金属基复合材料的研究现状.ppt
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1、金属基复合材料的研金属基复合材料的研究现状与发展究现状与发展材料学院耿浩然 复复 合合 材材 料料 一一 词词 出出 现现 在在 2020世世 纪纪 5050年年 代代。RichardsonRichardson在在 所所 著著 的的 polymerpolymer EngineeringEngineeringcompositescomposites书书中中定定义义:复复合合材材料料是是不不同同的的材材料料结结合合在在一一起起、形形成成一一种种结结构构较较为为复复杂杂的的材材料料。这这种种材材料料的的组组成成成成分分应应保保持持同同一一性性,在在性性能能上上必必须须有重要的改进或不同于原组成成分的
2、性质。有重要的改进或不同于原组成成分的性质。中国复合材料学科的开拓者胡振渭教授曾对复合材料做过较为简明的定义:“复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同形态的原材料,通过复合工艺组合而成的材料,它既保持了原组分材料的主要特点,又具备了原组分材料所没有的新性能的一种多相材料”。基本概念 上上述述所所列列的的学学者者对对复复合合材材料料的的定定义义,尽尽管管从从材材料料的的组组成成与与性性质质上上进进行行了了较较为为科科学学和和全全面面的的描描述述,但但都都忽略了作为复合材料的重要特点忽略了作为复合材料的重要特点可设计性。可设计性。师师昌昌绪绪院院士士主主编编的的材材料料大大辞辞典典对对复复合合材
3、材料料给给出出了了较较全全面面完完整整的的定定义义:“复复合合材材料料是是由由有有机机高高分分子子、无无机机非非金金属属和和金金属属等等几几类类不不同同材材料料通通过过复复合合工工艺艺组组合合而而成成的的新新型型材材料料,它它既既能能保保留留原原组组分分材材料料的的主主要要特特色色,又又通通过过复复合合效效应应获获得得原原组组分分所所不不具具备备的的性性能能。可可以以通通过过材材料料设设计计使使各各组组分分的的性性能能互互相相补补充充并并彼彼此此关关联联,从从而而获获得得新新的的优优越越性性能能,与与一一般般材材料的混合有本质的区别料的混合有本质的区别”。近近代代复复合合材材料料的的发发展展从
4、从基基体体上上来来看看,首首先先发发展展的的是是软软基基体体,然然后后逐逐渐渐发发展展较较硬硬和和硬硬的的基基体体,即即从从树树脂脂到到金金属属到到陶陶瓷瓷基基体体。现现代代复复合合材材料料形形成成了了树树脂脂基基复复合合材材料料、金金属属基基复复合合材材料料和和陶陶瓷瓷基基复复合材料三大类。合材料三大类。金金属属基基复复合合材材料料(简简称称MMCMMC)的的性性能能既既优优于于金金属属材材料料,也也优优于于树树脂脂基基复复合合材材料料。它它既既有有金金属属的的性性能能,也也有有树树脂脂基基无无法法达达到到的的使使用用温温度度高高、剪剪切切强强度度高高、阻阻燃燃、不不老老化化、不不吸吸潮潮、
5、不不放放气气、耐耐磨磨损损、导导电电、导导热热等等金金属属属属性性,在在一一些些工工业业领领域域中有广泛的应用前景。中有广泛的应用前景。金金属属基基复复合合材材料料起起步步于于6060年年代代初初期期。当当时时由由于于受受到到增增强强纤纤维维品品种种少少的的限限制制,仅仅发发展展了了硼硼纤纤维维增增强强铝铝、钛钛等等少少量量品品种种。多多沿沿用用树树脂脂基基复复合合材材料料的的成成型型方方法法,如如铺铺层层工工艺艺和和缠缠绕绕工工艺艺。生生产产的的复复合合材材料料,价价格格高高昂昂(如如硼硼-铅铅复复合合材材料料的的价价格格约约为为热热轧轧钢钢的的18601860倍倍),仅仅限限于于用用在在航
