毕业设计（论文）金属基复合材料的发展现状与未来趋势

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1、装订线安徽工业大学 毕业设计（论文）报告纸金属基复合材料的发展现状与未来趋势摘要明确了金属基复合材料的内涵，且对金属基复合材料的分类、性能特点、制备技术方法及工艺进行了详细综述，阐述了国内外对金属基复合材料的研究现状和生产现状，及指出目前制备技术存在问题和国内生产水平与世界的差距，并指出金属基复合材料的发展趋势和提出回收处理的问题关键词：金属基复合材料 发展现状 趋势共 1 页 第 1 页目录引言11 金属基复合材料21.1 金属基复合材料的分类21.2 金属基复合材料的制备方法21.2.1金属基复合材料的制备方法21.2.1.1 液态金属/陶瓷颗粒搅拌铸造法21.2.1.5加压凝固铸造法31

2、.2.1.6真空铸造法41.2.1.7喷射成形法41.2.1.8叠层复合法41.2.1.9原位生成复合法41.2.1.10直接氧化 （ DIMON） 法51.2.1.11放热弥散 （ XD） 法51.2.1.11反应喷射沉积技术 （ RSD）51.3金属基复合材料的性能特点61.3.1高比强度和高比模量61.3.2导热和导电性能61.3.3热膨胀系数小, 尺寸稳定性好71.3.4良好的高温性能71.3.5耐磨性好71.3.6良好的疲劳性能和断裂韧性71.3.7不吸潮、不老化、气密性好72金属基复合材料的发展现状81.1增强相分布状态的控制81.2润湿性91.3相容性93金属基复合材料的未来趋势

3、91.1趋势91.2金属基复合材料研究方向111.3金属基复合材料的再生与回收111.3.1金属基复合材料再生工艺研究12结论13致谢14参 考 文 献15附录A部分制造工艺图16共 2 页 第 2 页引言复合材料( Composite Materials) 是为达到预期的使用特性将不同性质的两种或两种以上材料结合为一体而设计制造的新材料。金属基复合材料 ( MMCs即Metal matrix composites) 集高比模量、高比强度、良好的导热导电性、可控的热膨胀系数以及良好的高温性能于一体, 为当代发展迅速的重要先进材料之一。金属基复合材料是以金属为基体, 以高强度的第二相为增强体而制

4、得的复合材料。金属基复合材料的研究始于20 世纪60 年代, 它的发展与现代科学技术和高技术产业的发展密切相关。伴随航空航天工业和宇宙空间技术及民用行业技术的进步,金属基复合材料获得惊人的发展。特别是航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展。如航天技术和先进武器系统的迅速发展, 对轻质高强结构材料的需求十分强烈; 又如大规模集成电路迅速发展的关键是需要热膨胀系数小、导热系数高的电子封装材料。虽然到目前为止，金属基复合材料应用尚不如高分子基复合材料普遍，但一般认为， 金属基复合材料是 21 世纪发展潜力最大的高性能结构材料之一。金属基复合材料的复合工艺和技术相对复杂和困难， 这是由于金属

5、熔点较高、对增强基体表面润湿性差等因素造成的，因此，有效而实用的金属基复合材料制备技术的研究和发展是决定此类复合材料能否广泛应用的关键问题。现今金属基复合材料的研究在美、日和欧洲已取得显著成果。我国虽然对金属基复合材料的研究起步较晚, 但由于其具有优异的力学性能和物理性能而受到高度重视, 已成为近年来高新技术中新材料研究和开发的重要领域, 并取得显著成就。1 金属基复合材料1.1 金属基复合材料的分类金属基复合材料可分为宏观组合型和微观强化型两大类。宏观组合型指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等);微观强化型指其组分需用显微镜才能分辨的以提高强度为主要目的的材料。根据

6、复合材料基体可划分为铝基、镁基、钢基、铁基及铝合金基复合材料等。按增强相形态的不同可划分为颗粒增强金属复合材料、晶须或短纤维增强金属基复合材料及连续纤维增强金属基复合材料。颗粒增强金属基复合材料是利用颗粒自身的强度,基体起着把颗粒组合在一起的作 (Vf)可达90%4。纤维增强金属基复合材料是利用无机纤维(或晶须)及金属细线等增强金属得到轻而强的材料,纤维直径从3m到150m(晶须直径小于1m),纵横比(长度/直径)在102以上。1.2 金属基复合材料的制备方法金属基复合材料的复合工艺相对比较复杂和困难。这是由于金属熔点较高,需要在高温下操作;同时不少金属对增强体表面润湿性很差,甚至不润湿,加上

