新型金屬基複合材料

特鑄雜誌 發佈 2022-10-01T21:39:49.026611+00:00

金屬基複合材料一般是以金屬或合金為基體,並以纖維、晶須、顆粒等為增強體的複合材料。MMCs問世至今已有40餘年,由於具有高的比強度、比模量、耐高溫、耐磨損以及熱膨脹係數小、尺寸穩定性好等優異的物理性能和力學性能,克服了樹脂基複合材料在宇航領域中使用時存在的缺點,得到了令人矚目的發展,成為各國高新技術研究開發的重要領域。

概述

01金屬基複合材料定義


金屬基複合材料(metal matrix composite,簡稱MMCs)一般是以金屬或合金為基體,並以纖維、晶須、顆粒等為增強體的複合材料。主要有以高性能增強纖維、晶須、顆粒等增強的金屬基複合材料;金屬基體中反應自生增強複合材料;層板金屬基複合材料等品種。這些金屬基複合材料既保持了金屬本身的特性,又具有複合材料的綜合特性。通過不同基體和增強物的優化組合,可獲得各種高性能的複合材料,具有各種特殊性能和優異的綜合性能。

MMCs問世至今已有40餘年,由於具有高的比強度、比模量、耐高溫、耐磨損以及熱膨脹係數小、尺寸穩定性好等優異的物理性能和力學性能,克服了樹脂基複合材料在宇航領域中使用時存在的缺點,得到了令人矚目的發展,成為各國高新技術研究開發的重要領域。由於金屬基複合材料加工工藝不夠完善、成本較高,還沒有形成大規模批量生產,因此仍是當前研究和開發的熱點。

02金屬基複合材料分類

金屬基複合材料除力學性能優異外,還具有某些特殊性能和良好的綜合性能,應用範圍廣。此外,金屬基複合材料品種繁多,有各種分類方式,以下從基體、增強體以及用途三方面進行分類。


1

按基體材料類型分類

有鋁基、鎂基、鋅基、銅基、鉛基、鎳基、耐熱金屬基、金屬間化合物基等複合材料。鋁、鎂、鈦、銅合金及金屬間化合物合金是目前應用廣泛、發展迅速的輕金屬合金。用其製成的各種高比強度、高比模量的輕型結構件廣泛地應用於航天、航空和汽車工業等領域。目前,國內外學者研究的金屬基複合材料基體主要集中在鋁和鎂兩個合金繫上。下面將對上述的鋁基、鎳基、鈦基複合材料首先作介紹。


①鋁基複合材料

這是在金屬基複合材料中應用最廣的一種。由於鋁合金基體為面心立方結構,因此具有良好的塑性和韌性,再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及價格低廉等優點,為其在工程上應用創造了有利的條件。在製造鋁基複合材料時通常並不是使用純鋁而是用各種鋁合金。這主要是由於與純鋁相比鋁合金具有更好的綜合性能,至於選擇何種鋁合金作為基體。則往往根據對複合材料的性能需要來決定。


②鎳基複合材料

這種複合材料是以鎳及鎳合金為基體製造的。由於鎳的高溫性能優良,因此這種複合材料主要用於製造高溫下工作的零部件。人們研製鎳基複合材料的一個重要目的,即是希望用它來製造燃汽輪機的葉片,從而進一步提高燃汽輪機的工作溫度。但目前由於製造工藝及可靠性等問題尚未解決,因而還未能取得滿意的結果。


③鈦基複合材料

鈦比任何其他的結構材料具有更高的比強度。此外,鈦合金在中溫時比鋁合金能更好地保持其強度。因此,對飛機結構來說,當速度從亞音速提高到超音速時,鈦合金比鋁合金顯示出了更大的優越性。隨著飛行速度的進一步加快,還需要改變飛機的結構設計,採用更細長的機翼和其他翼型,為此需要高剛度的材料,而纖維增強鈦合金可滿足這種對材料剛度的要求。


2

按增強體(種類和形態)分類

增強體的選擇,要求與複合材料基體結合時的潤濕性較好,並且增強體的物理、化學相容性好,載荷承受能力強,儘量避免增強體與基體合金之間產生界面反應等。增強相的選擇並不是隨意的,選擇一個合適的增強體需要從複合材料應用情況、製備方法以及增強體的成本等諸多方面綜合考慮。金屬基複合材料按照增強體可分為連續纖維增強金屬基複合材料、非連續增強金屬基複合材料、層狀複合材料和自生增強複合材料等。主要的複合結構如圖1所示。