6、空航天上。航空航天上。8080年年代代中中期期,长长纤纤维维增增强强、短短纤纤维维增增强强、晶晶须须增增强强、颗颗粒粒增增强强金金属属基基复复合合材材料料开开始始多多种种增增强强材材料料(硼硼、碳碳、碳碳化化硅硅、碳碳化化钛钛、硼硼化化钛钛、氧氧化化铝铝等等)、多多种种基基体体材材料料(钢钢、铝铝、钛钛、镁镁、锌等)、多种复合方法较为全面的发展。锌等)、多种复合方法较为全面的发展。金属基复合材料制造技术 金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于材料的制备技术,因此研究和发展有效的制备技术是金属基复合材料研究中最重要的问题之一。冶金工业中现有的常规技术如粉末冶金、铸造、塑性成型等被用
7、来制造金属基复合材料,但鉴于材料本身的特殊性质和对材料的要求,不同类型的金属基复合材料在其制造技术上存在着很大的差别,有各自的难点,需根据不同情况采用不同措施加以解决。对制造技术的要求 为为得得到到性性能能良良好好、成成本本低低廉廉的的金金属属基基复复合合材材料料,制制造技术应满足以下要求:造技术应满足以下要求:1.1.增增强强材材料料以以设设计计的的体体积积分分数数和和排排列列均均匀匀地地分分布布于于基体中;基体中;2.2.尽尽量量不不使使增增强强材材料料和和金金属属基基体体原原有有性性能能下下降降,特特别别是是不不能能对对高高性性能能增增强强材材料料造造成成损损伤伤,应应使使增增强强材材料
8、料和金属的优良性能得以叠加和互补;和金属的优良性能得以叠加和互补;3.3.尽尽量量避避免免增增强强材材料料和和金金属属基基体体之之间间发发生生不不利利的的化化学学反反应应,应应得得到到合合适适的的界界面面结结构构和和性性能能,充充分分发发挥挥增增强强材料的增强效果;材料的增强效果;4.4.工工艺艺简简单单易易行行,适适于于批批量量生生产产,增增强强材材料料价价格格低低,尽可能直接制成接近最终形状和尺寸的零件。尽可能直接制成接近最终形状和尺寸的零件。金属基复合材料制造的难点及解决途径 与与树树脂脂基基复复合合材材料料相相比比,由由于于金金属属固固有有的的物物理理、化化学学特特性性,使使金金属属基
9、基复复合合材材料料在在制制造造上上存存在在一一些些技技术上的困难,需要采取特殊的措施解决:术上的困难,需要采取特殊的措施解决:1.1.为了保证金属基体有足够的流动性,使之充为了保证金属基体有足够的流动性,使之充分渗透到增强材料之间的间隙中并与之复合,需要分渗透到增强材料之间的间隙中并与之复合,需要高的制造温度(高于或接近基体的熔点),在高温高的制造温度(高于或接近基体的熔点),在高温下增强材料与基体容易发生界面反应,但也可能氧下增强材料与基体容易发生界面反应,但也可能氧化,产生有害的反应。例如,在远低于熔点的温度化,产生有害的反应。例如,在远低于熔点的温度下铝与碳生成下铝与碳生成AlAl4 4
10、C C3 3、与硼生成与硼生成AlBAlB2 2、钛与碳化硅生钛与碳化硅生成成TiCTiC、TiTi5 5SiSi3 3或或TiSiTiSi2 2。这些反应造成增强材料的损这些反应造成增强材料的损伤,容易造成过强的界面结合。伤,容易造成过强的界面结合。在纤维增强金属基复合材料中适当的界面结合在纤维增强金属基复合材料中适当的界面结合强度是材料具有最高性能的保证,此时界面既强度是材料具有最高性能的保证,此时界面既能有效地传递载荷,又能有效地阻止裂纹的扩能有效地传递载荷,又能有效地阻止裂纹的扩展,充分发挥纤维的作用。展,充分发挥纤维的作用。过强的界面结合可能使材料发生早期的低过强的界面结合可能使材料
