1 概述

金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix Composites，簡(jiǎn)稱MMCs）是以金屬及其合金為基體，加入一定體積分?jǐn)?shù)的纖維、晶須或顆粒等增強(qiáng)相經(jīng)人工復(fù)合而成的材料，不僅具有現(xiàn)代科技對(duì)材料要求的強(qiáng)韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐高溫性、耐磨性和不吸潮等優(yōu)良性能，而且在比強(qiáng)度、比剛度、比模量及高溫性能等方面超過其基體金屬或合金，同時(shí)具有可設(shè)計(jì)性和一定的二次加工性，是一種在工程技術(shù)領(lǐng)域和日常生活中都具有廣闊應(yīng)用前景的高性能材料，到目前為止，已經(jīng)在汽車、電子、先進(jìn)武器、機(jī)器人、核反應(yīng)堆、航空、航天等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

金屬基復(fù)合材料的研制起源于20 世紀(jì)60 年代，起初主要集中于利用連續(xù)纖維增強(qiáng)體，但由于工藝復(fù)雜且成本高，所以自80 年代以來，為了降低制造成本，滿足民用需要，研究的重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向以顆粒為代表的顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)的非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

金屬基復(fù)合材料的制備方法可分為固態(tài)法和液態(tài)鑄造法兩種。固態(tài)法生產(chǎn)工藝復(fù)雜，產(chǎn)品形狀受限制，生產(chǎn)成本高，難以獲得廣泛的應(yīng)用。液態(tài)鑄造法是金屬基體處于熔融狀態(tài)下與固體增強(qiáng)物復(fù)合而制備金屬基復(fù)合材料的工藝過程，成形時(shí)溫度較高，熔融狀態(tài)的金屬流動(dòng)性好，在一定的條件下利用傳統(tǒng)的鑄造工藝可容易地制得性能優(yōu)良、形狀各異的復(fù)合材料制件，相對(duì)于固態(tài)成形具有能量消耗小、易于操作、可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和零件形狀不受限制等優(yōu)點(diǎn)，因而受到人們的青睞[1-2]。文獻(xiàn)[1]對(duì)近十年來金屬基復(fù)合材料的制備方法進(jìn)行了總結(jié)，鑄造方法占據(jù)了半壁江山（圖1）.

金屬基復(fù)合材料的制備必須解決兩個(gè)基本問題，即外加增強(qiáng)體均勻地分布在合金基體中，同時(shí)增強(qiáng)體與基體金屬具有良好可靠的界面結(jié)合。上述基本問題都與復(fù)合材料的制備工藝技術(shù)緊密相關(guān)，已經(jīng)成為現(xiàn)階段金屬基復(fù)合材料發(fā)展的制約瓶頸，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方法，因此，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，能適應(yīng)規(guī)模生產(chǎn)的鑄造金屬基復(fù)合材料近年來研究較多，得到較快的發(fā)展。

圖1 近十年來金屬基復(fù)合材料采用的制備方法

金屬基復(fù)合材料的研究與發(fā)展歷程、應(yīng)用規(guī)模與相應(yīng)基體材料相同，目前主要集中于鋁、鎂、鈦和銅及其合金。

為滿足人們對(duì)鋁合金鑄件性能越來越高的要求。從20 世紀(jì)50 年代開始了高比強(qiáng)度、比剛度、高導(dǎo)熱導(dǎo)電性能、高耐磨耐蝕耐熱性能的鋁基復(fù)合材料的研究、開發(fā)，是目前金屬基復(fù)合材料中被研究最多和最主要的復(fù)合材料。多年來，各國(guó)在研發(fā)上都投入了大量的人力物力，尤其近20 年來，無論從理論上還是技術(shù)上都取得了較大進(jìn)步。目前，正在向規(guī)?；a(chǎn)和大范圍應(yīng)用迅速邁進(jìn)[3-6]。今后的研究的主要目標(biāo)為繼續(xù)提高其綜合性能的同時(shí)，能保持基體材料較好的塑韌性、可加工性，并實(shí)現(xiàn)材料的可設(shè)計(jì)性和穩(wěn)定制造。

