金屬基復(fù)合材料除了具有高比強度、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相的鋁合金材料的使用，標志著鋁合金復(fù)合材料逐漸商業(yè)化。２０世紀８０年代，金屬基復(fù)合材料的發(fā)展進入井噴時期。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。進入到２０世紀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，比強度小，制造工藝困難等導(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、比強度的增強顆粒與鐵基體相結(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(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(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（FTMCs）和顆粒（晶須）增強鈦基復(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)燃氣渦輪發(fā)動機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)合材料消費大國，超過消費總質(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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