圖1 複合材料及其增強相的各種形態示意


以下簡要討論按增強體分類的各種類型複合材料的特點。


①連續纖維增強金屬基複合材料

連續纖維增強金屬基複合材料是利用高強度、高模量、低密度的碳(石墨)纖維、硼纖維、碳化矽纖維、氧化鋁纖維等增強體與金屬基體組成高性能複合材料。通過基體、纖維類型、纖維排布方向、含量、方式的優化設計組合,可獲得各種高性能。在纖維增強金屬基複合材料中纖維具有很高的強度、模量,是複合材料的主要承載體,增強基體金屬的效果明顯。基體金屬主要起固定纖維、傳遞載荷、部分承載的作用。連續纖維增強金屬因纖維排布有方向性,其性能有明顯的各向異性,可通過在不同方向上纖維的排布來控制複合材料構件的性能。在沿纖維軸向上具有高強度、高模量等性能,而橫向性能較差,在設計使用時應充分考慮。由於原材料連續纖維價格昂貴,製造工藝複雜、成本很高,阻礙了它們的實際應用。


②非連續增強金屬基複合材料

非連續增強金屬基複合材料,是由短纖維、晶須、顆粒為增強體與金屬基體組成的複合材料。在此類複合材料中金屬基體仍起著主導作用,增強體在基體中隨機分布,其性能呈各向同性。非連續增強體的加入,明顯提高了金屬的耐磨、耐熱件,提高了高溫力學性能、彈性模量,降低了熱膨脹係數等。根據非連續增強體的來源可分為外加(ex-situ)和內生(insitu)兩種。外加增強的金屬基複合材料是指其增強體是從外部加入,並使其均勻分布於金屬基體中。內生增強的金屬基複合材料的基本原理,是在一定條件下通過元素之間或元素與化合物之間的化學反應,在金屬基體內原位自生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強相,從而達到強化金屬基體的目的。與外加增強的金屬基複合材料相比,內生增強的金屬基複合材料具有如下特點。

a.增強體是從金屬基體中原位形核、長大的熱力學穩定相,因此,增強體表面無污染,避免了與基體相容性不良的問題,且界面結合強度高。

b.通過合理選擇反應元素(或化合物)的類型、成分從其反應性可有效地控制原位生成增強體的種類、大小、分布和數量。

c.省去了增強體單獨合成、處理和加入等工序,因此其工藝簡單,成本較低。

d.從液態金屬基體中原位形成增強體的工藝,可用鑄造方法製備形狀複雜、尺寸較大的近淨成形構件。

e.在保證材料具有較好的韌性和高溫性能的同時,可較大幅度地提高材料的強度和彈性模量。

綜上所述,非連續增強金屬基複合材料最大的特點是,可以用常規的粉末冶金、液態金屬攪拌、液態金屬擠壓鑄造、真空壓力浸漬、原位反應合成等方法製造,並可用鑄造、擠壓、鍛造、軋制、旋壓等加工方法進行加工成形,製造方法簡便,製造成本低,適合於大批量生產,在汽車、電子、航空、儀表等工業中有廣闊的應用前景。


③層狀(層板)複合材料

層狀(層板)複合材料是以韌性和成形性較好的金屬作為基體材料,並含有重複排列的高強度高模量片層狀增強體的複合材料。由於層狀(層板)複合材料是將兩種或兩種以上優化設計和選擇的層板相互完全黏結在一起組成,所以它具有單一板材所難以達到的綜合性能,如抗腐蝕、耐磨、抗衝擊、高導熱、導電性、高阻尼等性能特點。層板複合材料可由金屬與金屬板、金屬與非金屬板組合而成,種類繁多,可滿足各種需求。其中,金屬層板複合材料、金屬一聚合物層板複合材料發展迅速,已有批量生產,逐漸發展成一類工程材料,在汽車、船舶、化工、儀表等工業中廣泛應用。


④自生增強複合材料

在金屬基體內通過反應、定向凝固等途徑生長出顆粒、晶須、纖維狀增強物,組成自生金屬基複合材料。包括反應自生和定向自生、大變形。


3

按用途分類


①結構複合材料

以高比強度、高比模量、尺寸穩定性、耐熱性等為主要性能特點,用於製造各種航天、航空、汽車、先進武器系統等高性能構件。


②功能複合材料

以高導熱、導電性、低膨脹、高阻尼、高耐磨性等物理性能的優化組合為其主要特性,用於電子、儀器、汽車等工業。


③智能複合材料

智能複合材料是一類基於仿生學概念發展起來的高新技術材料,它實際上是集成了傳感器、信息處理器和功能驅動器的新型複合材料。


金屬基複合材料的性能特點


01金屬基複合材料的特性

金屬基複合材料的性能取決於所選用金屬或合金基體和增強體的特性、含量、分布等。通過優化組合,不僅可以獲得基體金屬或合金具備的良好的導熱、導電性能,抗苛刻環境能力,抗衝擊、抗疲勞性能和斷裂性能,還可以具有高強度、高剛度,出色的耐磨性能和更低的熱膨脹係數(CTE)。綜合歸納金屬基複合材料的特性如下。