7、金属在高温下很活泼,易与多种增强体发生反应。目前虽然已经研制出不少复合工艺,但各自存在一些问题。现在较普遍的制造方法可分为扩散粘结法、铸造法及叠层复合法。本文又可根据增强相的不同把制备方法分别分类。1.2.1金属基复合材料的制备方法根据制备过程中基体的温度可将制备工艺分为液相工艺、固相工艺和液-固两相工艺。针对不同工艺可以分出不同的制备方法。1.2.1.1 液态金属/陶瓷颗粒搅拌铸造法Surappa和Rohtgi3最早采用搅拌法制备PRMMCs,通过机械搅拌在熔体中产生涡流引入颗粒。还可采用其它方法引入颗粒,如离心铸造法、气流喷射分散法及零动力工艺等。LoydDJ3采用涡流法制备了SiCp/2

8、L108复合材料,其颗粒分布均匀。研究结果还显示了对SiC颗粒进行预处理有利于制备PRMMCs。搅拌工艺取得最重要的突破来自于Skibo和Schuster开发的Duralcan工艺。这种工艺使用普通的铝合金和未涂覆处理的陶瓷颗粒,采用搅拌法引入增强相,颗粒尺寸可小到10m增强相体积分数可达25%。Duralcan工艺在产业化进程中处于领先地位。另外,HydroAluminumAS公司和Comala公司可制备与Duralcan工艺相媲美的复合材料。尽管搅拌铸造法的开发取得了令人鼓舞的成果,但是一些问题仍然存在,有待进一步解决,包括搅拌过程的陶瓷颗粒偏聚、颗粒在液体中的分散和界面反应等。此外体积分

9、数还受到一定的限制。1.2.1.2熔体浸渗法熔体浸渗工艺包括压力浸渗和无压浸渗。当前是利用惰性气体和机械装置作为压力媒体将金属熔体浸渗进多气孔的陶瓷预制块中,可制备体积分数高达50%的复合材料,随后采用稀释的方法降低体积分数。这种方法被广泛采用,已用于制造Toyot发动机活塞(Al2O3/短纤维/Al合金)。东南大学的朱光明研制了Al2O3短纤维局部增强铝活塞,成果于1989年获得鉴定。最新的液相工艺是Primex无压浸渗工艺,在氮气气氛下不需施加任何压力,Al-Mg合金熔体就能良好的浸渗陶瓷粉末堆积体,可制备体积分数高达55%的复合材料,增强相可是SiC和Al2O3,颗粒尺寸可小至1m。液态

10、金属浸渗法是一种制备大体积分数复合材料的好方法,但是也存在缺点,如预制块的变形、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗大和界面反应等。1.2.1.3半固态复合铸造法半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。通常金属凝固时，初生晶以枝晶方式长大，固相率达0.2%左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌则使树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中， 这种颗粒状非枝晶的微组织在固相率0.5% 0.6%仍具有一定的流变性。液固相共存的半固态合金因具有流变性，可以进行流变铸造；半固态浆液同时具有触变性，可将流变铸锭重新加热到固、 液相变

11、点软化， 由于压铸时浇口处及型壁的剪切作用，可恢复流变性而充满铸型。强化颗粒或短纤维强化材料加入到受强烈搅拌的半固态合金中，由于半固态浆液球状碎晶粒对添加颗粒的分散和捕捉作用，既防止颗粒的凝聚和偏析，又使颗粒在浆液中均匀分布，改善了润湿性并促进界面的结合。1.2.1.4离心铸造法广泛应用于空心件铸造成形的离心铸造法，可以通过两次铸造成型法成形双金属层状复合材料，此方法简单， 具有成本低、铸件致密度高等优点，但是界面质量不易控制， 难以形成连续长尺寸的复合材料。1.2.1.5加压凝固铸造法该法是将金属液浇注铸型后，加压使金属液在压力下凝固。金属从液态到凝固均处于高压下，故能充分浸渗，补缩并防止产