11、发生早期的低应力破坏,反应产物呈脆性,在应力作用下往应力破坏,反应产物呈脆性,在应力作用下往往首先断裂,成为裂纹源,引起复合材料的整往首先断裂,成为裂纹源,引起复合材料的整体破坏。体破坏。有些反应产物本身不稳定,容易分解造成有些反应产物本身不稳定,容易分解造成界面分离。如界面分离。如AlAl4 4C C3 3,与水接触时发生水解生成与水接触时发生水解生成甲烷,严重时使复合材料解体。因此必须尽量甲烷,严重时使复合材料解体。因此必须尽量控制界面脆性相的生成。控制界面脆性相的生成。2.金属基体与增强材料之间浸润性差。增强材料与基体之间应具有很好的润湿性(即接触角小于90),基体才能均匀覆盖于增强材料
12、表面和渗入到增强材料的间隙之间,因此,这是得到性能良好的复合材料的前提。绝大多数有前景的金属基复合材料体系中,如碳-铝、碳-镁、碳化硅-铝、氧化铝-镁等,基体与增强材料之间的浸润性都很差,必须采取技术措施加以改善。3.将增强材料按设计要求均匀分布于基体中是金属基复合材料制造时的另一困难,增强材料种类很多,应该针对各自的特点,使用合适的方法将其均匀分布于基体中。主要途径:(1)增强材料表面处理 增强材料表面覆以合适的涂层是防止和抑制界面反应,获得合适的界面结构和结合强度、改善增强材料和基体之间润湿性的有效途径,这些涂层可以是阻挡层,也可以是牺牲层,应能抑制界面反应及改善润湿性的作用。(2)加入合
13、金元素、优化基体成分 合金元素的加入除能改善液态金属与固态增强材料之间的润湿性,防止或减缓界面反应外,应能保持基体原有强度和韧性,优化界面结构。这些元素或者是表面活性物质,富集于界面上,改善了基体对增强材料的润湿性,同时形成扩散挡层;或者是它们能优先与增强材料发生化学反应,既改善了润湿性,又起扩散阻挡层作用。与增强材料表面处理相比,添加合金元素是更方便、经济的途径。(3)优化工艺参数和工艺方法 金金属属基基复复合合材材料料制制备备最最重重要要的的参参数数是是温温度度,控控制制适适当当的的温温度度,或或温温度度虽虽然然较较高高,但但尽尽量量缩缩短短基基体体与与增增强强材材料料在在高高温温下下接接
14、触触的的时时间间都都能能将将界界面面反反应应减减少少到到最最低低程程度度。温温度度较较低低时时基基体体对对增增强强材材料料的润湿性问题可由提高工作压力得到解决。的润湿性问题可由提高工作压力得到解决。用用扩扩散散粘粘接接法法制制备备硼硼-铝铝复复合合材材料料时时控控制制较较低低的的温温度度和和较较短短的的时时间间、适适当当提提高高压压力力是是优优化化工工艺艺参数的典型例子。参数的典型例子。采采用用真真空空-压压力力铸铸造造和和挤挤压压是是优优化化工工艺艺方方法法的的另另一一典典型型例例子子。采采取取这这些些措措施施往往往往不不必必对对增增强强材材料料进进行行预预处处理理便便可可解解决决润润湿湿性
15、性和和防防止止过过分分界界面面反反应的问题。应的问题。金属基复合材料制造方法的分类 金金属属基基复复合合材材料料应应根根据据基基体体金金属属的的物物理理、化化学学性性质质和和增增强强材材料料的的几几何何形形状状、物物理理、化化学学性性质质选选用用不不同同的的制制造造方方法法。方方法法分分固固态态法法、液液态态法法、其它法三大类:其它法三大类:1.1.固态法固态法 固态法是指基体处于固态来制备金属基复合固态法是指基体处于固态来制备金属基复合材料的方法。在时为了复合得更好,希望有少量材料的方法。在时为了复合得更好,希望有少量液相存在,也即温度控制在基体合金的液相线和液相存在,也即温度控制在基体合金