鎂基復(fù)合材料具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、良好的尺寸穩(wěn)定性和優(yōu)良的鑄造性能。此外，這種材料還具有優(yōu)良的阻尼減振、電磁屏蔽等性能，其綜合性能優(yōu)于鋁基復(fù)合材料，是繼鑄造鋁基復(fù)合材料之后又一具有競(jìng)爭(zhēng)力的輕金屬基復(fù)合材料，正成為汽車、軍工、電子和航空航天領(lǐng)域中亟待開發(fā)和應(yīng)用的新型復(fù)合材料[4，7-9]。由于鎂具有熔點(diǎn)低、化學(xué)活性高、易燃、易氧化等特點(diǎn)，在一定程度上增加了制備的難度，鎂基復(fù)合材料在制備、鑄造成形加工技術(shù)等方面仍不成熟，應(yīng)用仍然有限，因此需對(duì)鑄造鎂基復(fù)合材料的先進(jìn)制備和成形加工技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，并大力推進(jìn)研究成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

同其他材料一樣，現(xiàn)有的鈦合金已不能滿足要求，鈦基復(fù)合材料也得到研究、發(fā)展，它把鈦的延展性、韌性與陶瓷的高強(qiáng)度、高模量結(jié)合起來，從而獲得了更高的剪切強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度以及更好的高溫力學(xué)性能，在某些領(lǐng)域逐漸取代了傳統(tǒng)的鈦合金材料[4，13-16]。目前己處于應(yīng)用的前沿，優(yōu)化制備技術(shù)及降低成本將成為該材料市場(chǎng)應(yīng)用穩(wěn)定化的重要因素。

銅的硬度和屈服強(qiáng)度較低，抗蠕變性能也較差，使其應(yīng)用受到了很大限制。銅中引入增強(qiáng)體的目的是提高銅材料的室溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能，同時(shí)盡可能保留銅材料本身優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性[4，10-12]。目前，雖然制備這類材料的方法不少，但是制造工藝還比較復(fù)雜、性能還達(dá)不到要求、生產(chǎn)成本偏高，開發(fā)新型的工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的銅基復(fù)合材料制造技術(shù)，進(jìn)一步提高材料的性能和生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，將成為今后的主要研發(fā)方向。

盡管金屬基復(fù)合材料具有可加工性強(qiáng)、價(jià)格低廉以及無聚合物復(fù)合材料常見的老化、高溫蠕變現(xiàn)象和在高真空條件下釋放小分子的特點(diǎn)，但長(zhǎng)期以來存在著制備工藝復(fù)雜，對(duì)環(huán)境和設(shè)備要求嚴(yán)格，成本高等缺點(diǎn)，因此其應(yīng)用還不普遍。面對(duì)技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大需求和新型高性能非金屬材料及其復(fù)合材料的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，要立足當(dāng)前，圍繞重點(diǎn)產(chǎn)品開展中試和生產(chǎn)工作，加快現(xiàn)有成熟金屬基復(fù)合材料技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移；著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，整體推進(jìn)，進(jìn)一步提高工藝的穩(wěn)定性和復(fù)合的材料性能，進(jìn)入金屬基復(fù)合材料制造強(qiáng)國(guó)行列；開拓創(chuàng)新，重點(diǎn)突破，自主發(fā)展，研發(fā)新的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鑄造復(fù)合材料制備技術(shù)和生產(chǎn)工藝。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鑄造鋁基復(fù)合材料

2.1.1 現(xiàn)狀

在鋁基復(fù)合材料的制備過程中，希望增強(qiáng)體在基體中均勻分散，以避免增強(qiáng)體聚集造成的材料缺陷、應(yīng)力集中等現(xiàn)象。然而，隨著增強(qiáng)體顆粒尺寸的減小，更容易產(chǎn)生顆粒的團(tuán)聚，尤其是納米增強(qiáng)顆粒。采用不同的增強(qiáng)體混合加入，有助于簡(jiǎn)化處理工藝，提高增強(qiáng)體的分散性，最終提高材料的性能。

鋁基復(fù)合材料的斷裂多從脆弱的界面處開始萌生，通過增強(qiáng)體與基體間發(fā)生一定化學(xué)反應(yīng)并形成一定厚度的界面反應(yīng)層，實(shí)現(xiàn)界面化合方式，是鋁基復(fù)合材料最常見的界面結(jié)合方式，像Cf/Al、SiC/Al、B4C/Al 復(fù)合材料都屬于這種情況。但是，過度的界面反應(yīng)會(huì)造成增強(qiáng)體的破壞，從而影響增強(qiáng)效果，尤其當(dāng)界面處有脆性相，如Cf/Al、SiC/Al 復(fù)合材料中產(chǎn)生粗大的Al4C3相時(shí)尤為嚴(yán)重。到目前為止，對(duì)于鋁基復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的研究與控制一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)問題，且并沒有得到很好的解決。

