李晉

關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料;現(xiàn)狀分析;發(fā)展

金屬基復(fù)合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過(guò)物理或者化學(xué)方法處理后形成的新型材料。隨著高科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬材料已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)在的重工業(yè)要求，需要較高的比強(qiáng)度和比剛度才能進(jìn)行高精準(zhǔn)的加工。但在實(shí)際加工過(guò)程中遇到了各種各樣的困難，增加了加工成本，導(dǎo)致金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域受限，只用于航空航天、軍事科技等科技領(lǐng)域。本研究通過(guò)對(duì)金屬基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹了金屬基復(fù)合材料的分類(lèi)，有助于設(shè)計(jì)出更多的金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品，擴(kuò)大金屬基復(fù)合材料的使用范圍[1]。

1金屬基復(fù)合材料的分類(lèi)

一般情況下，金屬基復(fù)合材料有力學(xué)性能和特殊性能的區(qū)別，廣泛適用于工業(yè)生產(chǎn)。通常包括兩種分類(lèi)方法：一種是按照復(fù)合材料內(nèi)部基體結(jié)構(gòu)形成的合金分類(lèi);另一種是按照復(fù)合材料的增強(qiáng)相區(qū)分。

1.1按照金屬基基體類(lèi)型分類(lèi)

常見(jiàn)的金屬基復(fù)合材料包括黑色金屬基復(fù)合材料（如鋼、鐵）和有色金屬基復(fù)合材料（鋁、鎂、鈦等）。

1.1.1黑色金屬基復(fù)合材料

通常，黑色金屬基復(fù)合材料是指鋼鐵基類(lèi)復(fù)合材料，是比較常見(jiàn)的材料，由于鋼鐵具有熔點(diǎn)高、比強(qiáng)度小、密度大等特點(diǎn)，研發(fā)鋼鐵基復(fù)合材料的工程并不多。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，在極端惡劣條件下能夠正常運(yùn)行的材料嚴(yán)重缺少，因此，需要改善鋼鐵基復(fù)合材料的性能，拓寬鋼鐵基復(fù)合材料的使用范圍。復(fù)合材料需要比剛度、比強(qiáng)度較高的增強(qiáng)物質(zhì)與鋼鐵基體進(jìn)行結(jié)合，形成新的鋼鐵基復(fù)合材料，不僅能夠減小鋼鐵基材料的密度，還能提高鋼鐵基原有的硬度和耐磨性。在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展中，鋼鐵基復(fù)合材料主要用于切削工具和打磨儀器部件等。同時(shí)，金屬基復(fù)合的情況不同，生產(chǎn)的材料也不同，如表面復(fù)合材料和整體復(fù)合材料。其中，復(fù)合方法各有不同，整體復(fù)合材料一般使用粉末冶金法、外加增強(qiáng)體物質(zhì)法、原位反應(yīng)復(fù)合法等，而表面復(fù)合材料使用的是鑄滲法、鑄造法等[2]。

1.1.2有色金屬基復(fù)合材料

常見(jiàn)的有色金屬基復(fù)合材料有鋁基、鎂基、鈦基、鎳基等，具有熔點(diǎn)低、硬度小等特點(diǎn)，因此，有色金屬基復(fù)合材料使用范圍較廣，多見(jiàn)于航空航天、汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域。例如，鋁基復(fù)合材料具有密度小、導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)，容易加工成可塑性材料，降低了工業(yè)制造的成本。鎂基復(fù)合材料的質(zhì)量比較小，更多應(yīng)用于航天和空間的原材料制造中。鎳基復(fù)合材料是國(guó)內(nèi)外使用比較廣泛的一種復(fù)合材料，具有高溫強(qiáng)度大、抗疲勞性強(qiáng)、抗氧化能力強(qiáng)、抗腐蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn)，深受輪船、航空等工業(yè)部件制造相關(guān)人員的關(guān)注[3]。

1.2按照增強(qiáng)相的形態(tài)進(jìn)行分類(lèi)

1.2.1連續(xù)性纖維增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料連續(xù)性纖維增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料是采用金屬細(xì)線和無(wú)機(jī)纖維兩種增強(qiáng)相體進(jìn)行金屬合成，具有質(zhì)量小、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。和其他增強(qiáng)相復(fù)合材料相比，能夠明顯觀察到金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)效果。在加工過(guò)程中，連續(xù)性纖維增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料工藝復(fù)雜、成本高，大多應(yīng)用于高端技術(shù)。常見(jiàn)的連續(xù)性纖維增強(qiáng)相有碳纖維、硼纖維、氧化鋁纖維等。

