高分子复合材料

现代复合材料基体材料研发现状摘要：介绍金属基复合材料近期的研究及应用现状。介绍包括金属基复合材料的 分类、性能特点，并总结了其主要应用。对于大批量生产的复合材料来讲，轧制 方法复合具有比其它方法有更多的适用性和经济性。关键词：金属基复合材料；发展趋势；应用ABSTRACT: This paper reviews the status of research and application of metal matrix composites. The paper presents the classification, characteristics. And the development and application of metal matrix composites are summarized.Key words: metal matrix composites; development tendency; application前言：随着科学技术的大力发展，对材料性能的要求也越来越高，现有高强度高 模量耐高温低密度的单一材料已远远不能满足使用要求为此，国内外大量学者 采用复合技术将不同性能的材料复合起来，取长补短，得到单一材料无法比拟的 综合性能优越的新型复合材料。复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增 强体，通过复合工艺形成的材料。它克服了单一材料的某些弱点，产生协同效应， 使之综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求与普通单增强相复合 材料相比，其冲击强度疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能 复合材料的种类繁多，按其基体材料不同可分为金属基树脂基和陶瓷基复合材料 目前，金属基复合材料是我国应用较为广泛发展迅速的复合材料它采用金属或 合金为基体，以纤维品须颗粒等为增强体，通过合理的设计和 良好的复合工艺， 使基体和增强体之间取长补短，发挥了各自的性能及工艺优势，与传统的金属材 料相比，金属基复合材料往往具有更高的比强度强度和密度之比比模量模量和密 度之比，更好的耐热性以及更低的热膨胀系数 迄今为止，由于金属基复合材料 的制备工艺不完善成本高等因素，导致难以大规模生产。本论文简要介绍金属 基体复合材料现阶段的研究成果以及发展前景。正文：1.1金属基复合材料除力学性能优异外，还具有某些特殊性能和良好的综合 性能，应用范围广泛依据基体合金的种类可分为：轻金属基复合材料高熔点金属 基复合材料金属间化合物基复合材料按增强相形态的不同可划分为：连续纤维增 强金属基复合材料短纤维增强金属基复合材料品须增强金属基复合材料颗粒增 强金属基复合材料混杂增强金属复合材料。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、 橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤 维、碳化硅纤维、石棉纤维、品须、金属丝和硬质细粒等。1.2金属基复合材料的性能不仅与基体金属有关，也与增强的第二相的性能 和数量有关，同时还与基体和增强相的界面结构有关，即与基体和增强相的界面 结合力有关。因此，对金属基复合材料的研究主要集中在以下几个方面：(1) 同金属基体与不同种类、形态的增强材料的复合效果，复合材料的性能；(2) 增强材料的开发，包括金属与非金属纤维、颗粒、品须、晶片等；(3) 增强相/基体界面优化的研究，包括各种金属基复合材料的界面结构、界 面稳定性、界面结合与反应、界面反应的控制等；(4) 扩大金属基复合材料的应用领域和范围。