12、生气孔，得到致密铸件。铸、锻相结合的方法又称挤压铸造、液态模锻、锻铸法等。此法最适合复杂的异型 MMCs。加压凝固铸造法可制备较复杂的 MMCs零件，亦可局部增强。由于复合材料易在熔融状态下压力复合， 故结合十分牢固，可获得力学性能很高的零件。这种高温下制成的复合坯，二次成型比较方便，可进行各种热处理，达到对材料的多种要求。1.2.1.6真空铸造法用此法是先将连续纤维缠绕在绕线机上，用聚甲丙烯酸等能分解的有机高分子化合物方法制成半固化带，把预成型体放入铸型中，加热到 500使有机高分子分解。铸型的一端浸入基体金属液，另一端抽真空，将金属液吸入型腔浸透纤维。1.2.1.7喷射成形法喷射成形又称喷

13、射沉积（ Spray Forming），是用惰性气体将金属雾化成微小的液滴，并使之向一定方向喷射，在喷射途中与另一路由惰性气体送出的增强微细颗粒会合，共同喷射沉积在有水冷衬底的平台上， 凝固成复合材料。凝固的过程比较复杂，与金属的雾化情况、 沉积凝固条件或增强体的送入角有关，过早凝固不能复合，过迟的凝固则使增强体发生上浮下沉而分布不匀，这种方法的优点是工艺快速，金属大范围偏析和晶粒粗化可以得到抑制，避免复合材料发生界面反应，增强体分布均匀。缺点是出现原材料被气流带走和沉积在效应器壁上等现象而损失较大，还有复合材料气孔率以及容易出现的疏松。利用喷射成形原理制备工艺有添加法（ inert spra

14、y form-ing） 和反应法（ reactive spray forming）两种。Osprey Metals研究的 Osprey工艺是喷射成形法的代表， 其强化颗粒与熔融金属接触时间短，界面反应得以有效抑制。反应喷射沉积法是使强化陶瓷颗粒在金属雾或基体中自动生成的方法。Lawly等人采用含氧 5% 12%的氮气，将 Fe- Al （Al）=2% 熔雾合金雾化，使其生成 Al2O3获得非常细小的Al2O3 弥散强化铁基复合材料的预成形体。1.2.1.8叠层复合法叠层复合法是先将不同金属板用扩散结合方法复合，然后采用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基

15、复合材料。这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。目前这种材料的应用尚不广泛，过去主要少量应用或试用于航空、 航天及其它军用设备上， 现在正努力向民用方向转移， 特别是在汽车工业上有很好的发展前景。1.2.1.9原位生成复合法原位生成复合法也称反应合成技术，最早出现于1967年前用 SHS法合成 TiB2 /Cu功能梯度材料的研究中。金属基复合材料的反应合成法是指借助化学反应，在一定条件下在基体金属内原位生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。这种增强相一般为具有高硬度、高弹性模量和高温强度的陶瓷颗粒，即氧化物、碳化物、氯化物、硼化物、甚至硅化物，它们往往与传统的金属材料，如Al、

16、 Mg、 Ti、 Fe、 Cu等金属及其合金， 或 （ NiTi） 、（ AlTi） 等金属间化合物复合，从而得到具有优良性能的结构材料或功能材料。金属基复合材料的原位复合工艺基本上能克服其它工艺中常出现的一系列问题， 如基体与增强体浸润不良、界面反应产生脆性、增强体分布不均匀、对微小的（ 亚微米和纳米级）增强体极难进行复合等。它作为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视，其中包括直接氧化法、自蔓延法和原位共晶生长法等。1.2.1.10直接氧化 （ DIMON） 法直接氧化法是由氧化性气体在一定工艺条件下使金属合金液直接氧化形成复合材料。通常直接氧化法的温度比较高，添加适量的合金元素如 M

17、g、Si 等，可使反应速度加快。这类复合材料的强度、韧性取决于形成粒子的状态和最终显微组织形态。由于形成的增强体可以通过合金化及其反应热力学进行判断，因此可以通过合金化、炉内气氛的控制来制得不同类型增强体的复合材料。1.2.1.11放热弥散 （ XD） 法放热弥散复合技术（ Exothermic Dispersion）的基本原理是将增强相反应物料与金属基粉末按一定的比例均匀混合，冷压或热压成型，制成坯块，以一定的加热速率加热，在一定的温度下（ 通常是高于基体的熔点而低于增强相的熔点）保温，使增强相各组分之间进行放热化学反应，生成增强相。增强相尺寸细小，呈弥散分布。XD技术具有很多优点：可合成的