1

高比強度、高比模量

由於在金屬基體中加入了適量的高強度、高模量、低密度的纖維、晶須、顆粒等增強體,明顯提高了複合材料的比強度和比模量,特別是高性能連續纖維-硼纖維、碳(石墨)纖維、碳化矽纖維等增強物,具有很高的強度和模量。密度只有1.85g/cm3的碳纖維的最高強度可達到7000MPa,比鋁合金強度高出10倍以上,石墨纖維的模量為230-830GPa。硼纖維密度為2.4-2.6g/cm3,強度為2300-8000MPa,模量為350-450GPa。碳化矽纖維密度為2.5-3.4g/cm3,強度為3000-4500MPa,模量為350-450GPa。加入30%-50%的高性能纖維作為複合材料的主要承載體,複合材料的比強度、比模量成倍地高於基體合金的比強度和比模量。圖2所示為典型的金屬基複合材料與基體合金性能的比較。用高比強度、高比模量複合材料製成的構件質量輕、剛性好、強度高,是航天、航空技術領域中理想的結構材料。


圖2 典型金屬基複合材料與基體合金性能的比較


2

導熱、導電性能好

金屬基複合材料中金屬基體占有很高的體積分數,一般在60%以上,因此仍保持金屬所特有的良好導熱和導電性。良好的導熱性可以有效地傳熱,減小構件受熱後產生的溫度梯度和迅速散熱,這對尺寸穩定性要求高的構件和高集成度的電子器件尤為重要。良好的導電性可以防止飛行器構件產生靜電聚集的問題。

在金屬基複合材料中採用高導熱性的增強體還可以進一步提高金屬基複合材料的熱導率,使複合材料的熱導率比純金屬基體還高。為了解決高集成度電子器件的散熱問題,現已研究成功的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、金剛石顆粒增強的鋁基、銅基複合材料的熱導率比純鋁、銅還高,用它們製成的集成電路底板和封裝件可有效迅速地把熱量散去,提高了集成電路的可靠性。


3

熱膨脹係數小、尺寸穩定性好

金屬基複合材料中所用的增強物碳纖維、碳化矽纖維、晶須、顆粒、硼纖維等既具有很小的熱膨脹係數,又具有很高的模量,特別是高模量、超高模量的石墨纖維具有負的熱膨脹係數。加入相當含量的增強體不僅大幅度提高材料的強度和模量,也使其熱膨脹係數明顯下降並可通過調整增強體的含量獲得不同的熱膨脹係數,以滿足各種工況要求。例如,石墨纖維增強鎂基複合材料,當石墨纖維的體積分數達到48%時,複合材料的熱膨脹係數為零,即在溫度變化時使用這種複合材料做成的零件不發生熱變形,這對人造衛星構件特別重要。通過選擇不同的基體金屬和增強體,以一定的比例複合在一起,可得到導熱性好、熱膨脹係數小、尺寸穩定性好的金屬基複合材料。圖3所示為一些典型金屬基複合材料和金屬材料的尺寸穩定性和比模量。可見,石墨/鎂複合材料具有最高的尺寸穩定性和最高的比模量。


圖3 幾種典型材料的尺寸穩定性和比模量


4

良好的高溫性能

由於金屬基體的高溫性能比聚合物高很多,增強纖維、晶須、顆粒在高溫下又都具有很高的高溫強度和模量。因此金屬基複合材料具有比基體金屬更高的高溫性能,特別是連續纖維增強金屬基複合材料。在複合材料中纖維起著主要承載作用,纖維強度在高溫下基本上不下降,可保持到接近金屬熔點,並比金屬基體的高溫性能高許多。如鎢絲增強耐熱合金,其1100℃,100h高溫持久強度為207MPa,而基體合金的高溫持久強度只有48MPa;又如石墨纖維增強鋁基複合材料,在500℃高溫下仍具有600MPa的高溫強度,而鋁基體在300℃強度已下降到100MPa以下。因此金屬基複合材料被選用在發動機等高溫零部件上,可大幅度提高發動機的性能和效率。總之,金屬基複合材料做成的零構件比金屬材料、聚合物基複合材料零件能在更高的溫度條件下使用。


