【正文】 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 引 言 復合材料 ( Composite Materials) 是為達到預期的使用特性將不同性質(zhì)的兩種或兩種以上材料結(jié)合為一體而設(shè)計制造的新材料。 金屬基復合材料 ( MMCs 即 Metal matrix posites) 集高比模量、高比強度、良好的導熱導電性、可控的熱膨脹系數(shù)以及良好的高溫性能于一體 , 為當代發(fā)展迅速的重要先進材料之一。金屬基復合材料是以金屬為基體 , 以高強度的第二相為增強體而制得的復合材料。金屬基復合材料的研究始于 20 世紀 60 年代 , 它的發(fā)展與現(xiàn)代科學技術(shù)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān) 。伴隨航空航天工業(yè)和宇宙空間技術(shù)及民用行業(yè)技術(shù)的進步 ,金屬基復合材料獲得驚人的發(fā)展。 特別是航天、航空、電子、汽車以及先進武器系統(tǒng)的迅速發(fā)展。如航 天技術(shù)和先進武器系統(tǒng)的迅速發(fā)展 , 對輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)材料的需求十分強烈 。 又如大規(guī)模集成電路迅速發(fā)展的關(guān)鍵是需要熱膨脹系數(shù)小、導熱系數(shù)高的電子封裝材料。 雖然到目前為止，金屬基復合材料應(yīng)用尚不如高分子基復合材料普遍，但一般認為， 金屬基復合材料是 21 世紀發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮母咝阅芙Y(jié)構(gòu)材料之一。金屬基復合材料的復合工藝和技術(shù)相對復雜和困難， 這是由于金屬熔點較高、對增強基體表面潤濕性差等因素造成的，因此，有效而實用的金屬基復合材料制備技術(shù)的研究和發(fā)展是決定此類復合材料能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。 現(xiàn)今 金屬基復合材料的研 究在美、日和歐洲已取得顯著成果。我國雖然對金屬基復合材料的研究起步較晚 , 但由于其具有優(yōu)異的力學性能和物理性能而受到高度重視 , 已成為近年來高新技術(shù)中新材料研究和開發(fā)的重要領(lǐng)域 , 并取得顯著成就。 安徽工業(yè)大學 畢業(yè)設(shè)計（論文）報 告紙 共 16 頁 第 2 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 1 金屬基復合材料 金屬基復合材料的分類 金屬基復合材料可分為宏觀組合型和微觀強化型兩大類。宏觀組合型指其組分能用肉眼識別和具備兩組分性能的材料 (如雙金屬、包履板等 )。微觀強化型指其組分需用顯微鏡才能分辨的以提高強度為主要目的的材料。根據(jù)復合材料基體可劃分為鋁基、鎂基、鋼基、鐵基及鋁合金基復合材料等。按增強相 形態(tài)的不同可劃分為顆粒增強金屬復合材料、晶須或短纖維增強金屬基復合材料及連續(xù)纖維增強金屬基復合材料。顆粒增強金屬基復合材料是利用 顆粒自身的強度 ,基體起著把顆粒組合在一起的作 (Vf)可達 90%[4]。纖維增強金屬基復合材料是利用無機纖維 (或晶須 )及金屬細線等增強金屬得到輕而強的材料 ,纖維直徑從 3μ m到 150μ m(晶須直徑小于 1μ m),縱橫比 (長度 /直徑 )在 102以上。 金屬基復合材料的制備方法 金屬基復合材料的復合工藝相對比較復雜和困難。這是由于金屬熔點較高 ,需要在高溫下操作 。同時不少金屬對增強體表面潤濕 性很差 ,甚至不潤濕 ,加上金屬在高溫下很活潑 ,易與多種增強體發(fā)生反應(yīng)。目前雖然已經(jīng)研制出不少復合工藝 ,但各自存在一些問題。現(xiàn)在較普遍的制造方法可分為擴散粘結(jié)法、鑄造法及疊層復合法。本文又可根據(jù)增強相的不同把制備方法分別分類。 1.. 金屬基復合材料的制備方法 根據(jù)制備過程中基體的溫度可將制備工藝分為液相工藝、固相工藝和液 固兩相工藝。針對不同工藝可以分出不同的制備方法。 液態(tài)金屬 /陶瓷顆粒攪拌鑄造法 Surappa 和 Rohtgi[3]最早采用攪拌法制備 PRMMCs,通過機械攪拌在熔體中產(chǎn)生渦流引入顆粒。還 可采用其它方法引入顆粒 ,如離心鑄造法、氣流噴射分散法及零動力工藝等。 LoydDJ[3]采用渦流法制備了 SiCp/2L108復合材料 ,其顆粒分布均勻。研究結(jié)果還顯示了對 SiC顆粒進行預處理有利于制備 PRMMCs。攪拌工藝取得最重要的突破來自于 Skibo 和 Schuster開發(fā)的 Duralcan 工藝。這種工藝使用普通的鋁合金和未涂覆處理的陶瓷顆粒 ,采用攪拌法引入增強相 ,顆粒尺寸可小到 10μ m增強相體積分數(shù)可達 25%。Duralcan工藝在產(chǎn)業(yè)化進程中處于領(lǐng)先地位。