18、增强相种类多，包括硼化物、碳化物、硅化物等；增强相粒子的体积百分比可以通过控制增强相组分物料的比例和含量加以控制；增强相粒子的大小可以通过调节加热温度加以控制；可以制备各种 MMC；由于反应是在融熔状态下进行，可以进一步近终形成型。XD技术是合成颗粒增强金属基及金属间化合物基复合材料的最有效的工艺之一。但用 XD工艺制成的产品存在着较大孔隙度的问题，目前一般采用在反应过程中直接压实来提高致密度。1.2.1.11反应喷射沉积技术 （ RSD）反应喷射沉积工艺（ Reactive Spray Deposition）生成陶瓷颗粒的反应有气-液反应、液-液反应、固-液反应和加盐反应等多种类型。它综合了

19、快速凝固及粉末冶金的优点，并克服了喷射共沉积工艺中存在的如颗粒与基体接近机械结合、增强相体积分数不能太高等缺点，成为目前金属基复合材料研究的重要方向之一。反应喷射沉积工艺过程为：金属液被雾化前喷入高活性的固体颗粒发生液固反应，导致喷入的颗粒在雾化过程中溶解并与基体中的一种或多种元素反应形成稳定的弥散相，控制喷雾的冷却速率以及随后坯件的冷却速率可以控制弥散相的尺寸。杨滨等人采用液相接触反应合成技术进行反应合成，然后再进行后续的雾化喷射沉积成形步骤， 成功地开发出了一种熔铸-原位反应喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备新技术。制备出TiC/Al- 20Si- 5Fe复合材料。近年来，原位反应雾化

20、喷射沉积成形技术得到工业发达国家的关注。但由于相关的基础性研究工作滞后，工艺上难以获得增强相均匀分布和显微组织一致的沉积坯件，致使原位反应雾化喷射沉积成形技术的实际应用受到限制。这是因为喷射成形过程是一个复杂的工艺过程，众多的工艺参数都影响着沉积坯的组织和性能，现有的理论模型并不能精确地控制喷射沉积过程，因此要大力加强对这一技术的基础和模型化研究，预测和掌握各种工艺参数对喷射沉积凝固过程的影响规律，为工艺过程的优化控制提供可靠的理论依据。1.3金属基复合材料的性能特点金属基复合材料的性能取决于所选金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布等。通过优化组合可以获得既具有金属特性, 又具有高比强度、

21、高比模量、耐热、耐磨等综合性能的复合材料。金属基复合材料有以下性能特点:1.3.1高比强度和高比模量在金属基体中加入适量高比强度、高比模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强物, 能明显提高复合材料的比强度和比模量。密度只有1.85g/cm3的碳纤维的最高强度可达到7 000MPa,比铝合金强度高出10 倍以上,石墨纤维的最高模量可达91GPa。加入质量分数为30%50%高性能纤维作为复合材料的主要承载体, 复合材料的比强度、比模量成倍地高于基体合金或金属的比强度和比模量。1.3.2导热和导电性能金属基复合材料中金属基体一般占有 60%以上的体积分数, 因此仍保持金属所具有的良好导热和导电性。金属

22、基复合材料采用高导热性的增强物可以进一步提高导热性能, 使热导率比纯金属基体还高。良好的导热性可有效地传热散热, 减少构件受热后产生的温度梯度。现已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强铝基和铜基复合材料的导热率比纯铝和钢还高, 用它们制成的集成电路底板和封装件可有效迅速地把热量散去, 提高集成电路的可靠性。良好的导电性可以防止飞行器构件产生静电聚集。1.3.3热膨胀系数小, 尺寸稳定性好金属基复合材料中所用的增强物碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等既具有很小的热膨胀系数, 又具有很高的模量。加入相当含量的增强物不仅可以大幅度地提高材料的强度和模量, 也可以使其热膨胀系数

23、明显下降, 并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数, 以满足各种工况要求。1.3.4良好的高温性能金属基复合材料具有比金属基体更好的高温性能, 特别是连续纤维增强金属。在复合材料中纤维起着主要承载作用, 纤维强度在高温下基本不降, 纤维增强金属的高温性能可保持到接近金属熔点。金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上, 可大幅度地提高发动机的性能和效率。1.3.5耐磨性好金属基复合材料,尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。在基体金属中加入了大量硬度高、耐磨、化学性能稳定的陶瓷增强物, 特别是细小的陶瓷颗粒,不仅提高了材料的强度和刚度, 也提高了复合材料的硬度和耐

