金属基复合材料的研究现状及未来展望
杨乐
（太原工业学院 材料工程系，山西 太原 030008）
摘要：金属基复合材料是以金属或合金为基体，以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。通过合理的设计和复合工艺，使之兼有金属良好的塑韧性和加工性能以及增强体的高比强、比刚，更好的导热性、耐磨性以及尺寸稳定性等优点。本文介绍了金属基复合材料的实验制备方法及结果，讨论了其分类和性能特点，阐述了其应用和发展趋势。
关键词：金属基复合材料、实验制备、性能特点、应用、发展趋势
Abstract：Metal matrix composite material is a compositematerial with metal or alloy as the matrix and fiber,whisker and particle as the reinforcement. Throughreasonable design and composite process, it has the advantages of good ductility and processing performance of metal, high specific strength of reinforcement, better thermal conductivity, wear resistance and dimensional stability. This paper introduces the experimental preparation methods andresults of metal matrix composites, discusses theirclassification and performance characteristics, andexpounds their application and development trend.
Key words: 0 metal matrix composites, experimental preparation, performance characteristics, application, development trend
1引言
近些年来，由于一些高新技术的兴起，一些传统材料已无法满足多种产业对其比强度、比刚度等性能的要求。复合材料的出现在较大程度上解决了材料所面临的问题，促进了材料的发展【1】。由于金属基复合材料具备较高的比强度和比刚度，金属基复合材料的研究和发展受到了众多行业尤其是重工业的密切关注，然而加工困难是限制其工业应用的瓶颈问题【2】，成本控制问题也并没有得到完全解决，所以更多应用于航空航天、军事科技等尖端科技领域。
2金属基复合材料分类及性能特点
2.1按照基体和增强体的不同，金属基复合材料可按照如下分类
按基体材料分为：黑色金属基(钢、铁)、有色金属基(铝基、锌基、镁基、铜基、钛基、镍基)、耐热金属基、金属间化合物基复合材料等。增强体分为：连续纤维增强金属基复合材料；非连续增强金属基复合材料(颗粒、短纤维、晶须增强金属基复合材料)；混杂增强金属复合材料、层板金属基复合材料；自生增强金属基复合材料(包括反应、定向凝固、大变形等途径自生颗粒、晶须、纤维状增强体)等。
2.2性能特点
高比强度和高比模量，良好导热和导电性，热膨胀系数小，尺寸稳定性好；良好的高温性能；耐磨性好；良好的疲劳性能和断裂韧性；不吸潮、不老化、气密性好。
3实验
近年来，研究者们通过研究金属基体与增强体之间界面反应的规律、控制界面反应的方法等开发出了多种有效制备金属基复合材料的方法，大大推动金属基复合材料的发展和应用【4】【5】。目前，金属基复合材料的制备方法根据增强相产生的方式不同可分为固态法、液态金属法、其他工艺制备法。这里我们主要展示固态法中的粉末冶金法实验。
3.1原材料
金属基体；增强体粉末，常用粉末冶金材料有粉末冶金减摩材料、粉末冶金多孔材料、粉末冶金结构材料、粉末冶金模具材料、粉末冶金电磁材料、粉末冶金高温材料。
3.2实验过程
粉末冶金法制备复合材料是指将金属基体与增强体粉末混合均匀后压制成型，在低于金属液相线温度下进行烧结，利用原子扩散使金属基体与增强体粉末结合在一起的制备复合材料的方法【6】。粉末冶金法制备复合材料一般包括筛选粉末，基体粉末与增强颗粒混合、粉末预压、热压、二次加工这几个步骤【7】。粉末冶金法常见的二次加工方法有挤压，轧制等，二次加工可实现对制件的致密化处理并达到最终成型的目的。
3.3结果与讨论
增强材料(短切纤维、颗粒或晶须)与基体可以任何比例混合短切纤维含量最高可达75%，颗粒含量可达50%以上。金属基复合材料可通过传统的金属加工方法进行二次加工，得到所需形状的复合材料构件毛坯。
粉末冶金法的优点有（1）热等静压或烧结温度低于金属熔点，界面反应少，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。（2）通过热等静压或烧结温度、压力和时间等参数控制界面反应。粉末冶金法的缺点有（1）金属基体必须制成粉末，增加了工艺的复杂性和成本;（2）在制备铝基、镁基复合材料时，还要防止粉末引起的爆炸。
3.3结论
随着粉末冶金的发展，利用此方法制备金属基复合材料逐渐成为一种成熟技术，其原料选择范围广，增强颗粒添加量范围大的特点更有利于制备出不同金属基体或不同增强相体积分数的金属基复合材料，因而受到广泛关注。据统计，目前在所有生产金属基复合材料的公司中，29%采用了粉末冶金工艺;而应用于航空航天及国防建设领域的金属基复合材料，57%都是采用粉末冶金法制备的;汽车制造及微电子领域采用粉末冶金法制造的复合材料分别占总数31 %及43%。
4应用和发展趋势
4.1铝基MMC的应用：
在汽车领域的应用：日本丰田公司成功地用Al基复合材料制备了发动机活塞与原来铸铁发动机活塞相比，重量减轻了5~10%，导热性提高了4倍；在航空航天领域的应用：Cercast公司研制了20%VolSiC+Al复合材料，代替钛合金制造飞机摄像镜方向架，成本和重量明显降低，还可用来制造卫星反动轮和方向架的支撑架；在电子和光学仪器中的应用：在精密仪器和光学仪器，铝基复合材料用于制造望远镜的支架和副镜等部件；在体育用品上的应用：铝基复合材料代替木材及金属材料制造球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆和滑雪板等。
4.2钛基TMC的应用：
美国SiC红维增强TMC用于航天飞机机翼、机身蒙皮、支撑梁及加强筋；导弹尾翼、汽车发动机气门阀、连杆等
4.3镁基MMC的应用：
汽车制造:方向盘减震轴、活塞环、支架、变速箱、壳等；通讯电子:手机、便携式电脑等的外壳；机械工业：SiC晶须增强镁基MMC用于制造齿轮；SiC颗粒增强镁基MMC耐磨性好可用于制造油泵的壳体、止推板、安全阀等。
4.4镍基MMC的应用前景：
镍基MMC的耐高温性能好，在航空航天及工业燃气涡轮发动机部件等领域具有广阔的应用前景。但由于制备难度大,目前大都处于实验室研究阶段。
参考文献
胥锴，刘政，刘萍.金属基复合材料的发展及其应用[J].南方金属，2005(6):1-6.
蔡艳芝，殷小玮，尹洪峰，等.碳纤维增强复合刹车材料的基体改性[J]. 兵器材料科学与工程，2012，35(5):13-18
王燕，朱晓林，朱宇宏，姚强.金属基复合材料概述.江苏省产品质量监督检验研究院，2013
刘建华，沈胜利.颗粒增强金属基复合材料制备工艺的综述[J]. 热加工工艺2011，
赵鹏鹏，谭建波.金属基复合材料制备方法几发展现状.河北科技大学材料科学与工程学院.2017
张发云，闫洪，周天瑞，等.金属基复合材料制备工艺的研究进展[J]. 锻压技术2006，31(6):100-105..
刘彦强，樊建中，桑吉梅，等.粉末冶金法制备金属基复合材料的研究及应用[J]. 材料导报，2010，24(12):18-23.