5

耐磨性好

金屬基複合材料,尤其是陶瓷纖維、晶須、顆粒增強的金屬基複合材料具有很好的耐磨性。這是因為在基體金屬中加入了大量的陶瓷增強體,特別是細小的陶瓷顆粒所致。陶瓷材料硬度高、耐磨、化學性質穩定,用它們來增強金屬不僅提高了材料的強度和剛度,也提高了複合材料的硬度和耐磨性。圖4是碳化矽顆粒增強鋁基複合材料的耐磨性與基體材料和鑄鐵耐磨性的比較,可見SiCp/Al複合材料的耐磨性比鑄鐵還好,比基體金屬高出幾倍。SiCp/Al複合材料的高耐磨性在汽車、機械工業中有重要應用前景,可用於汽車發動機、制動盤、活塞等重要零件,能明顯提高零件的性能和壽命。


圖4 SiCp/Al複合材料與鑄鐵、基體金屬耐磨性比較


6

良好的疲勞性能和斷裂韌度

金屬基複合材料的疲勞性能和斷裂韌度取決於纖維等增強體與金屬基體的界面結合狀態,增強體在金屬基體中的分布以及金屬、增強體本身的特性,特別是界面狀態。最佳的界面結合狀態既可有效地傳遞載荷,又能阻止裂紋的擴展,提高材料的斷裂韌度。據美國宇航公司報導C/Al複合材料的疲勞強度與抗拉強度比為0.7左右。


7

不吸潮,不老化,氣密性好

與聚合物相比,金屬性質穩定、組織緻密,不存在老化、分解、吸潮等問題,也不會發生性能的自然退化,這比聚合物基複合材料優越,在空間使用也不會分解出低分子物質污染儀器和環境,有明顯的優越性。


8

二次加工性能較好

MMCs成形方式多,變形特性優越,可有效藉助目前成熟的各種金屬材料加工工藝及設備實現金屬及複合材料二次加工。

總之,金屬基複合材料所具有的高比強度、高比模量、良好的導熱性、導電性、耐磨性、高溫性能、低的熱膨脹係數、高的尺寸穩定性等優異的綜合性能,使金屬基複合材料在航天、航空、電子、汽車等領域均具有廣泛的應用前景。


02金屬基複合材料的性能

與傳統金屬材料相比,MMC具有較高的比強度、比剛度和耐磨性;與樹脂基複合材料相比,MMC具有優良的導電、導熱性,高溫性能好,可焊接;與陶瓷基複合材料相比,MMC具有高韌性、高衝擊性能、線膨脹係數小的特點。實用的MMC應表現出低的密度和能與當前工程材料相比的力學性能。幾種典型的金屬基複合材料的力學性能列於表1中。


表1 金屬基複合材料的典型力學性能


金屬基複合材料的優異性能是多方面的,增強體使MMC的屈服強度和抗拉強度大幅度提高。MMC有良好的高溫性能,如高的蠕變抗力。這在長纖維強化MMC中表現尤為突出。在金屬基體中加入不同的增強體後,大大提高了材料的耐磨性,磨損率可降低一個數量級。MMC加入的增強體的密度低,因而材料的密度可顯著降低。利用陶瓷的線膨脹係數,使用它為增強體,可用來調節MMC的線膨脹係數,從而獲得與多種材料相匹配的複合材料。

金屬基複合材料的性能除了與增強材料成分、形態、體積分數及基體合金成分有關外,還與界面組織結構密切相關,而界面組織結構與製備工藝,增強體表面處理工藝等有關。按照增強原理不同,可將金屬基複合材料分為連續纖維增強和非連續增強兩大類。


1

長纖維增強金屬基複合材料

在連續增強金屬基複合材料中,增強纖維主要有硼纖維、碳纖維(石墨纖維)、SiC纖維、Al2O3纖維等,基體主要有鋁、鎂、鈦、銅、鎳及它們的合金。幾種典型連續增強金屬基複合材料的性能見表2。可見,纖維連續增強複合材料的性能具有各向異性,縱向明顯高於橫向;複合材料的縱向強度、模量顯著高於基體合金。另外,很多資料表明沿纖維方向(縱向)加拉伸載荷的連續纖維增強金屬基複合材料的疲勞抗力優於未增強的基體合金,使疲勞極限一般可成倍增加。合金的抗蠕變性能往往可因連續纖維的加入而大大改善。在這方面的典型例子是碳化矽連續纖維增強鈦基複合材料在航空渦輪發動機上的應用,以此來彌補鈦合金蠕變抗力低的缺陷。由於低膨脹纖維的加入,複合材料的線膨脹係數顯著減小,典型的例子就是Gr/Mg在哈勃太空望遠鏡天線支撐杆的應用,使得在反覆出入日照的條件下保持尺寸穩定件。