24、磨性。高耐磨的SiC/ Al 复合材料用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件, 明显地提高零件的性能和寿命。1.3.6良好的疲劳性能和断裂韧性 金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等增强物与金属基体的界面结合状态、增强物在金属基体中的分布、金属和增强物本身的特性等, 特别是界面状态, 最佳的界面结合状态既可有效地传递载荷, 又能阻止裂纹的扩展, 提高材料的断裂韧性。1.3.7不吸潮、不老化、气密性好 金属基复合材料性质稳定, 组织致密, 不存在老化、分解、吸潮等问题, 也不会发生性能的自然退化。 2金属基复合材料的发展现状金属基复合材料基本上可以分为连续增强体、非连续增强体(包括颗粒、

25、 短纤维和晶须) 和叠层复合三类。所用的基体金属包括Al、Mg、T i、Zn 等轻金属及其合金、高温合金以及金属间化合物等。连续增强体主要有碳及石墨纤维、 碳化硅纤维(包括钨芯及碳芯化学气相沉积丝) 和先驱体热解纤维、硼纤维( 钨芯)、氧化铝纤维、不锈钢丝和钨丝等; 非连续增强体中短纤维常用氧化铝( 含莫来石和硅酸铝)纤维, 颗粒则有碳化硅、氧化铝、氧化锆、硼化钛、碳化钛和碳化硼等, 而晶须类主要为碳化硅、氧化铝以及最近开发的硼酸铝、钛酸钾等。用以上的各种基体和增强体虽可组成大量金属基复合材料的品种, 但实际上只有极少数有应用前景, 多数仍处在研究开发阶段, 甚至也有不少品种目前尚看不到应用前

26、景。在金属基复合材料的研究和制造中, 为了使增强相与基体牢固结合, 组织致密及均匀, 性能达到使用要求, 目前主要要解决以下三大技术问题。但迄今仍因存在成本高的问题而未能大幅度发展。由于防止环境污染的问题越来越被人们重视,许多国家正不断提高尾气排放的指标,为了使燃烧完全,势必要提高活塞顶的承受温度,这无疑给MMCs活塞提供了发挥优势的机会。其他部件仍在研究之中,目前尚无明显突破的迹象。另据文献报道,德国已用碳化硅颗粒增强铝作为高速列车的刹车部件,使用效果很好,且明显降低了车厢的重量。我国也正在将这种MMCs用于摩托车刹车箍上,取得了缩短刹车距离和减轻重量的效果,受雨淋后也不会像原用铸铁刹车箍那

27、样会因生锈而降低刹车效率。此外,值得一提的还有镁基复合材料。镁是能制作成材料而密度最低的金属,过去因为镁在铸造时易燃,加工性差,力学性能也不理想,所以一直只作为合金来使用,应用量也不大。但研究表明,如果制成镁基复合材料,将能明显改善其力学性能,因而就不难找到合适的应用场合。我国是镁储量很大的国家,所以这项工艺颇有开发研究的价值。总的看来,MMCs目前尚未在工业应用领域中充分显现它自身的价值,但可以相信,随着工艺技术的提高而不断降低成本,MMCs将会凭借其特点进入能发挥其优势的市场。1.1增强相分布状态的控制在连续纤维增强时, 纤维有定向排列和多向排列之分; 在短纤维和晶须增强时, 有定向排列和

28、随机排列之分。只有控制好纤维的分布, 才能达到预期的性能。当要求纤维定向排列或多向排列时, 往往要先制成预制带、预浸线、预成形体或由预制带叠层、预浸线缠绕成预成形体, 再与金属复合制成复合材料。用液相法制造颗粒、短纤维或晶须随机分布的复合材料时, 往往会因增强相与基体比重不同而产生凝聚、上浮或下沉, 难以均匀分布, 这就要在处理方法上下功夫,如采用粉料供应器均匀加入增强相材料, 或采用超声波、机械搅拌或半固态铸造法等。1.2润湿性采用液相浸渗法制取复合材料时, 必须使被复合的材料间有良好的润湿性, 其方法有: 1 提高制造温度; 2 往基体金属中加合金元素; 3 对增强材料进行表面处理; !提

