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1、第20卷第4期青岛建筑工程学院学报Vol.20№41999JournalofQingdaoInstituteofArchitectureandEngineeringX金属基复合材料的进展、问题与前景展望王俊英 杨启志 林化春(青岛建筑工程学院机械工程系,青岛266033)摘 要 综述了金属基复合材料的进展情况,重点阐述了颗粒增强金属基复合材料和金属基复合涂层的进展,包括其性能、现有品种、制备工艺、应用情况.同时报道了目前本领域研究存在的问题,如:力学问题、界面问题、热疲劳问题,并在此基础上展望发展前景.关键词 颗
2、粒增强金属基复合材料,复合涂层材料,界面,热疲劳,功能梯度材料中图法分类号 TG113.12随着近代高新技术的发展,对材料不断提出多方面的性能要求,推动着材料向高比强度、[1]高比刚度、高比韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展.复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题,推进了材料的进展.金属基复合材料(MMC)是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料.这种材料的主要目标是解决航空、航天等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要,它在60年代末才有了较快的发展,是复合材料一个
3、新的分支.目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导电性和导热性,以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点,成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料.1 进展情况目前,金属基复合材料基本上可分为纤维增强和颗粒增强两大类,所用的基体包括Al,Mg,Ti等轻金属及其合金以及金属间化合物等,也有少量以钢、铜、镍、钴、铅等为基体.增强纤维主要有碳及石墨纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维等,增强颗粒有碳
4、化硅、氧化铝、硼化物和碳化物等.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,但实际上只有极少几种有应用前景,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其应用[2]前景.1.1 纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料,由于具有高温性能好、比强度、比模量高、导电、导热性好等优点,而成为复合材料的主要类型.X收稿日期:1999—01—21第4期 王俊英等:金属基复合材料的进展、问题与前景展望91纤维增强金属基复合材料最早出现的是金属纤维增强金属基复合材料,如60年代初报道的W
5、丝强化Ti、Ni、Cu等;又先后出现了Al2O3纤维及晶须增强Al、Ni、Ag等和B纤维增强Al、Mg等.C纤维的出现,特别是沥青裂解C纤维的研制成功,大大推动了复合材料的发[3]展.纤维增强金属基复合材料的主要缺点是加工温度高,制造工艺复杂,性能波动,成本高.因此纤维强化金属基复合材料目前研究的重点将转移到开发制造工艺,降低生产成本.1.2 颗粒增强金属基复合材料由于纤维增强金属基复合材料存在上述缺点,从而未能得以大规模工业应用,只有美国、日本等少数发达国家用于军事工业.为此,近年来国际上又将注意力逐渐转移到颗
6、粒增强金属基复合材料的研究上.这一类金属基复合材料与纤维增强金属基复合材料相比制备工艺简单,成本低,可采用常规金属加工设备来制造,这样有利于其开发和应用.可见,颗粒增强金属基复合材料是非常有发展前途的.金属基颗粒复合材料通常是作为耐磨、耐热、耐蚀、高强度材料开发的,目前用于颗粒增强复合材料的颗粒有数十种,常用的有石墨、SiC、SiO2、TiC、BN、α-Al2O3、TiO2、WC,它们大多是无机化合物.目前已有铝基、钼基、钢基、Fe基、Co基、Ni基、Mg基等颗粒复合.但随着宇航事业的发展,高温耐热金属基复合材料
7、,如以铜、钼、镍、钴等为基体的金属基复合材料越来越受到人们的重视.[4]池野等对Al2O3颗粒增强纯铝复合材料的性能进行了研究,发现随着Al2O3颗粒体积分数增加,强度不断上升.陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度和比模量,并且具有原[5]材料成本低廉,复合材料制备工艺简单的特点而受到重视.Hosking等的研究结果表明,随着Al2O3或SiC颗粒的体积分数增加,不但塑性下降,而且强度也下降.在Al-5Si合金中,加入SiC和石墨的结果也类似.2与轻金属Al相比,Mg及其合金密度更小,约1.8g/cm,比Al轻
8、约30%,在提高比强度、[6]比刚度上有更大的潜力.颗粒增强的镁基复合材料已表现出优良性能.[7]另外,M.Hunt指出为适应火箭发动机、新一代航空发动机和其它高温航空航天用构件的需要,必须开发在高温下具有高强度、高刚度,甚至还有导热性和导电性的金属基复合材料.其中提到美国密执安州麦迪逊的WallColmonoy公司开发了一种用碳化钨增强的镍基粉末合金,用于表面强化.这种