16、的液相线和固相线之间。由于整个过程处于较低温度,因此固相线之间。由于整个过程处于较低温度,因此金属基体与增强材料之间的界面反应不严重。金属基体与增强材料之间的界面反应不严重。固态法包括粉末冶金法、热压法、热等静压固态法包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法等。法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法等。优点和缺点:优点和缺点:在基体合金中颗粒(晶须)可达到较在基体合金中颗粒(晶须)可达到较高的含量,尺寸也可以在较大范围内变化,产品的高的含量,尺寸也可以在较大范围内变化,产品的组织均匀致密,无缩孔、气孔等缺陷,形状、尺寸组织均匀致密,无缩孔、气孔等缺陷,形状、尺寸精确、
17、性能均匀。但设备投资大、工艺周期长、材精确、性能均匀。但设备投资大、工艺周期长、材料的成本较高,制造大尺寸的零件和坯料有一定困料的成本较高,制造大尺寸的零件和坯料有一定困难。难。2.2.液态法液态法 液态法是指基体金属处于熔融状态下与固态的液态法是指基体金属处于熔融状态下与固态的增强材料复合在一起的方法。增强材料复合在一起的方法。为了改善液态金属基体对固态增强材料的润湿为了改善液态金属基体对固态增强材料的润湿性,以及控制高温下增强材料与基体之间的界面反性,以及控制高温下增强材料与基体之间的界面反应,可以采用加压浸渗、增强材料的表面(涂覆)应,可以采用加压浸渗、增强材料的表面(涂覆)活性处理、基
18、体中添加合金元素等措施。活性处理、基体中添加合金元素等措施。真空压力浸渍法、挤压铸造法、搅拌铸造法、真空压力浸渍法、挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法等属于液态法。液态金属浸渍法、共喷沉积法等属于液态法。Si3N4网络结构陶瓷骨架及其复合材料SEM形貌 是液态金属搅拌铸造法。该法是一种适合于工业规是液态金属搅拌铸造法。该法是一种适合于工业规模生产颗粒增强金属基复合材料的主要方法,工艺模生产颗粒增强金属基复合材料的主要方法,工艺过程简单,生产效率高,制造成本低廉,适于多种过程简单,生产效率高,制造成本低廉,适于多种基体和颗粒。基体和颗粒。基本原理基本原理是将颗粒直接加入到基体金是
19、将颗粒直接加入到基体金属熔体中,通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散属熔体中,通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属熔体中并与之复合,然后浇注成锭坯铸件。在金属熔体中并与之复合,然后浇注成锭坯铸件。该法制造颗粒增强金属基复合材料存在的该法制造颗粒增强金属基复合材料存在的主要主要困难困难:(:(1 1)为了提高增强效果要求加入尺寸细小为了提高增强效果要求加入尺寸细小的颗粒,目前一般在的颗粒,目前一般在10301030 mm之间,陶瓷颗粒与金之间,陶瓷颗粒与金属熔体的润湿性差,不易进入和均匀分散在金属熔属熔体的润湿性差,不易进入和均匀分散在金属熔体中,易产生团聚;(体中,易产生团聚;(2 2)强烈
20、地搅拌易造成金属强烈地搅拌易造成金属熔体的氧化和大量吸入空气。熔体的氧化和大量吸入空气。因此必须采取有效的措施来改善金属熔体对颗因此必须采取有效的措施来改善金属熔体对颗粒的润湿性,防止金属的氧化和吸气。粒的润湿性,防止金属的氧化和吸气。SiC颗粒增强镁基复合材料SiC颗粒在铝基体中的分布SiC晶须在铝基体中的分布3其它制造方法 (1)物理气相沉积法和化学气相沉积法 它们都以某种材料气相沉积到增强体表面上,形成与基体润湿性、相容性和结合性均好的沉积层,进而获得复合材料的方法。优点:能制得增强相与基体润湿性好、结合性好的复合材料,但需要比较复杂的设备,生产效率低,比较适合生产长纤维增强的复合材料,