29、高液相压力。1.3相容性相容性指在制造和使用复合材料过程中, 各组分间的相互配合性, 它关系到高温下增强相与基体是否反应而被消耗及能否保持原来强度的问题。其包括物理相容(指压力或热变化时,材料性能与材料常数间的关系)和化学相容(指各组分间的结合、 化学反应等) 两部分。物理相容中的力学相容主要指基体应有足够的韧性与强度,能有效地将外部载荷传递到增强纤维上。 物理相容中另一个重要问题是热相容, 即两组分在热膨胀时应配合良好。 这关系到制造时的结合及应力状况、使用中的应力和界面剥离等问题。化学相容较复杂, 它涉及金属基体与增强相的反应问题。如铝与碳可反应生成Al 4C3, 在制造碳纤维增强铝合金时

30、, 须设法防止反应而消耗碳纤维。改善化学相容性的方法是对纤维进行表面涂层, 如碳纤维涂上TiC 层, 不但可防止碳与铝反应, 而且改善了碳与铝液的润湿性。3金属基复合材料的未来趋势1.1趋势金属基复合材料要在未来取得进一步的发展 ,并列人规模生产品种的行列,还有一段艰难的路程 ,但是,由于它性能优势的存在,是有明确发展前景的 ,这就需要广大材料研究工作者行深人细致的基础研究 ,探索新的工艺方法并开拓新的有针对性的应用范围在界面研究方面,应致力于发展更有力的分析手段 ,在对界面结构认识清楚的基础上进行界面优化设计 ,克服金属基复合材料突出的界面问题 ,并力求研究结果有助于改善生产应用问题,其他基

31、础性问题如凝固过程的研究等也应围绕生产实际过程 ,提出有效的措施 ,这样才真正起到促进金属基复合材料的迅速发展的作用就当前的实际情况来看 ,颗粒和短纤维增强的复合材料是有生命力的,并 已在汽车工业等方面初步获得应用 但是其制备科学 仁尚留下大量问题有待解决 例如熔体浸润过程中的流变学问题 ,铸造过程中气体吸附、脱附过程 ,增强体均匀分布与温度场、应力场、塑性流动场以及两相体积分数的关系,二次加工和超塑性加工过程中增强体与基体之间的相互作用行为 ,以及微结构的变化等都是需要研究的问题此外需要指出的是 ,原位复合是有发展有前途的 ,但是 ,目前在原位反应时,除了所预计生成的增强体外 ,仍不免其他副

32、反应夹杂物存在 ,同时对增强体的体积分数也难以精确控制,因而影响材料质量稳定性 这些都是急待解决的问题相信经过艰苦的努力 ,在不远的将来,金属基复合材料作为复合材料的一个分支,会有举足轻重的地位 ,并在众多材料行列中占有一席之地1959年美国空军研究所开发成功在极细钨丝(13协m)芯线_七通过BC13与H:还原反应而形成硼覆层的纤维，它是一种强度较高而且很轻的连续硼纤维。1960年初首次用这种纤维与铝合金基体复合，从而开发成功金属基复合材料，简称B/Al。此后，相继开发成功碳纤维、碳化硅纤维，并同铝和钦合金制成了复合材料，金属基复合材(MMC)在70到80年代取得了显著进步，又开发成功以晶须和

33、颗粒作为增强剂的MMC。MMC制造工艺，传统的有压铸法、热压法以及粉末法等，但都存在着严重缺点。因此，近年开发成功一系列的新工艺，其中最典型的有下列几种:(1)无压渗透法，传统的压铸法最终必须施加4898MPa的高压，以致难以制作大尺寸复合材料。新的无压渗透法是利用熔融金属对增强剂的良好润湿性，以及利用罗仑兹力，使金属熔液浸渗入纤维成形体中。例如对金属熔体加高频电磁脉冲，通过在金属熔体中产生的涡电流与磁场的相互作用而使金属熔体以高速渗入纤维之中。此法也适用于制作大型制。(2)反应压铸法:有效地利用了纤维成形体与金属熔体之间的反应。首先在陶瓷纤维成形体中均匀地分散氧化物(与金属熔体反应的产物)或

34、金属颗粒。通过放热反应生成的l:03或金属间化物，能提高基烤的高温强度、耐磨性和抗粘着性。(3)雾化共堆积法:在基体金属雾化喷射时在半凝固状态雾化颗粒中射入增强剂颗粒，由于喷射增强荆用的气体和水冷底板而使复合颖粒急冷凝固并受到冲击，从而形成密度较高的MMC。(4)半熔融触融压铸法:此法特别适用于轻金属MMC的制造。熔融镁在空气中发生激的氧化反应，但与铁几乎不起反应，所以使用密闭金属模浇铸能够将熔融镁与空气隔离，从而开发成功由半熔态注入密闭模中的镁基MMC制造工艺，是生产率、造型性、安全性、环保性等方面都很优越的MMC生产技术，很有前途。(5)金属直接氧化法(MIMOX法);利用雾化气体与熔融金

