fù)合材料，其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗熱疲勞、抗氧化和抗熱腐蝕性能使其在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展，成為制造艦船、航空以及工業(yè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中重要受熱部件的重要材料。

 

圖3金屬基復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用于上述行業(yè)

 

3、金屬基復(fù)合材料的展望

 

    實際上，金屬基復(fù)合材料應(yīng)用廣泛、生產(chǎn)發(fā)展的速度和規(guī)模，已成為衡量一個國家材料科技水平的重要標(biāo)志之一。以用量計算，美國、英國、日本是位列前三的金屬基復(fù)合材料消費(fèi)大國，超過消費(fèi)總質(zhì)量2／3的金屬基復(fù)合材料為其所用，這與它們作為發(fā)達(dá)國家的地位相符。金屬基復(fù)合材料一開始因價格比較昂貴,首先應(yīng)用于航空、航天和軍事領(lǐng)域。而隨著新的材料制備技術(shù)的研制成功和廉價增強(qiáng)物的不斷出現(xiàn),金屬基復(fù)合材料正越來越多地應(yīng)用于汽車、機(jī)械、冶金、建材、電力等民用領(lǐng)域，顯示出廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及相關(guān)領(lǐng)域研究工作的不斷深入,金屬基復(fù)合材料的理論基礎(chǔ)和制備技術(shù)將會有更大的突破,在各方面將有越來越廣闊的應(yīng)用前景。

 

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