21、生产其它形式增强相的复合材料难度较大。(2 2)电镀、化学镀和复合镀)电镀、化学镀和复合镀 利用电化学、氧化还原等原理在增强相(主要利用电化学、氧化还原等原理在增强相(主要纤维)获得一层改善增强相与基体润湿性和结合纤维)获得一层改善增强相与基体润湿性和结合性的沉积层,从而制备复合材料的方法。性的沉积层,从而制备复合材料的方法。缺点是工艺复杂,生产效率低,成本高,在实际缺点是工艺复杂,生产效率低,成本高,在实际生产中受到限制。生产中受到限制。(3 3)原位生成法)原位生成法 原位复合的概念原于原位结晶。原位原位复合的概念原于原位结晶。原位MMCMMC及及其制备技术已成为材料科学工作者普遍关注的研
22、其制备技术已成为材料科学工作者普遍关注的研究课题。究课题。根据参与合成增强体的两反应组分存在的状根据参与合成增强体的两反应组分存在的状态不同,可将该技术分为气态不同,可将该技术分为气液、固液、固液、液液、液液和固液和固固等各种相应模式。固等各种相应模式。气气-液反应法液反应法a.VLSa.VLS法法 这这种种方方法法由由M.J.KoczakM.J.Koczak等等人人发发明明。其其工工艺艺是是将将含含有有C C或或N N的的气气体体通通入入高高温温合合金金液液中中,使使气气体体中中的的C C或或N N与与合合金金液液中中的的个个别别组组分分反反应应,在在合合金金基基体体中中形形成成稳稳定定的的
23、高高硬硬度度、高高弹弹性性模模量量的的碳碳化化物物或或氮氮化化物物,冷冷却却凝凝固固后后即即获获得得这这种种陶陶瓷瓷颗颗粒粒增增强强的的金金属属基基复复合合材料。该工艺一般包括如下两个过程:材料。该工艺一般包括如下两个过程:(a a)气体的分解,如气体的分解,如CHCH4 4(g g)CC(s s)+2H+2H2 2(g)(g)(b)(b)气体与合金的化学反应及增强颗粒的形成,如气体与合金的化学反应及增强颗粒的形成,如 C C(s s)+Al-Ti(1)Al+Al-Ti(1)Al(1 1)+TiC(sTiC(s)N N2 2(g)+Al-Ti(1)Al(g)+Al-Ti(1)Al(1 1)+T
24、iN(s)+AlN(sTiN(s)+AlN(s)b.b.LanxideLanxide法法 美美国国LanxideLanxide公公司司开开发发的的LanxideLanxide法法利利用用了了上上述述气气液液反反应应的的原原理理,它它由由金金属属直直接接氧氧化化法法(DL-DL-MOXTMMOXTM)和和金金属属无无压压浸浸渗渗法法(PRLMEXTMPRLMEXTM)两两者者组成:组成:(a a)DLMOXTMDLMOXTM法法 让让高高温温金金属属液液(如如AlAl、TiTi、ZrZr等等)暴暴露露于于空空气气中中,使使其其表表面面首首先先氧氧化化生生成成一一层层氧氧化化膜膜(如如AlAl2
25、2O O3 3、TiOTiO2 2、ZrOZrO2 2等等),里里层层金金属属再再通通过过氧氧化化层层逐逐渐渐向向表表层层扩扩散散,暴暴露露空空气气中中后后又又被被氧氧化化,如如此此反反复复,最最终终形形成成金金属属氧氧化化物物增增强强的的MMCMMC或或金金属属增增韧韧的的陶陶瓷基复合材料(瓷基复合材料(CMCCMC)。)。(b)PRLMEXTM法 在在此此工工艺艺中中,同同时时发发生生两两个个过过程程:(1 1)液液态态金金属属在在环环境境气气氛氛的的作作用用下下向向陶陶瓷瓷预预制制件件中中的的渗渗透透;(2 2)液液态态金金属属与与周周围围气气体体的的反反应应而而生生成成新新的的增增强强
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