35、属之间反应生成物制作复合材料的方法。首先把陶瓷纤维与颗拉制成预成形体，在浸渗例如铝熔体时由于Al氧化生成Al:03，故可制得陶瓷基复合材料。在制造Al:O:/Al系复合材料时，为促进反应可在铝熔体中添加适量的Mg和Al。(6)XD法:通过自蔓延反应合成制作复合材料的方法，把钦、镍、铝、硼等基体材料与增强剂混合后，通过加热反应而析出翻化物、碳化物、氮化物等微细颗粒从而制得金属基或金属间化合物基复合材料。可以任意选择原料和增强剂。例如用此法制得的Ti一45%Al+7.svol%TIB:复合材料，在800高温下a、高达710MPa，是颇有前途的高温材料。MMC长纤维强化系在以宇航机器为主、医疗器械、

36、文体用品等方面已实用。21世纪将用于宇宙往返机上。短纤维强化系比较经济，有可能成为汽车、传动系统、办公机器、家电、产业机械等方面的重要材料。今后在耐高温纤维和耐热基体的开发上，将成为研究的重点。作为基体材料有各种钦合金，金属间化合物分散基铝合金、Fe一Al、Ti一Al、Ni一Al、M。一Si、Nb一Al等金属间化合物。这些材料尚须进一步进行有关耐热性的评价，有关界面控制技术，尚须进行深入研究。1.2金属基复合材料研究方向(1)加强对制备工艺的研究。简化制备工艺,降低制备成本,始终是研究热点之一。(2)加强对强化机制的研究。目前金属基复合材料的强化机制研究还不是很成熟,各家学者各有所见10,很难

37、达成共识。应加强对强化机制的研究,探讨复合材料的凝固过程,研究增强相与基体的微观作用机理,进一步推动金属基复合材料的发展。(3)加强对增强相润湿性的研究。润湿性问题一直困扰研究金属基复合材料的学者,给实际制备复合材料带来很大的困难。目前,有些学者研究了铝基复合材料的润湿性,并取得了一定的进展但对钢基复合材料的研究却很少,国内目前尚未见报道。如果想制备优良的钢基复合材料,润湿性问题尤显重要。(4)提高基体性能,进而提高复合材料的性能目前多数学者研究的重点侧重于增强体与基体的结合界面及增强体在基体中的分布1112,却忽略了基体自身的性能。基体本身的性能对复合材料的影响也至关重要,性能优越的复合材料

38、同样要求有性能优越的基体,因此应加大对基体和增强体性能同步提高的研究。1.3金属基复合材料的再生与回收由于地球的环境问题日趋严重,各种材料必须考虑它的再生与回收。当然,MMCs目前的用量不大,问题还不突出,但从长远看,这个问题是不能回避的。目前,原则上说除连续纤维增强的MMCs外,其他非连续增强的MMCs均可以采用重熔再铸造的方法来再生。然而,不少MMCs在高温重熔的过程中会发生界面反应而生成界面产物,以致严重影响重熔再生的材料性能,甚至自行碎裂。例如,碳化硅颗粒增强纯铝复。但是，不同种类的金属基复合材料具有不同的结构特点因此应该单独考虑其再生特点。由于长纤维增强金属基复合材料自身结构的特点，

39、基本上不考虑其再生和回收问题。对于短纤维和晶须增强的金属基复合材料，通过炼制的方法可以部分回收，炼渣可以作为填料使用。颗粒增强金属基复合材料作为一种新兴材料已脱颖而出.成为目前金属基复合材料研究发展的主要研究方向之一，在其大规模的实用过程中，降低其成本也是影响其实用规模化的一个重要因素，因此，金属基复合材料的再生主要集中在颗粒增强金属基复合材料(PRMMCs)_上。1.3.1金属基复合材料再生工艺研究颗粒增强Al基复合材料的制备方法中较为成熟的主要有四种:粉末冶金法、搅拌铸造法、挤压铸造法和喷射共沉积法。而再生的工艺方法，主要采用重熔后重新复合的方法，控制重熔时的温度、保温时问等工艺参数，以及

