金屬基復(fù)合材料的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

1、金屬基復(fù)合材料界面的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢周奎（佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 佳木斯 154007） 摘要 本文介紹了目前金屬基復(fù)合材料界面的研究現(xiàn)狀，存在的問題及優(yōu)化的有效途徑。重點(diǎn)闡述了金屬基復(fù)合材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用情況。最后在綜述金屬基復(fù)合材料界面的研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,對學(xué)者未來研究呈現(xiàn)的趨勢進(jìn)行了簡述并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞 金屬基復(fù)合材料 界面特性 應(yīng)用 發(fā)展趨勢 The research progress of metal matrix composites interface and development trend ZHOU Kui (jiamusi unive

2、rsity school of materials science and engineering jiamusi 154007)Abstract：Interface of metal matrix composites are introduced in this paper the current research status, existing problems and the effective ways to optimize. Expounds the metal matrix composites and its application in various fields. F

3、inally in this paper the research progress and application of metal matrix composites interface status quo, on the basis of research for scholars in the future the trend of the present carried on the description and its development trend is prospected. Keywords: metal matrix composites application I

4、nterface features the development trend 1前言 金屬基復(fù)合材料(MMCS)是以金屬、合金或金屬間化合物為基體,含有增強(qiáng)成分的復(fù)合材料。 研究金屬基復(fù)合新材料是當(dāng)代新材料技術(shù)領(lǐng)域中的重要內(nèi)容之一。金屬基復(fù)合材料的品種繁多,有碳(石墨)、硼、碳化硅、氧化鋁等高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基、鎂基、欽基等復(fù)合材料,碳化硅晶須、碳化硅、氧化鋁顆粒、氧化鋁短纖維增強(qiáng)鋁基、鎂基復(fù)合材料,以及牡鎢絲增強(qiáng)超合金等高溫金屬基復(fù)合材料等.但它們的發(fā)展和應(yīng)用并不迅速。主要原因是存在界面問題,制備方法較復(fù)雜,成本高。學(xué)者們在金屬基復(fù)合材料的有效制備方法、金屬基體與增強(qiáng)體之間的界面反應(yīng)規(guī)律

5、、控制界面反應(yīng)的途徑、界面結(jié)構(gòu)、性能對材料性能的影響、界面結(jié)構(gòu)與制備工藝過程的關(guān)系等進(jìn)行了大量的研究工作,取得了許多重要成果,推動了金屬基復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用。但隨著金屬基復(fù)合材料要求的使用性能和制備技術(shù)的發(fā)展,界面問題仍然是金屬基復(fù)合材料研究發(fā)展中的重要研究方向。特別是界面精細(xì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、界面優(yōu)化設(shè)計、界面反應(yīng)的控制以及界面對性能的影響規(guī)律等。尚需結(jié)合材料類型、使用性能要求深入研究。2金屬基復(fù)合材料的界面隨著金屬基復(fù)合材料要求的使用性能和制備技術(shù)的發(fā)展,金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)研究乃是近年來研究重點(diǎn)之一,復(fù)合材料界面特性在很大程度上決定復(fù)合材料的性能。通過分析界面特性,可以發(fā)現(xiàn)和推出界面特性

6、與MMCS力學(xué)性能的內(nèi)在規(guī)律。一般來說,金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能很大程度上是由基體與增強(qiáng)相之間的界面結(jié)構(gòu)與屬性來決定的。2.1 金屬基復(fù)合材料界面存在的問題 金屬基體通常是合金,含有性質(zhì)不同的合金元素和相,熔化溫度較高.在凝固、冷卻、熱處理過程中還可能發(fā)生元素偏聚和擴(kuò)散、固溶、相變等.在高溫下元素化學(xué)活性增加,易與增強(qiáng)體發(fā)生不同程度的界面反應(yīng),形成各種界面結(jié)構(gòu).金屬基體與增強(qiáng)體物理、化學(xué)性質(zhì)又有較大差別。這些因素使金屬基復(fù)合材料的界面間題顯得十分復(fù)雜. 主要問題有:界面反應(yīng)及其控制途徑:界面反應(yīng)規(guī)律、界面反應(yīng)與制備工藝過程、界面反應(yīng)對界面結(jié)構(gòu)、界面性能增強(qiáng)體損傷的影響.控制界面反應(yīng)的有效途徑.