1.3.金属基复合材料的研究进展及应用(1) .铝基复合材料的应用：纤维增强铝基复合材料具有比强度和比模量高、尺寸稳定性好等一系列优异 性能，但价格昂贵，目前主要用于航天领域作为航天飞机、人造卫星、空间站等 的结构材料。硼纤维增强铝基复合材料是实际应用最早的金属基复合材料，美国和前苏联 的航天飞机中机身框架及支柱和起落拉杆等都用该材料制成。硼-铝复合材料还 用做多层半导体芯片的支座的散热冷却板材料，硼-铝复合材料的导热好，热膨 胀系数与半导体芯片非常接近，能大大减少接头处的疲劳。硼-铝复合材料的应 用前景宽广，可用作中子屏蔽材料，还可用来制造废核燃料的运输容器和储存容 器、可移动防护罩、控制杆、喷气发动机风扇叶片、飞机机翼蒙皮、结构支承件、 飞机垂直尾翼、导弹构件、飞机起落部件、自行车架、高尔夫球杆等。碳纤维增强铝基复合材料具有比强度高和比刚度高，导电、导热性好，密度 低和尺寸稳定等特点。用这种材料制成的卫星抛物面天线骨架，热膨胀系效低， 导热性好，可在较大温度范围内保持尺寸稳定。碳纤维增强铝基复合材料用在飞 机上，如它使用在F-15战斗机上，使其质量减轻20%30%。碳化硅-铝复合材料主要用做飞机、导弹、发动机的高性能结构件，如飞机 的Z形加强板、喷气战斗机垂直尾翼平衡器和尾翼梁、导弹弹体及垂直尾翼和汽 车空调器箱。非连续增强铝基复合材料有碳化硅品须和颗粒、氧化铝短纤维以及硅酸铝纤 维增强铝基复合材料。碳化硅品须增强铝基复合材料用于制造导弹平衡翼和制导 元件，航天器的结构部件和发动机部件，战术坦克反射镜部件，轻型坦克履带， 汽车零件，如活塞、连杆、汽缸、活塞销等，飞机的机身地板和新型战斗机尾翼 平衡器。碳化硅增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料，如卫星支架、 结构连接件、管材，各种型材，导弹翼、遥控飞机翼、飞机零部件等，它还可用 做汽车零部件，如驱动轴、刹车盘、发动机缸套、衬套和活塞等。氧化铝短纤维和硅酸铝纤维增强铝复合材料目前主要用于制造汽车发动机 零件，如活塞镶圈、传动齿轮。铝基复合材料性能优异，可以用于多种部门，只要价格能够接受，将有广阔 的应用前景。(2) 钛基复合材料的应用SiC纤维增强钛基复合材料的发展最初是以超高音速宇航器和先进航空发 动机为主要目标。因为用它制造的波纹芯体呈蜂窝结构，在高温下具有很高的承 载能力和刚度及低的密度，使其成为航天飞机发动机理想的候选材料。但是由于 制作工艺复杂、成型工艺困难和原材料昂贵使得它的推广应用很困难。美国建 立了 SiC纤维增强钛基复合材料生产线，已为直接进入轨道的航天飞机提供机翼、 机身的蒙皮、支撑梁及加强筋等构件。美国还将钛基复合材料成功地应用于导弹 尾翼、汽车发动机气门阀、连杆、高尔夫夹头等。(3) 镁基复合材料的应用镁合金材料具有密度小、比强度和比刚度高、良好的尺寸稳定性和优良的铸 造性能，正成为现代高新技术领域中最有希望采用的一种复合材料，其综合性能 优于铝基复合材料。此外，这种材料还具有优良的阻尼减振、电磁屏蔽等性能， 在汽车制造工业中用作方向盘减振轴、活塞环、支架、变速箱外壳等，在通讯电 子产品中的飞机、便携计算机等也用做外壳材料。SiC晶须增强镁基复合材料可 用于制造齿轮，SiC和A12O3颗粒增强镁基复合材料由于耐磨性好，可用于制造 油泵的泵壳体、止推板、安全阀等零件。镁合金复合材料由于其优异的力学性能 和物理性能已经显示出广阔的用途。(4) 竦基复合材料的应用前景金属基复合材料最有前途的应用之一是做燃气涡轮发动机的叶片。对于像燃 气轮机零件这类用途，需要耐较高温度，须采用像竦基复合材料这样很耐热的材 料。但是制造竦基复合材料的技术工艺还处于发展的初期阶段。