另外 ,HydroAluminumAS公司和 Comala公司可制備與 Duralcan工藝相媲美的復合材料。盡管攪拌鑄造法的開發(fā)取得了令人鼓舞 安徽工業(yè)大學 畢業(yè)設(shè)計（論文）報 告紙 共 16 頁 第 3 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 的成果 ,但是一些問題仍然存在 ,有待進一步解決 ,包括攪拌過程的陶瓷顆粒偏聚、顆粒在液體中的分散和界面反應(yīng)等。此外體積分數(shù)還受到一定的限制 。 熔體浸滲工藝包括壓力浸滲和無壓浸滲。當前是利用惰性氣體和機械裝置作為壓力媒體將金屬熔體浸滲進多氣孔的陶瓷預制塊中 ,可制備體積分數(shù)高達 50%的復合材料 ,隨后采用稀釋的方法降低體積分數(shù)。這種方法被廣泛采用 ,已用于制造 Toyot 發(fā)動機活塞(Al2O3/短纖維 /Al合 金 )。東南大學的朱光明研制了 Al2O3短纖維局部增強鋁活塞 ,成果于 1989年獲得鑒定。最新的液相工藝是 Primex 無壓浸滲工藝 ,在氮氣氣氛下不需施加任何壓力 ,AlMg合金熔體就能良好的浸滲陶瓷粉末堆積體 ,可制備體積分數(shù)高達 55%的復合材料 ,增強相可是 SiC和 Al2O3,顆粒尺寸可小至 1μ m。液態(tài)金屬浸滲法是一種制備大體積分數(shù)復合材料的好方法 ,但是也存在缺點 ,如預制塊的變形、微觀結(jié)構(gòu)不均勻、晶粒尺寸粗大和界面反應(yīng)等。 半固態(tài)復合鑄造法是從半固態(tài)鑄造法發(fā)展而來的。通常金屬凝固時 ，初生晶以枝晶方式長大，固相率達 %左右時枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動性。如果在液態(tài)金屬從液相到固相冷卻過程中進行強烈攪拌則使樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而保留分散的顆粒狀組織形態(tài)，懸浮于剩余液相中， 這種顆粒狀非枝晶的微組織在固相率 %～ %仍具有一定的流變性。液固相共存的半固態(tài)合金因具有流變性，可以進行流變鑄造；半固態(tài)漿液同時具有觸變性，可將流變鑄錠重新加熱到固、 液相變點軟化， 由于壓鑄時澆口處及型壁的剪切作用，可恢復流變性而充滿鑄型。強化顆?；蚨汤w維強化材料加入到受強烈攪拌的半固態(tài)合金 中，由于半固態(tài)漿液球狀碎晶粒對添加顆粒的分散和捕捉作用，既防止顆粒的凝聚和偏析，又使顆粒在漿液中均勻分布，改善了潤濕性并促進界面的結(jié)合。 法 廣泛應(yīng)用于空心件鑄造成形的離心鑄造法，可以通過兩次鑄造成型法成形雙金屬層狀復合材料，此方法簡單， 具有成本低、鑄件致密度高等優(yōu)點，但是界面質(zhì)量不易控制， 難以形成連續(xù)長尺寸的復合材料。 加壓凝固鑄造法 該法是將金屬液澆注鑄型后，加壓使金屬液在壓力下凝固。金屬從液態(tài)到凝固均處于高壓下，故能充分浸滲，補縮并防止產(chǎn)生氣孔，得到致密鑄件。鑄 、鍛相結(jié)合的方法又稱擠壓鑄造、液態(tài)模鍛、鍛鑄法等。此法最適合復雜的異型 MMCs。加壓凝固鑄造法 安徽工業(yè)大學 畢業(yè)設(shè)計（論文）報 告紙 共 16 頁 第 4 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 可制備較復雜的 MMCs 零件，亦可局部增強。由于復合材料易在熔融狀態(tài)下壓力復合， 故結(jié)合十分牢固，可獲得力學性能很高的零件。這種高溫下制成的復合坯，二次成型比較方便，可進行各種熱處理，達到對材料的多種要求 。 真空鑄造法 用此法是先將連續(xù)纖維纏繞在繞線機上，用聚甲丙烯酸等能分解的有機高分子化合物方法制成半固化帶，把預成型體放入鑄型中，加熱到 500℃使有機高分子分解。鑄型的一端浸入基體金屬液，另一端抽 真空，將金屬液吸入型腔浸透纖維。 噴射成形法 噴射成形又稱噴射沉積（ Spray Forming），是用惰性氣體將金屬霧化成微小的液滴，并使之向一定方向噴射，在噴射途中與另一路由惰性氣體送出的增強微細顆粒會合，共同噴射沉積在有水冷襯底的平臺上， 凝固成復合材料。凝固的過程比較復雜，與金屬的霧化情況、 沉積凝固條件或增強體的送入角有關(guān)，過早凝固不能復合，過遲的凝固則使增強體發(fā)生上浮下沉而分布不勻，這種方法的優(yōu)點是工藝快速，金屬大范圍偏析和晶粒粗化可以得到抑制，避免復合材料發(fā)生界面反應(yīng)，增強體分布 均勻。缺點是出現(xiàn)原材料被氣流帶走和沉積在效應(yīng)器壁上等現(xiàn)象而損失較大，還有復合材料氣孔率以及容易出現(xiàn)的疏松。利用噴射成形原理制備工藝有添加法（ inert spray forming） 和反應(yīng)法（ reactive spray forming）兩種。 Osprey Metals 研究的 Osprey 工藝是噴射成形法的代表， 其強化顆粒與熔融金屬接觸時間短，界面反應(yīng)得以有效抑制。反應(yīng)噴射沉積法是使強化陶瓷顆粒在金屬霧或基體中自動生成的方法。 Law