7、,界面結(jié)構(gòu)、性能對增強(qiáng)和斷裂以及導(dǎo)熱、導(dǎo)電性的影響。 界面結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料組分的關(guān)系:基體、增強(qiáng)體對應(yīng)的界面結(jié)構(gòu)特性,基體成分、相組成與界面微結(jié)構(gòu),增強(qiáng)體及表面涂層與界面微結(jié)構(gòu)及性能的關(guān)系。界面穩(wěn)定性:在不同環(huán)境(溫度、濕度、應(yīng)力狀態(tài)、化學(xué)等)條件下界面結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性,環(huán)境因素對界面結(jié)構(gòu)和特性的影響。界面的優(yōu)化設(shè)計和優(yōu)化界面的有效途徑:針對不同性能要求的界面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,最佳界面結(jié)構(gòu)的獲取途徑。 界面問題的研究解決需與所選擇的金屬基復(fù)合材料的類型、使用工況條件、制備過程密切結(jié)合,方能取得實際效果。2.2金屬基復(fù)合材料的界面反應(yīng) 金屬基復(fù)合材料的制備一般在高溫下進(jìn)行的，基體合金和增強(qiáng)體不可避

8、免地發(fā)生程度不同的界面反應(yīng)及元素擴(kuò)散、偏聚等.界面反應(yīng)程度決定了界面結(jié)構(gòu)和性能。2.2.1界面反應(yīng)的結(jié)果 有利的方面：促進(jìn)增強(qiáng)體與金屬液的浸潤，增強(qiáng)金屬基體與增強(qiáng)體的界面結(jié)合.提高界面結(jié)合強(qiáng)度.較嚴(yán)重的界面反應(yīng)將造成強(qiáng)界面結(jié)合.界面結(jié)合強(qiáng)度對復(fù)合材料內(nèi)殘余應(yīng)力、應(yīng)力分布、斷裂過程有重要的影響,直接影響復(fù)合材料的性能。界面反應(yīng)也可能形成各種類型的化合物,如AL4C3、AIBZ,A12MgO4、TIC等。 不利的方面：造成增強(qiáng)體損傷和改變基體成份，嚴(yán)重的界面反應(yīng)使高性能纖維損傷.如：石墨/鋁基復(fù)合材料嚴(yán)重?fù)p傷的石墨纖維表面形貌,被浸蝕的纖維的性能明顯下降.界面反應(yīng)還可能改變基體的成份,降低了基體的

9、性能。2.2.2界面反應(yīng)程度對形成合適界面結(jié)構(gòu)和性能的影響 可將它分為三類: 第一類一有利于基體與增強(qiáng)體浸潤、復(fù)合和形成最佳界面結(jié)合.如SIC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料.鋁基體中的Mg與SIC表面的SIO2作用適度時、可明顯改善了SICP與Al的浸潤性。這類界面反應(yīng)輕微,纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)體無損傷和性能下降,不生成大量界面反應(yīng)產(chǎn)物,界面結(jié)合強(qiáng)度適中.能有效傳遞載荷和阻止裂紋向增強(qiáng)體內(nèi)部擴(kuò)展.界面能起調(diào)節(jié)復(fù)合材料內(nèi)應(yīng)力分布的作用。 第二類一有界面反應(yīng)產(chǎn)物,增強(qiáng)體雖有損傷但性能不下降.形成強(qiáng)界面結(jié)合、在應(yīng)力作用下不發(fā)生界面脫粘,裂紋易向纖維等增強(qiáng)體內(nèi)部擴(kuò)展,呈現(xiàn)脆性破壞.結(jié)果造成纖維增強(qiáng)金屬的低應(yīng)力

10、破壞。但對晶須、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料,這類反應(yīng)則是有利的. 第三類一嚴(yán)重界面反應(yīng).有大量反應(yīng)產(chǎn)物,形成聚集的脆性相和脆性層,造成增強(qiáng)體嚴(yán)重?fù)p傷和基體成份改變,強(qiáng)度下降.同時形成強(qiáng)界面結(jié)合.復(fù)合材料的性能急劇下降,甚至低于基體性能這類反應(yīng)必須避免。 對于制備高性能金屬基復(fù)合材料、控制界面反應(yīng)程度到形成合適的界面結(jié)合強(qiáng)度極為重要.即使界面反應(yīng)未造成增強(qiáng)體的損傷和形成明顯的界面脆性相,只造成強(qiáng)界面結(jié)合也是十分有害的,這對連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料尤為重要.2.3金屬基復(fù)合材料界面特性對性能的影響 在金屬基復(fù)合材料中，界面對材料內(nèi)載荷的傳遞，微區(qū)應(yīng)力和應(yīng)變分析以及導(dǎo)電，導(dǎo)熱等有著極為重要的作用和影響。界面結(jié)合強(qiáng)