原位鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)相是反應(yīng)合成的，內(nèi)生于基體之中，因而具有許多外加增強(qiáng)相所不具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。增強(qiáng)體在鋁基體上原位形核、長(zhǎng)大，界面純凈、無污染，界面結(jié)合強(qiáng)度較高；增強(qiáng)相熱力學(xué)穩(wěn)定，尺寸細(xì)小，不易聚集，彌散分布在鋁基體上；省去了增強(qiáng)物的預(yù)處理，簡(jiǎn)化了工藝流程，成本也相對(duì)降低。

要實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的優(yōu)良綜合性能，增強(qiáng)體與基體間的多層次、多尺度結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。目前在新型鋁基復(fù)合材料的組分、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，呈現(xiàn)出增強(qiáng)體構(gòu)型化的趨勢(shì)，已有研究采用層狀、網(wǎng)狀等多種復(fù)雜構(gòu)型的增強(qiáng)體制備復(fù)合材料，希望通過結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)材料性能進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的性能。

2.1.2 挑戰(zhàn)

鋁基復(fù)合材料要實(shí)現(xiàn)廣泛的工程化應(yīng)用和進(jìn)一步提高性能，必須降低生產(chǎn)成本高，提高制造效率，提高復(fù)合材料制件的可靠性和穩(wěn)定性，所面臨的挑戰(zhàn)和需要解決的問題如下。

1）增強(qiáng)顆粒的均勻分布和與基體的相互作用。均勻分布的增強(qiáng)相顆粒，良好的界面結(jié)合強(qiáng)度可有效傳遞從基體到增強(qiáng)體的載荷，從而提高其強(qiáng)度與剛度。理論上，顆粒越小，復(fù)合材料的彌散強(qiáng)化作用越好，復(fù)合材料的性能越佳。但增強(qiáng)相顆粒尺寸越小，越不易分散均勻。雖然已有不少均質(zhì)化方法和大量的過程控制參數(shù)，但尚缺少有說服力的解決方案。

混雜復(fù)合材料的增強(qiáng)體由兩種或兩種以上的材料組成，可在一定程度上促進(jìn)增強(qiáng)相的均勻分布。但不同增強(qiáng)體的顆粒大小、相對(duì)比例、交互作用等還不清楚，目前還處于初步探索階段。此外，目前對(duì)原位鋁基復(fù)合材料中的反應(yīng)產(chǎn)物的生長(zhǎng)機(jī)制缺少有說服力的解釋，不能很好地控制增強(qiáng)相的大小、形態(tài)和分布，難以獲得性能的重大突破。而且，反應(yīng)過程中伴生的化合物也是目前原位鋁基復(fù)合材料制備和研究中無法避免的一個(gè)難題。

因此，深入探索控制增強(qiáng)體分布和與基體界面行為的有效手段，優(yōu)化增強(qiáng)體的分布和與基體的界面結(jié)構(gòu)，提高“界面”對(duì)材料性能的貢獻(xiàn)，仍是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料面臨的挑戰(zhàn)和研究的重點(diǎn)。

2）多尺度、多構(gòu)型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化。通常情況下，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料在提高強(qiáng)度性能的同時(shí)，材料的塑、韌性會(huì)有一定程度的降低。目前在新型鋁基復(fù)合材料的組分、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，呈現(xiàn)出增強(qiáng)體構(gòu)型化的趨勢(shì)，采用預(yù)制的連續(xù)纖維增強(qiáng)材料，如預(yù)制的層狀、網(wǎng)狀等多種復(fù)雜構(gòu)型的增強(qiáng)體制備復(fù)合材料，通過結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)材料性能進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的綜合性能。對(duì)增強(qiáng)的復(fù)雜構(gòu)型的研究，還處于起步階段。

3）復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)的制訂。對(duì)于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料界面強(qiáng)度還沒有統(tǒng)一和行之有效的檢測(cè)方法，用于指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和選擇。

2.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020 年，要達(dá)到的目標(biāo)：

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造的典型零件得到批量應(yīng)用。高強(qiáng)韌鑄造鋁基復(fù)合材料（以A356 合金為基體）應(yīng)達(dá)到以下主要指標(biāo)：室溫拉伸強(qiáng)度≥330 MPa，屈服強(qiáng)度≥275 MPa，伸長(zhǎng)率≥12%；鑄件合格率≥98%.