1.2.2非連續(xù)性增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料

由于連續(xù)性增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的加工成本較高，部分小型工業(yè)企業(yè)無(wú)法使用增強(qiáng)相生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料。非連續(xù)性增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料是一種成本低，以顆粒、晶狀體、短纖維等為增強(qiáng)相的加工方式，具有較高的比強(qiáng)度、耐磨性和變抗能力等，因此，工業(yè)中可以根據(jù)增強(qiáng)相物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合材料的合成，提高金屬基復(fù)合材料的性能。非連續(xù)性增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料常用于顆粒增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料[4]。

2金屬基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

2.1鋁基復(fù)合材料

鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)體有長(zhǎng)纖維、短纖維、晶狀體和顆粒等增強(qiáng)物質(zhì)，常見(jiàn)的長(zhǎng)纖維鋁基復(fù)合材料包括硼-鋁復(fù)合材料、碳（石墨）-鋁復(fù)合材料、碳化硅-鋁復(fù)合材料、氧化鋁-鋁復(fù)合材料和不銹鋼絲-鋁復(fù)合材料。這些鋁基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)是質(zhì)量小、強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、加工工藝易成形、制作成本低等。因此，鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用廣泛。顆粒增強(qiáng)相鋁基復(fù)合材料的特點(diǎn)是比強(qiáng)度高、比模量大、塑形性強(qiáng)等，包括四氮化三硅、碳化硅、三氧化二鋁、碳化鈦等，根據(jù)不同的顆粒增強(qiáng)體，復(fù)合材料的制作方法也不同[5]。

2.2鎂基復(fù)合材料

鎂基復(fù)合材料也是一種質(zhì)量較小的金屬基復(fù)合材料，主要有密度小、比強(qiáng)度高、耐磨性高、抗沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)減振性能較好，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行材料塑形，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。在鎂基復(fù)合材料制造中，分為鑄造、變形和超輕等工藝手段，其中，鑄造型復(fù)合物主要用于制造各種鎂基復(fù)合材料，變形階段主要是對(duì)鎂基復(fù)合材料進(jìn)行擠壓。超輕的鎂基復(fù)合物一般是指鎂-鋰系的合金，具有較強(qiáng)的穿透能力。在鎂基復(fù)合材料中，常見(jiàn)的增強(qiáng)物質(zhì)有碳纖維、鈦纖維、硼纖維等，選擇不同的增強(qiáng)物質(zhì)，就需要使用不同的制備方法。常見(jiàn)的制備方法有粉末冶金法、熔體浸滲法、攪拌鑄造法等。

2.3鈦基復(fù)合材料

和其他兩種復(fù)合材料相比，鈦基復(fù)合材料需要在更高的溫度下使用，特點(diǎn)是比強(qiáng)度和比剛度都較高，且都具有抗高溫、耐腐蝕等性能，主要用于航天、汽車(chē)等領(lǐng)域。國(guó)外對(duì)鈦基復(fù)合材料的研究比較廣泛，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不斷開(kāi)發(fā)新型技術(shù)合成鈦基復(fù)合物。鈦基復(fù)合材料常使用連續(xù)性纖維增強(qiáng)相和顆粒狀增強(qiáng)相強(qiáng)化復(fù)合材料的形成。增強(qiáng)物質(zhì)可以提高鈦基復(fù)合材料的力學(xué)性能和快速加工成形的性能。目前，鈦基復(fù)合材料的研究方法有熔鑄法、放熱彌散法、自蔓延高溫合成法等。

2.4國(guó)外的金屬基復(fù)合材料

近幾年，金屬基復(fù)合材料的發(fā)展迅速，是一種新型工程類(lèi)材料，具有較高的比剛度和比強(qiáng)度，其高溫加工性能強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)較低以及耐磨性較好，由于加工快、易成形、成本低等特點(diǎn)，在國(guó)外廣泛使用。國(guó)外的金屬基復(fù)合材料主要適用于航空航天領(lǐng)域，如美國(guó)利用硼鋁合金材料制作飛機(jī)的貨倉(cāng)架。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行了深度研究，國(guó)外將復(fù)合材料應(yīng)用于飛機(jī)和導(dǎo)彈等各個(gè)零部件的制備中，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。62605759-557A-4ADE-BE17-7E9964D177DA

2.5國(guó)內(nèi)的金屬基復(fù)合材料

目前，隨著高科技的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)對(duì)顆粒和纖維增強(qiáng)體進(jìn)行了深度研究，加強(qiáng)了對(duì)鋁基、鈦基、鎂基和鎳基等金屬?gòu)?fù)合物的研究。顆粒狀增強(qiáng)物的復(fù)合物不僅在性能上得以提高，在研發(fā)階段也與國(guó)外研究共同進(jìn)步。根據(jù)鋁基復(fù)合材料的生產(chǎn)要求，我國(guó)研究了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性、膨脹能力、耐磨損性、耐疲勞性等，為鋁基復(fù)合物的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。在金屬基復(fù)合物的形成和復(fù)合技術(shù)的研發(fā)上，需要采用高精度鑄造、快速擠壓成型、超塑成型、快速攪拌成型等技術(shù)，使金屬基復(fù)合物的加工達(dá)到國(guó)內(nèi)外的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