11、度、界面脆性相以及界面區(qū)的微結(jié)構(gòu)對材料的宏觀性能起著重要的作用.界面脫粘可有效地調(diào)節(jié)材料內(nèi)應(yīng)力分布,減緩裂紋端部的應(yīng)力集中,阻止裂紋向纖維內(nèi)部擴(kuò)展,使每根纖維承載均勻、充分發(fā)揮出纖維的性能，適中的界面結(jié)合具有最高的抗拉、抗彎、沖擊強(qiáng)度。2.4界面的優(yōu)化和有效控制途徑 改善基體與增強(qiáng)體的浸潤性、控制界面反應(yīng)以形成最佳的界面結(jié)構(gòu)是金屬基復(fù)合材料生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問題.界面優(yōu)化的目標(biāo)是形成可有效傳遞載荷、能調(diào)節(jié)應(yīng)力分布、阻止裂紋擴(kuò)展、穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu).途徑主要有纖維等增強(qiáng)體的表面涂層處理、金屬基體合金化。2.4.1纖維顆粒等增強(qiáng)體的表面涂層處理 增強(qiáng)體的表面改性及涂層處理可以有效地改善浸潤性和阻止過度的界

12、面反應(yīng)。特別是用化學(xué)氣相沉積法,能獲得界面結(jié)構(gòu)最佳的梯度復(fù)合涂層可制備出高性能的碳/鋁、硼/鋁、碳化硅/欽等復(fù)合材料。SIC顆粒的氧化處理是一種經(jīng)濟(jì)又有效的增強(qiáng)體表面處理方法.合適的氧化處理可以獲得連續(xù)致密的SIO2層.明顯改善SICP與Al基體的浸潤性,它與鋁合金中的Mg元素作用形成顆粒界面層，可獲得高性能SICP/Al復(fù)合材料。2.4.2金屬基體合金化 在液態(tài)基體中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪?是改善基體熔體與增強(qiáng)體的浸潤性、阻止有害的界面反應(yīng)、形成穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)的一種有效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化界面及控制界面反應(yīng)的方法.例如在硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料加入某些稀有元素,可有效阻止鋁合金中M只與ABO晶須的界面

13、反應(yīng),獲得高性能材料.現(xiàn)有的基體多數(shù)是選用現(xiàn)成的金屬合金,由于復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制與合金的強(qiáng)化機(jī)制不同,合金中形成時效強(qiáng)化相的合金元素對界面結(jié)構(gòu)有影響,有些是有害的，如Cu,鋁合金中的強(qiáng)化相CuAI2易在增強(qiáng)纖維之間形成連接纖維的脆性相,引起脆性破壞.現(xiàn)有的金屬合金是否適于作為金屬基復(fù)合材料的基體、需認(rèn)真考慮。3金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用 金屬基復(fù)合材料自進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用發(fā)展階段以來，逐步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。它具有良好的綜合性能，例如：高比強(qiáng)度、比模量 導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能 熱膨脹系數(shù)小,尺寸穩(wěn)定性好 良好的高溫性能 耐磨性好 良好的疲勞性能和斷裂韌性 不吸潮、不老化、氣密性好等。由于金屬基復(fù)合材料具有這些良好的綜合

14、性能而賦予它在各個領(lǐng)域都有應(yīng)用。3.1MMCS在陸上運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用 隨著能源和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻,世界各國實行越來越嚴(yán)格的燃油效率標(biāo)準(zhǔn)和尾氣排放標(biāo)準(zhǔn),這迫使各汽車生產(chǎn)商采用輕質(zhì)的MMCS取代目前的鑄鐵和鋼,實現(xiàn)汽車輕量化的目的。 在汽車工業(yè)中,金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用對于提高汽車零部件的使用性能已發(fā)揮了重要作用。本田公司研制了一種不銹鋼長纖維增強(qiáng)的鋁合金汽車發(fā)動機(jī)連桿,較之鍛鋼連桿,其剛度高、耐疲勞性好,而且其往復(fù)運(yùn)動件質(zhì)量減小27%,使得發(fā)動機(jī)摩擦力降低。汽車采用鋁基MMCS剎車盤(如圖1所示)，例如通用在2000年發(fā)布的混合動力車Precept前后輪均裝配采用Alan公司鋁基MMCS制造的通風(fēng)式