耐熱耐磨鑄造鋁基復(fù)合材料應(yīng)達(dá)到以下主要指標(biāo)：室溫拉伸強(qiáng)度≥290 MPa，高溫（350 ℃）拉伸強(qiáng)度≥110 MPa；產(chǎn)品成品率不低于90%.

2）預(yù)計(jì)到2025 年，要達(dá)到的目標(biāo)：

初步形成鋁基復(fù)合材料的基本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，解決回收利用中存在的問題。

3）預(yù)計(jì)到2030 年，要達(dá)到的目標(biāo)：

形成鋁基復(fù)合材料的系列標(biāo)準(zhǔn)，工程設(shè)計(jì)中可根據(jù)材料性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇；生產(chǎn)、回收利用形成良性循環(huán)，特殊構(gòu)型連續(xù)增強(qiáng)體增強(qiáng)的復(fù)合材料進(jìn)入產(chǎn)品開發(fā)。

2.2 鑄造鎂基復(fù)合材料

2.2.1 現(xiàn)狀

增強(qiáng)體在鎂合金液中的分散是存在的主要問題。鑄造鎂基復(fù)合材料在高于鎂熔點(diǎn)條件下制備，鎂基體與增強(qiáng)體之間通常浸潤(rùn)性差，甚至不浸潤(rùn)，通常對(duì)增強(qiáng)體進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚硪愿纳婆c基體的浸潤(rùn)性，提高其在熔體中的分散能力，得到高質(zhì)量的復(fù)合材料合金熔液。

船舶、飛機(jī)及軍工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)裝備的使用性能和可靠性都提出更高的要求。以前由兩個(gè)甚至多個(gè)部分加工完再組合在一起的零件，現(xiàn)在在最初階段就按照一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度要求高，對(duì)鑄件成分、力學(xué)性能、耐壓性等性能要求高，鎂基復(fù)合材料的成形難度很大。

擠壓鑄造和壓鑄都是近凈成形工藝，能夠有效避免鑄件氣孔、縮孔、疏松等缺陷的產(chǎn)生，提高基體與增強(qiáng)相的界面結(jié)合。采用專用設(shè)備和工藝，控制鎂的氧化，得到完好的鑄件，是目前鎂基復(fù)合材料制備的關(guān)鍵之一。

2.2.2 挑戰(zhàn)

1）高質(zhì)量鎂基復(fù)合材料熔體制備技術(shù)。為提高增強(qiáng)相在鎂基體中的均勻分布，目前已開展許多研究工作。采用電鍍、化學(xué)鍍、表面涂層、氣相沉積等方法對(duì)非金屬增強(qiáng)相進(jìn)行表面金屬化處理，采用超聲波處理、添加表面活性劑、酸堿處理、原位合成及綜合處理等方法來提高增強(qiáng)相在鎂基體中的分散性。目前，各種方法的使用均取得了一定的效果，但存在方法單一、理論研究不成熟、工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性不合理等問題。尤其是針對(duì)界面反應(yīng)的機(jī)制、可控性調(diào)節(jié)及界面反應(yīng)對(duì)材料性能的影響規(guī)律等方面的基礎(chǔ)理論和工藝研究，仍將是當(dāng)前及今后一段時(shí)間需要解決的重點(diǎn)問題。

2）鎂基復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的成形技術(shù)。船舶、飛機(jī)及軍工鑄件產(chǎn)品的集成度高，工藝復(fù)雜，向大型、復(fù)雜、薄壁、多內(nèi)置油路的方向發(fā)展，有些鑄件結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，在保證產(chǎn)品成形的同時(shí)，也要保證其形狀、尺寸、強(qiáng)度和化學(xué)成分符合工藝要求。另外，由于部分鑄件產(chǎn)品以前從來沒有研制過，需要?jiǎng)?chuàng)新的地方也很多，這就對(duì)鑄造成形提出了更高的要求。