虽然大部分用来 制造金属基复合材料的加工方法基本上都适于制造竦基复合材料，但由于该材料 所需工艺温度高，因而应该在改进现有制造低温金属基复合材料的工艺基础上发 明新的加工方法，并集中在一个所选择的加工方法上优化工艺条件，把复合材料 性能与界面和微观组织联系起来。因此，只要能找到一种适合其的生产加工工艺， 竦基复合材料必将有广阔的应用。2.1制备工艺与分析金属基复合材料的复合制备工艺复杂技术难度较大，但制备技术研究是决定 该类材料迅速发展和广泛应用的关键问题 所以，研究开发实用有效的制备方法 一直是金属基复合材料的重要问题之一目前，虽然已经研制出不少复合工艺，但 都存在一些问题按照制备过程中基体的温度，将其工艺分为液相工艺固相工艺和 液固两相工艺。2. 1.1液相复合工艺搅拌复合工艺，搅拌复合工艺又称搅拌铸造法，是通过机械搅拌装置使颗粒 争强体与液态金属基体混合，然后通过常压铸造或真空常压铸造或压力铸造制成 复合材料锭子或零件可分为漩涡法和Duralcan法其中，surappa和rohtgi最 早采用搅拌法制备，通过机械搅拌在熔体中产生涡流引入颗粒。而搅拌工艺取得 最重要的突破来自于skibo和schuster开发的Duralcan。工艺搅拌复合工艺 最大的优点在于采用常规的熔炼设备，成本低廉，可以制备精密复杂零件，但仍 存在一些问题有待解决，如：铸造缺陷气体夹杂物的混入，颗粒分布不均匀， 另外，复合需要较长时间和较高温度，基体金属与颗粒之间易发生截 面反应， 颗粒的增加会使金属熔体的粘度增大，使颗粒再混入变形区，增强体的体积分数 一般不超过25%。浸渗复合工艺浸渗工艺包括高压气压无压浸渗三种，该制备技 术已用于制造发动机活塞液态金属浸渗法是一种制备大体积分数复合材料的好 方法，但是存在预制块的变形微观结构不均匀品粒尺寸粗大和界面反应等缺点挤 压铸造挤压铸造是将增强体材料制成一定形状并有一定强度的预制体，再将金属 液浸渗到预制体中，保压凝固而成 此工艺的最大优点在于浸渗 凝固快效率高 成本低可大批量生产但用此工艺制备的零件结构和尺寸很大程度上受到设备 规模和压力容量的限制，且在距冲头较远的位置容易形成疏松和气孔等缺陷有充 型速度的控制，集渣和排气问题。气压浸渗，气压浸渗能有效防止金属和增强体的氧化，限制了界面反应，改 善界面，提高了浸润性，减少了出现气孔等缺陷的几率由于其制造过程气压不超 过，所以零件不易开裂但是，低气压浸渗难以制造大型件，生产效率低，工艺 步骤多，周期长。无压浸渗，无压浸渗是金属液体在没有外压力和真空的条件下，自发地渗入 预制体间隙，冷却凝固获得致密的复合材料 该技术投资小，可制备复杂薄壁的 零件，无需耐高温的模具；若浸渗强的金属，可加阻尼层，限制过度增长，以实 现复杂薄壁结构的近无余量制备该技术已被美国lanxid公司掌控，并被美国国 防部列为非转让技术。喷射共沉积复合工艺，喷射共沉积复合技术克服了粉末冶金含氧量大搅拌复 合界面反应严重的缺点其最大的工艺特点在于快速冷却过程粒子不易偏析，同 时界面反应也得到有效地抑制；由于冲击破碎效应，微米原子的射入可制成亚微 米级的增强颗粒，获得更好的综合性能，尤其是高温性能但其工艺设备复杂， 控制过程难度大，增强相的尺寸一般是细微颗粒，大颗粒和不连续纤维等容易堵 塞喷口熔体原位复合工艺原位复合工艺生成的增强体一般为陶瓷相，也可以是金 属间化合物，形式多为颗粒品须等其包括放热弥撒法接触反应法直接氧化或 淡化法气液反应法及反应喷射沉积法用该制备技术可使增强体表面与基体间的 截面洁净无杂质污染，界面是原位匹配结合良好，且增强体在基体中易于实现均 匀分布，增强体的尺寸也较小。2.1.2固相复合工艺粉末冶金法，粉末冶金法采用热压或热静压的方法使材料扩散复合，从而制 成复合材料锭块该技术对基体合金和增强体的限制少，增强体体积分数易调节控 制，这点也是铸造法难以比拟的，且经二次加工增强体分布均匀，基体品粒细小， 性能稳定。