金屬基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展(已修改)
2025-01-28 10:25 本頁面
【正文】 金屬基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展 材料學(xué)院 耿浩然 復(fù)合材料一詞出現(xiàn)在 20世紀(jì) 50年代 。Richardson 在所著的 《 polymer Engineering posites》 書中定義：復(fù)合材料是不同的材料結(jié)合在一起 、 形成一種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的材料 。 這種材料的組成成分應(yīng)保持同一性 ， 在性能上必須有重要的改進或不同于原組成成分的性質(zhì) 。 中國復(fù)合材料學(xué)科的開拓者胡振渭教授曾對復(fù)合材料做過較為簡明的定義： “ 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同形態(tài)的原材料 ， 通過復(fù)合工藝組合而成的材料 ， 它既保持了原組分材料的主要特點 ， 又具備了原組分材料所沒有的新性能的一種多相材料 ” 。 基本概念 上述所列的學(xué)者對復(fù)合材料的定義 ， 盡管從材料的組成與性質(zhì)上進行了較為科學(xué)和全面的描述 ， 但都忽略了作為復(fù)合材料的重要特點 —— 可設(shè)計性 。 師昌緒院士主編的 《 材料大辭典 》 對復(fù)合材料給出了較全面完整的定義： “ 復(fù)合材料是由有機高分子 、 無機非金屬和金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料 ， 它既能保留原組分材料的主要特色 ， 又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能 。 可以通過材料設(shè)計使各組分的性能互相補充并彼此關(guān)聯(lián) ， 從而獲得新的優(yōu)越性能 ， 與一般材料的混合有本質(zhì)的區(qū)別 ” 。 近代復(fù)合材料的發(fā)展從基體上來看 ， 首先發(fā)展的是軟基體 ， 然后逐漸發(fā)展較硬和硬的基體 ，即從樹脂到金屬到陶瓷基體 。 現(xiàn)代復(fù)合材料形成了樹脂基復(fù)合材料 、 金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料三大類 。 金屬基復(fù)合材料 （ 簡稱 MMC） 的性能既優(yōu)于金屬材料 ， 也優(yōu)于樹脂基復(fù)合材料 。 它既有金屬的性能 ， 也有樹脂基無法達(dá)到的使用溫度高 、 剪切強度高 、 阻燃 、 不老化 、 不吸潮 、 不放氣 、 耐磨損 、 導(dǎo)電 、 導(dǎo)熱等金屬屬性 ， 在一些工業(yè)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景 。 金屬基復(fù)合材料起步于 60年代初期 。 當(dāng)時由于受到增強纖維品種少的限制 ， 僅發(fā)展了硼纖維增強鋁 、 鈦等少量品種 。 多沿用樹脂基復(fù)合材料的成型方法 ， 如鋪層工藝和纏繞工藝 。生產(chǎn)的復(fù)合材料 ， 價格高昂 （ 如硼 鉛復(fù)合材料的價格約為熱軋鋼的 1860倍 ） ， 僅限于用在航空航天上 。 80年代中期 ， 長纖維增強 、 短纖維增強 、晶須增強 、 顆粒增強金屬基復(fù)合材料開始多種增強材料 （ 硼 、 碳 、 碳化硅 、 碳化鈦 、 硼化鈦 、氧化鋁等 ） 、 多種基體材料 （ 鋼 、 鋁 、 鈦 、 鎂 、鋅等 ） 、 多種復(fù)合方法較為全面的發(fā)展 。 金屬基復(fù)合材料制造技術(shù) 金屬基復(fù)合材料的性能 、 應(yīng)用 、 成本等在很大程度上取決于材料的制備技術(shù) ， 因此研究和發(fā)展有效的制備技術(shù)是金屬基復(fù)合材料研究中最重要的問題之一 。 冶金工業(yè)中現(xiàn)有的常規(guī)技術(shù)如粉末冶金 、鑄造 、 塑性成型等被用來制造金屬基復(fù)合材料 ，但鑒于材料本身的特殊性質(zhì)和對材料的要求 ，不同類型的金屬基復(fù)合材料在其制造技術(shù)上存在著很大的差別 ， 有各自的難點 ， 需根據(jù)不同情況采用不同措施加以解決 。 對制造技術(shù)的要求 為得到性能良好 、 成本低廉的金屬基復(fù)合材料 ， 制造技術(shù)應(yīng)滿足以下要求： 1. 增強材料以設(shè)計的體積分?jǐn)?shù)和排列均勻地分布于基體中； 2. 盡量不使增強材料和金屬基體原有性能下降 ，特別是不能對高性能增強材料造成損傷 ， 應(yīng)使增強材料和金屬的優(yōu)良性能得以疊加和互補； 3. 盡量避免增強材料和金屬基體之間發(fā)生不利的化學(xué)反應(yīng) ， 應(yīng)得到合適的界面結(jié)構(gòu)和性能 ， 充分發(fā)揮增強材料的增強效果； 4. 工藝簡單易行 ， 適于批量生產(chǎn) ， 增強材料價格低 ，盡可能直接制成接近最終形狀和尺寸的零件 。 金屬基復(fù)合材料制造的難點及解決途徑 與樹脂基復(fù)合材料相比 ， 由于金屬固有的物理 、化學(xué)特性 ， 使金屬基復(fù)合材料在制造上存在一些技術(shù)上的困難 ， 需要采取特殊的措施解決： ，使之充分滲透到增強材料之間的間隙中并與之復(fù)合，需要高的制造溫度（高于或接近基體的熔點），在高溫下增強材料與基體容易發(fā)生界面反應(yīng)，但也可能氧化，產(chǎn)生有害的反應(yīng)。例如，在遠(yuǎn)低于熔點的溫度下鋁與碳生成 Al4C與硼生成 AlB鈦與碳化硅生成 TiC、 Ti5Si3或 TiSi2。這些反應(yīng)造成增強材料的損傷，容易造成過強的界面結(jié)合。 在纖維增強金屬基復(fù)合材料中適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合強度是材料具有最高性能的保證，此時界面既能有效地傳遞載荷，又能有效地阻止裂紋的擴展，充分發(fā)揮纖維的作用。 過強的界面結(jié)合可能使材料發(fā)生早期的低應(yīng)力破壞，反應(yīng)產(chǎn)物呈脆性，在應(yīng)力作用下往往首先斷裂，成為裂紋源，引起復(fù)合材料的整體破壞。 有些反應(yīng)產(chǎn)物本身不穩(wěn)定，容易分解造成界面分離。如 Al4C3，與水接觸時發(fā)生水解生成甲烷，嚴(yán)重時使復(fù)合材料解體。因此必須盡量控制界面脆性相的生成。
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