3）鎂基復(fù)合材料鑄造成形專用設(shè)備。新的技術(shù)勢(shì)必要有新型的設(shè)備來與其匹配，以生產(chǎn)出更高質(zhì)量的鑄件。對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)非常重要，旨在降低其生產(chǎn)成本、減少生產(chǎn)周期，最終擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用范圍。我國(guó)壓力鑄造設(shè)備，尤其是大型壓力鑄造設(shè)備在設(shè)計(jì)方法、制造工藝、工作效率、能耗、可靠性等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大差距。隨著人工智能的發(fā)展，鑄造行業(yè)應(yīng)緊密跟隨國(guó)際發(fā)展潮流，在壓力鑄造設(shè)備自動(dòng)化、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)、實(shí)時(shí)控制技術(shù)等方面開展創(chuàng)新和研發(fā)，發(fā)展我國(guó)的專用設(shè)備。

2.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020 年，要達(dá)到的目標(biāo)：

顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料在某些零件生產(chǎn)中得到推廣、應(yīng)用。高性能鑄造鎂基復(fù)合材料（以ZM5 合金為基體）的室溫拉伸強(qiáng)度≥300 MPa，伸長(zhǎng)率≥3%.

2）預(yù)計(jì)到2030 年，要達(dá)到的目標(biāo)：

顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料鑄造成形專用設(shè)備投入使用，制造的典型零件得到批量應(yīng)用，形成基本的材料性能體系，為進(jìn)一步建立材料標(biāo)準(zhǔn)建立基礎(chǔ)。

2.3 鑄造鈦基復(fù)合材料

2.3.1 現(xiàn)狀

非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料既能保持鈦合金的優(yōu)良特性，又具有比鈦合金更高的比強(qiáng)度和比模量，可望成為航空航天領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)金屬材料，因此，近年來備受材料領(lǐng)域研究者的關(guān)注。

非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料按增強(qiáng)體生成方式可分為外加法和原位合成工藝方法。傳統(tǒng)的外加法制備技術(shù)中，陶瓷增強(qiáng)相以顆粒、粉末的狀態(tài)加入基體鈦中，增強(qiáng)相的尺度被最初的粉末粒度所限制，一般是微米級(jí)甚至毫米級(jí)。此外，傳統(tǒng)外加法的合成技術(shù)還需要解決增強(qiáng)體浸潤(rùn)、制備過程中增強(qiáng)相與基體的界面反應(yīng)以及昂貴的成本等問題。

原位自生法制備的非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，具有制備工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低廉、增強(qiáng)體分布均勻，增強(qiáng)體與基體的相容性好，避免了外加增強(qiáng)顆粒的污染問題以及增強(qiáng)顆粒與基體的界面之間的化學(xué)反應(yīng)問題，增強(qiáng)體和基體界面結(jié)合良好，而且增強(qiáng)顆粒和基體在熱力學(xué)上穩(wěn)定。

連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料是利用高強(qiáng)度、高模量、低密度的纖維作為增強(qiáng)體，與鈦金屬基體復(fù)合而成，由于具有比強(qiáng)度高、耐高溫、抗疲勞和蠕變性能好等優(yōu)點(diǎn)，受到各國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視。連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的發(fā)展己有30多年的歷史，美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家均投入大量的人力和物力對(duì)該復(fù)合材料進(jìn)行了系統(tǒng)和深入的研究，己在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤件中得到試用，大大地降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。

2.3.2 挑戰(zhàn)

1）非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。不論是外加法還是原位合成法，目前都存在制備工藝不穩(wěn)定、增強(qiáng)相均勻分布性差、難以獲得理想的強(qiáng)度與塑性指標(biāo)等問題，而且與實(shí)際應(yīng)用還存在距離，仍然停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

2）連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。目前，連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法主要有箔材-纖維-箔材法、等離子噴射涂層法和物理氣相沉積法，即先對(duì)纖維進(jìn)行涂層處理，或把纖維網(wǎng)鋪設(shè)在基體之間，再用固化壓實(shí)的工藝得到復(fù)合材料。存在加工工藝復(fù)雜、材料各向異性、界面反應(yīng)不可控等不足，而且所制備的材料價(jià)格昂貴，即使這樣，公開的資料極少。國(guó)內(nèi)研究與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大，僅有個(gè)別研究對(duì)鈦基復(fù)合材料制備整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子的制備和強(qiáng)度進(jìn)行了模擬研究摸索。此外，目前還未見采用鑄造工藝制備這類復(fù)合材料的公開報(bào)道。