表2 連續纖維增強金屬基複合材料的力學性能(縱向)


2

短纖維增強金屬基複合材料

短纖維的增強效果介於顆粒和連續纖維之間。由於短纖維的性能明顯低於晶須,尺寸明顯大於晶須,所以短纖維的增強效果不如晶須的增強效果。短纖維增強金屬基複合材料的製備方法主要有粉末冶金法、壓力浸滲法、擠壓鑄造法等。

短纖維增強鋁基複合材料是目前研究最多的。氧化鋁短纖維增強鋁基複合材料的室溫拉伸強度與基體合金相比提高不太明顯(表3),但它們的高溫強度保持率明顯優於基體,彈性模量在室溫和高溫都有較大的提高,熱膨脹係數有所降低(表4),耐磨性能得到改善(圖5)。


表3 多晶氧化鋁纖維增強鋁基複合材料的室溫及高溫性能


表4 氧化鋁纖維增強鋁基複合材料的熱膨脹係數和熱導率


圖5 氧化鋁纖維增強鋁基複合材料的磨損性能

及與基體和高鎳耐磨鑄鐵的比較


另外,採用擠壓鑄造法製備的Al2O3短纖維增強鋅基複合材料具有明顯的強化效果,其高溫力學性能和耐磨性能得到了顯著提高。未經增強鎂合金的性能在100-150℃以上便顯著降低,加入增強體後可顯著改進基體合金的高溫性能。


3

顆粒增強金屬基複合材料

在顆粒增強金屬基複合材料中,常用的增強顆粒主要有SiC、Al2O3、TiC等,基體材料主要是選用合金元素含量較高、力學性能較好的工業鋁合金、鎂合金、鈦合金等,而不用純金屬。儘管其力學性能比纖維、晶須增強金屬基複合材料的低,但因其成本低廉、生產工藝設備簡單,便於批量生產,是工業應用最有前途的材料。

顆粒增強鋁基複合材料是將增強體顆粒加入到鋁合金後,引起基體合金微觀結構的變化,同時使合金的性能發生改變的一種複合材料。鋁基複合材料力學性能視製備工藝,增強體種類、尺寸和體積分數,基體合金及熱處理工藝的不同而存在一定的差異。表5中給出一些顆粒增強鋁基複合材料基本力學性能數據。從表中可以看出,增強顆粒的加入,使複合材料的彈性模量、屈服強度和抗拉強度都得到明顯提高,但卻使伸長率顯著降低。


表5 顆粒增強鋁基複合材料的力學性能


4

晶須增強金屬基複合材料

晶須增強金屬的試驗最早採用的是Al2O3晶須,但由於其成本高,而且要使晶須在金屬基體中均勻分布也較困難,因而發展不快。但廉價的SiC晶須的加入,明顯提高了複合材料的彈性模量和強度,引起了晶須增強金屬研究的發展。用來增強的基體主要是Al、Mg及其合金。


①晶須增強鋁基複合材料


SiCw/Al複合材料的性能見表6、表7,SiCw/Al複合材料強度與SiCw體積分數之間的關係見圖6,SiCw/2024Al複合材料強度、彈性模量與溫度的關係見圖7和圖8。可見,與基體合金相比,複合材料的強度、模量都有顯著提高,且高溫性能優良,但密度稍有增加。複合材料的強度隨晶須的體積分數的增加而增加,而且其性能與製備工藝方法及參數也有很大關係。


表6 SiCw/60614Al複合材料性能


表7 壓鑄法製備SiCw/Al複合材料拉伸強度


圖6 SiCw/Al複合材料抗拉強度與Vf的關係

1-206.7MPa;2-137.8MPa;3-68.9MPa;4-大氣中鑄造


圖7 SiCw/2024Al複合材料σ-T關係


圖8 SiCw/2024Al複合材料E-T關係



②晶須增強鎂基複合材料

SiCw/Mg複合材料的性能見表8。與基體合金相比。SiCw/Mg複合材料的拉伸強度、屈服強度、彈性模量均大大提高,從而複合材料具有更高的比強度和比模量。


表8 SiCw/ZK60A鎂基複合材料與基體合金性能的比較

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