15、剎車盤,該剎車盤質(zhì)量不到原來鑄鐵剎車盤的一半。 圖 1 SICP/Al復(fù)合材料剎車盤 世界范圍內(nèi),建設(shè)了許多高速鐵路和列車。其中德國ICE(Inter City Express)列車尤其以第一次應(yīng)用MMCS剎車盤而著稱。優(yōu)點(diǎn)就是帶來重大的減重效益。3.2MMCS電子及光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 21世紀(jì)將是以信息為主的時代，信息技術(shù)領(lǐng)域中的一個趨勢。是集成度不斷提高的集成電路。而制約集成度提高的關(guān)鍵因素是散熱問題。由于鋁基復(fù)合材料具有密度低熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)。因此適用于制造電子器材的襯裝材料，散熱片，基板等電子部件及旋轉(zhuǎn)掃描鏡，激光鏡，反射鏡，鏡子底座等許多電子光學(xué)儀器。尤其是碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁

16、基復(fù)合材料物理性能優(yōu)良，制造工藝技術(shù)較為成熟。價格相對較低，得到了較為廣泛的應(yīng)用。以鋁碳化硅(ALSIC)MMCS為代表的第二代熱管理材料,為電子封裝提供了高度可靠且成本經(jīng)濟(jì)的熱管理解決方案。ALSIC主要用作微處理器蓋板/熱沉、倒裝焊蓋板、微波及光電器件外殼/基座、高功率襯底、IGBT基板、柱狀散熱鰭片等。其中,無線通訊與雷達(dá)系統(tǒng)中的射頻與微波器件封裝構(gòu)成ALSIC目前最大的應(yīng)用領(lǐng)域,其第二大應(yīng)用領(lǐng)域則是高端微處理器的各種熱管理組件,包括功率放大器熱沉、集成電路熱沉、印刷電路板芯板和冷卻板、芯片載體、散熱器、整流器封裝等(如圖圖2、圖3所示)。 圖 2微處理器蓋板 圖3 光電封裝基座 再如，

17、碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料導(dǎo)熱性好，尺寸性能穩(wěn)定，以其制成的衛(wèi)星拋物面天線骨架不僅能夠達(dá)到減重效果，還可使衛(wèi)星天線的增益效率提高4倍。3.3MMCS在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用MMCS最初發(fā)展的原動力來自于航空工業(yè)領(lǐng)域。先進(jìn)的航空機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，火箭發(fā)動機(jī)，空間核動力系統(tǒng)和宇航用電子器件必須使用高溫下具有高強(qiáng)度和剛性的金屬基復(fù)合材料。目前已用于軍機(jī)和民機(jī)的MMCS主要是鋁基和鈦基復(fù)合材料。例如，美國航夭飛機(jī)的支桿是用連續(xù)硼纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料制造的,哈勃望遠(yuǎn)鏡罩是用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造的（如圖7所示）。復(fù)合材料制造的飛機(jī)翼板可比傳統(tǒng)的飛機(jī)翼板減重20%一40%。目前,航空航天工業(yè)中正在大力開發(fā)用于

18、噴氣發(fā)動機(jī)的高溫金屬基復(fù)合材料和用于飛機(jī)構(gòu)架的金屬基復(fù)合材料（如圖3、圖4所示）。美國采用高體積分?jǐn)?shù)SICP/AI復(fù)合材料用于-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)印刷電路板芯板,電子元件基座及外殼等。不僅實現(xiàn)了減重效果，同時還使電子模板的工作溫度降低。地球軌道全球移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)也開始使用碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料印刷電路板芯。 圖 3航天飛機(jī)軌道器中B/AL復(fù)合材料 圖4哈勃望遠(yuǎn)鏡CR/鋁基復(fù)合材料懸架 圖 5 哈勃望遠(yuǎn)鏡整體結(jié)構(gòu)1998年,鈦基復(fù)合材料進(jìn)入航空市場, 以鈦基MMCS接力器活塞的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)用在由洛克希德/波音聯(lián)合研制的-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動機(jī)上為它提供動力。3.4MMCS在其它領(lǐng)域的應(yīng)用 MMCS的其它應(yīng)用涵蓋制造業(yè)、體育休閑及基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域,既包括硬質(zhì)合金、電鍍及燒結(jié)金剛石工具、Cu基及Ag基電觸頭材料等成熟市場,也包括TIC增強(qiáng)鐵基耐磨材料、SAFFIL纖維增強(qiáng)鋁基輸電線纜（如圖6所示）、B4C增強(qiáng)鋁基中子吸收材料等新興市場。這些新興市場的表現(xiàn)