2.3.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020 年，要達(dá)到的目標(biāo)：

非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料開始開發(fā)在民用產(chǎn)品中的應(yīng)用，復(fù)合材料的主要性能指標(biāo)達(dá)到：彈性模量115 GPa～125 GPa，屈服強(qiáng)度700 MPa～1 000 MPa，抗拉強(qiáng)度900 MPa～1 200 MPa，伸長(zhǎng)率3%～5%.

2）預(yù)計(jì)到2030 年，要達(dá)到的目標(biāo)：

非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材制造料成本明顯下降，在民用產(chǎn)品中得到應(yīng)用。連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)取得顯著進(jìn)展，針對(duì)典型鑄件開展試生產(chǎn)，使用溫度≥700 ℃.

2.4 鑄造銅基復(fù)合材料

2.4.1 現(xiàn)狀

工業(yè)上的許多元器件需要使用一些熱導(dǎo)率高的材料，以降低工作溫度；先進(jìn)的電力電子設(shè)備需要新型的熱性能材料制造吸熱元件和導(dǎo)熱片，電子封裝材料要求具備高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、易加工和低成本等特點(diǎn)。銅基復(fù)合材料以其高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、易加工等優(yōu)點(diǎn)，可滿足即時(shí)快速大量散熱的要求。

電性能為主的銅基復(fù)合材料，不僅強(qiáng)度高，而且導(dǎo)電性、耐磨性也很好，在工業(yè)用電接觸元件中具有廣泛的應(yīng)用，包括觸頭支承體材料和觸頭材料。近年來，隨著高速鐵路的發(fā)展，用于受電弓的高導(dǎo)電高耐磨銅基復(fù)合材料也得到快速發(fā)展。碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料綜合了銅的良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性以及碳纖維的高比強(qiáng)度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)，在其中加入石墨、MoS2等具有極好的自潤(rùn)滑特性的顆粒，可在保證良好導(dǎo)電性的同時(shí)，降低摩擦，提高零件的可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。

2.4.2 挑戰(zhàn)

自20 世紀(jì)90 年代以來，具有高導(dǎo)熱性、低熱膨脹性的顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料得到大量研究，但增強(qiáng)相與基體兩相界面潤(rùn)濕性差，界面結(jié)合較弱，在復(fù)合材料的兩相界面處易產(chǎn)生孔洞和裂縫的不足一直沒有得到很好的解決。

這類材料目前應(yīng)用粉末冶金工藝較多，孔隙是粉末冶金材料的固有特性，顯著影響材料的力學(xué)、電學(xué)和工藝性能。研究表明，隨著復(fù)合材料密度的增大，其硬度、抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)電率都呈幾何級(jí)數(shù)增加。改善銅/增強(qiáng)相界面的結(jié)合性能，仍是這類材料發(fā)展的重點(diǎn)。采用增強(qiáng)相預(yù)處理、在壓力作用下凝固等工藝，將有效促進(jìn)基體和增強(qiáng)相的界面結(jié)合。開發(fā)新型的鑄造成形技術(shù)，減少材料中的孔隙，提高材料的致密度，進(jìn)一步提高其性能是今后的發(fā)展目標(biāo)。

2.4.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020 年，要達(dá)到的目標(biāo)：

采用鑄造工藝生產(chǎn)銅基復(fù)合材料取得關(guān)鍵進(jìn)展，制備的復(fù)合材料應(yīng)達(dá)到的主要性能指標(biāo)有：拉伸強(qiáng)度≥600 MPa，導(dǎo)電性≥80%純銅，銅基自潤(rùn)滑復(fù)合材料可用于制造高速列車受電弓滑板。

2）預(yù)計(jì)到2030 年，要達(dá)到的目標(biāo)：

鑄造工藝在銅基復(fù)合材料生產(chǎn)中的地位進(jìn)一步提升，并在典型零件中得到推廣。

3 技術(shù)路線圖

鑄造金屬基復(fù)合材料技術(shù)路線圖如圖2 所示。

圖2 鑄造金屬基復(fù)合材料技術(shù)路線圖