3金屬基復(fù)合材料的發(fā)展

隨著我國(guó)社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，金屬基復(fù)合材料已經(jīng)擁有幾十年的歷史，無(wú)論是在復(fù)合制造中，還是在復(fù)合物使用方面，都已經(jīng)有了比較成熟的科技，尤其是在航空航天、汽車(chē)、武器等高端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，金屬基復(fù)合材料的生產(chǎn)有了質(zhì)的飛躍。但是在普通的小型工業(yè)發(fā)展中，金屬基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用還是比較緩慢。所以，如果想要加快金屬基復(fù)合材料的發(fā)展，拓寬金屬基復(fù)合物的應(yīng)用范圍，提高金屬基復(fù)合物的質(zhì)量，需要不斷針對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)。

（1）金屬基復(fù)合材料的制造成本較高、制作工藝比較復(fù)雜，部分小型企業(yè)無(wú)法承受制造金屬基復(fù)合材料的高昂費(fèi)用，只能選擇更具產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化的研究方法來(lái)制造新型復(fù)合材料，這樣不僅能降低成本，還能利用其他復(fù)合材料代替金屬基復(fù)合材料。雖然降低了成本，但運(yùn)用復(fù)合材料生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬基復(fù)合材料，因此，需要加強(qiáng)對(duì)金屬基復(fù)合材料的研發(fā)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬或合金。

（2）由于金屬基體和增強(qiáng)物質(zhì)之間存在潤(rùn)濕的問(wèn)題，金屬基內(nèi)部不能完全潤(rùn)濕，造成增強(qiáng)物質(zhì)在金屬基內(nèi)部分布不均勻，使金屬基復(fù)合物在制造時(shí)存在困難。因此，如何在降低成本的同時(shí)解決潤(rùn)濕問(wèn)題，是未來(lái)需要解決的問(wèn)題。

（3）由于溫度會(huì)影響金屬基復(fù)合材料與增強(qiáng)物質(zhì)之間的反應(yīng)，出現(xiàn)不同程度的金屬基體與相體的界面清晰現(xiàn)象，改變金屬基體的成分，使金屬基性能下降，甚至?xí)?dǎo)致金屬基復(fù)合材料復(fù)合失敗，應(yīng)控制整個(gè)加工過(guò)程的溫度。

（4）在金屬基復(fù)合材料制造過(guò)程中，增強(qiáng)物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象，造成金屬基復(fù)合物內(nèi)部分布不均勻。那么如何改善分布不均勻的問(wèn)題是現(xiàn)在需要解決的問(wèn)題之一。在研究過(guò)程中，可以采用離心鑄造法、快速攪拌法、原位復(fù)合法等，改善增強(qiáng)體物質(zhì)與金屬基體產(chǎn)生分離的現(xiàn)象。

通過(guò)解決以上問(wèn)題，能夠提高金屬基復(fù)合材料的質(zhì)量，使金屬基復(fù)合材料獲得更好的發(fā)展前景，促進(jìn)我國(guó)工業(yè)發(fā)展。

4結(jié)語(yǔ)

研究金屬基復(fù)合材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，金屬基復(fù)合材料不僅有較強(qiáng)的力學(xué)性能，還有較高的比強(qiáng)度和比剛度，能夠被廣泛應(yīng)用于航空航天的設(shè)備制造中。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，金屬基復(fù)合材料的種類(lèi)不斷增加，從傳統(tǒng)的單一金屬、陶瓷類(lèi)產(chǎn)品發(fā)展到金屬基復(fù)合材料，擴(kuò)大了金屬基復(fù)合材料的使用范圍，增強(qiáng)了金屬基復(fù)合材料的競(jìng)爭(zhēng)力。金屬基復(fù)合材料是一種新型工業(yè)產(chǎn)物，需不斷增加金屬基復(fù)合材料的種類(lèi)，改變金屬基復(fù)合物傳統(tǒng)的制造方法，將金屬基復(fù)合材料更多地應(yīng)用于汽車(chē)、機(jī)械、合金和建材等方面，不斷深入各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，根據(jù)不同金屬基復(fù)合材料選擇不同的增強(qiáng)物質(zhì)，能夠提高金屬基復(fù)合材料的性能，提升我國(guó)金屬基復(fù)合材料的質(zhì)量。62605759-557A-4ADE-BE17-7E9964D177DA