金属基复合材料的现状与展望_几种金属基复合材料
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金属基复合材料的现状与
展望
学院：萍乡学院 专业：无机非金属材料 学号：13461001 姓名：蒋家桐
摘 要 综述了金属基复合材料的进展情况,重点阐述了颗粒增强金属基复合材料和金属基复合 涂层的进展,包括其性能、现有品种、制备工艺、应用情况.同时报道了目前本领域研究存在的问 题,如:力学问题、界面问题、热疲劳问题,并在此基础上展望发展前景.关键词 颗粒增强金属基复合材料,复合涂层材料,界面,热疲劳,功能梯度材料
随着近代高新技术的发展,对材料不断提出多方面的性能要求,推动着材料向高比强度、高比刚度、高比韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展[1 ].复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题,推进了材料的进展.金属基复合材料(MMC)是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料.这种材料的主要目标是解决航空、航天等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要,它在60 年代末才有了较快的发展,是复合材料一个新的分支.目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导电性和导热性,以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点,成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料.1 进展情况
目前,金属基复合材料基本上可分为纤维增强和颗粒增强两大类,所用的基体包括Al , Mg ,Ti 等轻金属及其合金以及金属间化合物等,也有少量以钢、铜、镍、钴、铅等为基体.增强 纤维主要有碳及石墨纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维等,增强颗粒有碳化硅、氧化铝、硼
化物和碳化物等.用以上的各种基体和增强体虽可组成大量金属基复合材料的品种,但实际上 只有极少几种有应用前景,多数仍处在研究开发阶段,甚至也有不少品种目前尚看不到其应用 前景[2 ].1.1 纤维增强金属基复合材料
纤维增强金属基复合材料,由于具有高温性能好、比强度、比模量高、导电、导热性好等优 点,而成为复合材料的主要类型.1.2 颗粒增强金属基复合材料
由于纤维增强金属基复合材料存在上述缺点,从而未能得以大规模工业应用,只有美国、日本等少数发达国家用于军事工业.为此,近年来国际上又将注意力逐渐转移到颗粒增强金属 基复合材料的研究上.这一类金属基复合材料与纤维增强金属基复合材料相比制备工艺简单, 成本低,可采用常规金属加工设备来制造,这样有利于其开发和应用.可见,颗粒增强金属基复 合材料是非常有发展前途的.金属基颗粒复合材料通常是作为耐磨、耐热、耐蚀、高强度材料开发的,目前用于颗粒增强 复合材料的颗粒有数十种,常用的有石墨、SiC、SiO2、TiC、BN、α-Al2O3、TiO2、WC ,它们大多是无机化合物.目前已有铝基、钼基、钢基、Fe 基、Co 基、Ni 基、Mg 基等颗粒复合.但随着宇航事业的发展,高温耐热金属基复合材料,如以铜、钼、镍、钴等为基体的金属基复合材料越来越受到人们的重视.池野等[4 ]对Al2O3 颗粒增强纯铝复合材料的性能进行了研究,发现随着Al2O3 颗粒体积分数增加,强度不断上升.陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度和比模量,并且具有原材料成本低廉,复合材料制备工艺简单的特点而受到重视.Hosking 等[5 ]的研究结果表明,随着Al2O3 或SiC 颗粒的体积分数增加,不但塑性下降,而且强度也下降.在AlCoCo、金属陶瓷等.由于WCCo 复合材料进行了热疲劳裂纹扩展的研究,结果指出其机理主要是WC 粒与Co 粘结相之间的热膨胀系数有很大差异,而引起高应力,导致裂纹萌生与扩展,疲劳裂纹优在WCCo 相界上扩展.明文龙[18 ]等在研究Ti(C ,N)基金属陶瓷热疲劳性能时也提出了热疲劳裂纹具有沿相界面开裂的特征.对于涂层材料,尽管它发展较晚,但也有人对其热疲劳性能进行了研究.彭其凤等[19 ]对激光敷陶瓷涂层的热疲劳行为进行了研究,发现陶瓷与钢的热膨胀系数差异及陶瓷内部微小裂纹的应力集中是陶瓷涂层热疲劳破坏的主要原因.W.C.REVELOS 等[20 ] ,N.Czech 等[21 ]和刘北兴等[22 ]则认为在热疲劳过程中,随循环上限温度升高,循环数增加,热疲劳抗力明显降低.目前对热疲劳性能的研究多采用试验法.随着电子计算机和数值分析技术的发展,用有限元模拟热疲劳过程的力学行为已开始受到人们的重视[23 ] ,但热疲劳过程本身就是一个复杂的力学行为过程,在这个过程中,既有弹性力学问题,又有塑性力学、热力学问题,而涂层材料的热疲劳问题就在此基础上进一步复杂化.所以目前对涂层材料热疲劳的研究多限定在定性分析,对其力学行为有待于人们进一步研究.4 金属基复合材料的发展前景
由上述可知,金属基复合材料要在未来取得进一步的发展,并列入规模生产品种的行列,还有一段艰难的路程,但是由于它性能优势的存在,是有明确发展前景的.就当前的实际情况来看,颗粒和短纤维增强的复合材料是有生命力的,并已在汽车工业等方面初步获得应用.随着涂层技术的发展,利用先进的涂层制作方法,如热喷涂、等离子喷焊、激光熔敷等,以金属基复合材料作为涂层材料,在钢或其它金属表面制成涂层,用以提高材料的表面强度,已越来越受到重视,它在提高性能与节材方面达到很好的结合,具有广阔的应用前景.另外,对于涂层材料需指出的是,由于涂层与基体之间存在一个性能突变的界面,尤其是热膨胀系数相差较大,难以得到足够的结合强度,并在高温下内外温差较大的使用环境中,界面处易产生很大的热应力而引起涂层的剥落.这也是引起热疲劳破坏的一个主要原因.在功能梯度材料研究基础上开展的功能梯度薄膜的研究,就很好地解决了这一问题.功能梯度薄膜材料就是使成分、组织、性能从基体到表面呈无界面连续变化,这一材料具有表面改性技术的优点和功能梯度材料的特殊性能,有广阔的研究和应用前景.相信经过艰苦的努力,在不远的将来,金属基复合材料作为复合材料的一个分支,会有举足轻重的地位,并在众多材料行列中占有一席之地.参考文献 Latanish R M.Corrosion Science Corrion Engineering and Advanced Technologies.CORROSION SCIENCE , 1995 ,51(4): 270～283 2 肯尼思.G.克雷德,金属基复合材料.北京:国防工业出版社,1982 3 风仪.纤维强化金属基复合材料及其应用.机械工程材料,Fcb.1995 4 池野进等.轻金属(目).1987 :37(6)5 Singer A R E et al.Powder Metall , 1985 ,28(2):72 6 苏莹.非连续物增强镁基复合材料.机械工程材料,1996(2):6～8 7 Hunt M.高温金属基复合材料.国外金属材料,1991 ,4 :8～10 8 林化春,丁润刚.镍基合金-碳化铬复合涂层显微组织和相结构分析.金属热处理学报,1996(6):55～58 9 Stefanescu D M.Key Eng Mater , 1993 ,79-80 :74 10 谢国宏.材料工程,1994(12):5
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