40、采取有效的措施控制颗粒与基体的界面反应和凝固过程.同时采用二次加工和热处理的方法，使其性能不降低，从而达到PMMC，的再生利用。1.3MMcs重熔再生过程中的界面反应特征在非连续增强金属基复合材料中，增强体颗粒与基体间的作用行为极为复杂，这均与界面反应的程度密切相关，特别是在金属基复合材料的重熔再生过程中，由于颗粒与熔体长时间的高温接触.界面反应便会变得更加复杂。结论综上所述, 金属基复合材料目前还存在许多的问题, 有的研究比较成熟, 已经应用到生产实践中, 而还有许多处于实验室开发阶段。 随着科学技术的进步,将会使金属基复合材料的特性进一步提高。在21 世纪, 金属基复合材料将大量取代传统材

41、料, 在各个领域发挥积极的重要的作用。镁合金在其它领域的应用也非常广泛, 如用作链锯、民用工具、旋转式割草机面板、钓鱼卷线盘、器具盒、便携工具、手电钻、研磨机、真空吸尘器、剪草机、家用搅拌器、地板上光清洗机、压测试仪、电影放映机、照相机、雷达显示器、卡式录音机、运动器材、计算器、邮资显示表、微型马达、木工和瓦工用水平尺、缝纫机、太阳能电池、雪地汽车和行李箱等等镁还可用作贮氢材料。 Oeleirich W 等研究了这种轻质材料, 他们用高能球磨机得到纳米级粉状物, 详细讨论了纳米级镁及镁合金的吸附性质, 并且研究了催化剂对性能的影响。目前， 我国金属基复合材料的研究、 制备技术与国外先进水平仍有

42、较大的差距， 许多问题还有待进一步解决，如基础性研究落后、制备技术及工艺的工业化应用能力差、 制品质量不稳定、价格高等。随着 21世纪高科技的迅猛发展，金属基复合材料将大量取代传统材料，在各个领域发挥更重要的积极作用。 为此，我们应大力加强复合材应用的进程。致谢感谢我的老师陈艳老师，谢谢她对我的悉心指导。她无私的关爱和严谨的治学态度，将激励我不断的进取，走好以后的道路。其次，还要感谢在这一年半中的学习中教过我的所有老师们，谢谢他们传授给了我知识，在写作的过程中给我提供了一些宝贵的资料和建议，在此一并感谢！参 考 文 献1 陆文华铸造合金及熔炼M李隆盛北京：机械工业出版社，19962 李隆盛.

43、铸造合金及熔炼M . 北京: 机械工业出版社,1989.3 申泽骥, 李保东. 铸造镁合金熔炼技术进展 J .特种铸造及有色合金, 2001(压铸增刊) : 90- 93.4 曲卫涛,李华伦, 胡锐. 我国镁合金铸造的发展概况 J .特种铸造及有色合金, 2001(压铸增刊) : 64-86.5 陆树荪, 顾开道, 郑来苏. 有色铸造合金及熔炼M . 北京: 国防工业出版社, 1983.6 赵浩峰, 刘红梅, 李香萍. 镁冶金的理论基础及应用 M .北京 中国科学技术出版社, 2002.7 刘庆琚, 刘勇兵, 杨晓红.镁合金的研究及其在汽车工业中的应用与展望 J .汽车工程, 2002( 2)

44、 : 94- 100.8 曾小勤, 瞿春泉, 朱萍,等. 镁合金锭品质控制 J . 特种铸造及有色合金, 2000(增 1) :22- 23.9 刘正, 王中光, 王越,等.压铸镁合金在汽车工业中的应用和发展趋势 J .特种铸造及有色合金, 1999( 5) : 55-58.10 王维新,王剑, 赵志忠. 复合材料及其发展现状 J . 辽宁工学院学报, 1996, 16( 3) : 24- 28.11 吴人洁.复合材料M . 天津天津大学出版社, 2000.12 王荣国,武卫莉, 谷万里.复合材料概论 M .哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 1999.13 锦吴波.铸造复合材料研究进展 J .铸造, 1991( 6) : 1- 5.14 韩富银. 团球硅相增强 ZA27 基复合材料的组织及性能 D . 太原:太原理工大学, 2000.15 吴人洁. 金属基复合材料的现状与展望 J . 金属学报,1997, 33( 1) : 78- 82.16 于春田. 金属基复合材料的发展及展望 J . 铸造, 1994( 11) : 36-39附录A 部分制造工艺图1液态压铸法2半固态复合铸造（Semisolid Slurry Casting） 共 16 页 第 16 页