扩散结合工艺，扩散结合工艺是在低于基体合金熔点的适当温度下施加高压， 通过与基体发生的塑性变形蠕变以及扩散，将基体与基体基体与增强体紧密结 合，从而得到完全压实的金属基复合材料的方法该方法能有效抑制复合材料的界 面反应，解决润湿性问题，是连续纤维增强体金属基复合材料的主要制备方法但 仅能生产平板状或低曲率板等形状简单的构件。2.1. 3固液两相区复合工艺流变铸造法，流变铸造法是对处于固液两相区的熔体施加强烈搅拌形成低粘 度的半固态浆液，同时引入陶瓷颗粒，利用半固态浆液的触变特性分散增强相， 阻止陶瓷颗粒的下沉或漂浮，保证陶瓷颗粒弥散分布于金属熔体中，但存在搅 拌工艺所有的问题，仅适用于凝固区间较宽的金属，也存在界面反应颗粒偏析 等问题固液两相区热压复合工艺，固液两相区热压复合工艺具有流变性，可进行 流变铸造；半固态浆液具有触变性，可将流变铸造锭重新加热到所要求的固相组 分的软化度，送到压铸机中压铸，由于压铸时浇口处的剪切作用，可恢复其流变 性而充满铸型，此称作触变铸造颗粒或短纤维增强材料加入到强烈搅拌的半固 态合金中由于半固态浆液中球状碎品粒子对添加粒子的分散和捕捉作用，既防止 了添加粒子的上浮下沉和凝聚，又使添加粒子在浆液中均匀分散，改善了润湿性， 促进界面结合。结束语：我国目前的金属基复合材料的研究落后于发达国家。鉴于国际上金属基复合 材料尚未大规模生产，因此目前差距不大。目前主要集中在以轻金属（如铝、镁、 钛)等为基体的复合材料研究，少量研究致力于铜、铁、铅基体的复合材料。增 强的形式包括连续纤维、短纤维、品须和颗粒。我国主要在关于其理论基础性研 究的理论深度上与国外有一定的差距，特别是在原子、分子水平上深入认识界面 的结构方面不够。另外，复合材料可持续发展及其实用化降低成本的要求使金属 基复合材料的再生问题显得尤为重要，应该加强对金属基复合材料的再生研究工 作。对于大批量生产的复合材料来讲，轧制复合是特别有效的复合方法。无论采 用热轧还是冷轧，在不同的材料复合中都在广泛的研究和应用。其适用性和经济 性是其它复合方法所不能比拟的。总之，我国对复合材料科学研究正稳步向前， 目前的科学研究正向着使复合材料廉价和提高可靠性方面发展，以加强复合材料 与其他传统材料的竞争优势。参考文献：1张国定 赵昌正一一金属基复合材料M上海：交通大学出版1996.72张学习一一非连续增强金属基复合材料的应用J.专题综述，2002, 5： 363吴树森一一日本金属基复合材料的应用J.兵器材料科学于工程，1999,22： 594吴人洁一一金属基复合材料的现状与展望一金属学报1997,33 (1) 79-845曾美琴 欧阳柳章一一复合材料界面研究进展J中国铸造装备与技术 2002,6:236于春田.金属基复合材料的发展及展望J.铸造，1994,(11):36-39.7龙小兵等.金属基纳米复合材料研究进展J.湖南冶金,2002,(5):8-12.8吴人洁.金属基复合材料的现状与展望J.金属学报，1997,33(1):78-82.9龚荣洲等.金属基纳米复合材料的研究现状和展望J.中国有色金属学 报,2003,13(5):1311-1320.10范同祥等.金属基复合材料再生与回收研究现状J.材料导报 1999,13(5):49-51.11吴树森.日本金属基复合材料的研究与应用J.兵器材料科学与工 程，1999,22(2):56-6012 13张崧，唐建新，冯可芹高强度镁合金的研究现状及发展热加工工艺，2004， 34，(8)14严有为金属基原位复合材料的研究现状及发展趋势(J) 1987 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