网状陶瓷增强金属基复合材料制备方法与存在问题

摘要：文章介绍了泡沫陶瓷增强金属基复合材料的研究现状和制备方法，提出了增强体泡沫陶瓷性能要求，介绍了影响复合材料制备工艺的因素。

关键词：金属基复合材料；网状陶瓷增强体；润湿性；泡沫陶瓷；铸造方法 文献标识码：A

中图分类号：TB331 文章编号：1009-2374（2015）23-0070-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.036

网状陶瓷增强金属基复合材料的制备是采用铸造方法，以金属作为基体，以网络结构陶瓷骨架作为增强相，将金属液浇注到网络陶瓷的孔隙内部形成复合材料。此法制备的复合材料具有高耐磨性、高耐蚀性、高强度和高硬度等特点，是研究新型复合材料的一个新突破点。

1 研究现状

国内对网状陶瓷增强金属基复合材料的研究主要集中在Al和Mg等轻金属方面，而对钢铁等重金属的研究较少。耿浩然等制备了Si3N4网络结构陶瓷预制体骨架，然后利用无压浸渗理论制备出Si3N4/Mg复合材料、Si3N4/Al复合材料和Al2O3/Mg复合材料。以上网状陶瓷增强金属基复合材料的研究仅限于轻金属。邢宏伟等用挤压铸造法制备了三维网络SiC/铜合金基复合材料，结果发现，骨架孔径的减小有细化晶粒、减轻偏析和抑制铅的偏聚等作用。骨架的存在使锡均匀分散于复合材料网孔边缘SiC骨架表层附近的微小区域。张友寿等通过铸造法使金属液渗入粗颗粒陶瓷预制体间隙来获得金属陶瓷复合材料，但是对陶瓷颗粒的尺寸要求极为严格。李祖来等利用V-EPC法以陶瓷WC颗粒作为增强体，使用高碳铬铁粉末来调节WC颗粒的体积分数，制备出了表面质量好、尺寸精度高、耐磨性能高的表面复合材料。

由于连续网状陶瓷增强金属基复合材料的研究目前还处于起步阶段，国内外的相关报道比较少，如何将二者结合制成复合材料，开发具有良好的强韧性能和高的抗磨损性能的新型金属基复合材料是我们下一步工作研究的重点。

2 网状陶瓷的性能要求

作为金属基复合材料增强体的网状陶瓷预制体必须具有以下特点：陶瓷通孔率要高、强度要高、与金属基体要有良好的润湿性。

只有满足上述要求的泡沫陶瓷预制体才能用于金属基复合材料的制备。因此通常采用有机泡沫浸渍方法制备网状泡沫陶瓷该工艺，这是因为此制备方法工艺简单、成本低，而制得的泡沫陶瓷具有高气孔率和高通

孔率。

3 网状陶瓷增强金属基复合材料的制备方法

3.1 挤压铸造法

挤压铸造法是将一定量的液态金属直接浇入敞开的金属型型腔内，在一定时间内凸型以一定的压力和速度作用于液态金属上，使熔融或半熔融态的金属塑性流动和凝固结晶成形的加工过程。其优点是工艺简单、金属液易于填充到陶瓷网络内部、易于成型、成本低、复合材料性能好。

3.2 负压实型铸造法

此方法也叫消失模铸造法。即采用聚苯乙烯泡沫材料（EPC）把增强体网络陶瓷表面包围后，刷上涂料，晾干后待用。然后将模型埋入干砂中，震实后在负压状态下浇铸的一种新工艺，它可以获得精度高、质量好的铸件。这是因为浇铸过程中有负压的存在，保证了聚苯乙烯泡沫在真空下气化，使其在高温下气化产生的气体及时排放出去，避免了聚苯乙烯泡沫在铸渗工艺中产生的气孔和夹渣等缺陷，不仅显著改善了铸渗层的质量，而且提高了复合材料的结合强度。

4 影响复合材料制备工艺的因素

4.1 金属浇注温度

金属液最佳浇铸温度应高于液相线温度50℃左右。若过低的浇注温度会使金属液迅速降温、凝固，渗透能力变差，不能顺利进入陶瓷孔内，严重影响液态金属的充型和补缩。浇铸温度过高将导致金属熔液严重氧化，在陶瓷骨架内出现缩孔或疏松的缺陷，以至无法形成良好的复合材料。

4.2 铸造成型压力

金属液与网络陶瓷复合时，必须选择适宜的铸造压力。若铸造压力过小，则会出现渗透能力不足的现象，不能使金属液顺利填充到陶瓷网络的每个边角处；若铸造压力过大，金属液的渗透能力就增强，易出现黏砂的缺陷。另外，虽然在模样表面涂有涂料以防止黏砂，但如果负压过大，易使涂料脱落，导致铸件黏砂现象，因次必须选择合适的负压。

4.3 陶瓷孔径

由于钢液浇铸温度较高，所以对泡沫陶瓷的强度要求也高，避免浇铸过程中发生坍塌现象。对于制备的泡沫陶瓷，如果盲孔太多，所得开放连通孔隙率也不足以满足浸渍足够多的金属以制备金属基复合材料的需要。一般来说，为满足随后浸渍成金属基复合材料，要求连通孔率在80%～90%。如果孔隙率较小，金属液来不及扩散到陶瓷孔内部就凝固，得不到组织均匀的复合材料。

4.4 界面润湿性

界面是复合材料中普遍存在且非常重要的组成部分，是影响复合材料行为的关键因素之一。金属基复合材料性能的高低取决于基体和增强体之间的界面结合情况。在网状陶瓷增强的金属基复合材料中，基体和增强体都是承载体，要求强界面结合以充分发挥陶瓷的增强效果。

当前改善金属陶瓷界面润湿性的方法有很多种，常用的简要叙述如下：

4.4.1 添加合金元素。在复合材料中加入Li、Mg、Ca等与氧亲和力高的合金元素，可以明显提高金属液体与陶瓷增强相的润湿性。添加的合金元素起到两个作用：一是降低金属液和陶瓷增强体之间的表面张力；二是可发生有利的界面反应以增加润湿性。

4.4.2 化学镀铜。采用涂装工艺，将网络陶瓷表面电镀一层铜金属以增加陶瓷与金属基体的润湿性。陶瓷表面铜镀层可以提高固体的表面能，用新形成的金属/陶瓷界面代替原来结合性较差的界面，可以提高润湿性，增强界面结合强度。化学镀铜层的厚度也会对复合材料的性能产生一定的影响，因此对镀层厚度应控制在2～4μm。

此外，超声波清洗、对固体陶瓷进行加热处理、固体陶瓷表面覆膜等也是改善增强体与金属液润湿性的有效措施。

5 应用及展望

陶瓷增强金属基复合材料的耐磨性、耐高温性较强，而比弹性模量较低、零件重量较大，因此在耐磨材料、高温合金及工具材料等方面得到广泛的应用。而具有三维空间网络拓扑结构复合材料自身的优越性，使得具备优良高温性能、环保节能、高耐磨性、高强度的三维网络陶瓷增强金属基复合材料必将成为未来的发展

趋势。

参考文献

[1] 尧军平，王薇薇.网络陶瓷增强铝基复合材料的摩擦磨损特性[J].南昌航空工业学院学报（自然科学版），2002，16（2）.

[2] 董盼，汤涛，汤文明，等.双连续相SiC/Al复合材料压渗工艺初探[J].合肥工业大学学报，2001，24（2）.

[3] 耿浩然，王守仁，崔峰，等.网络结构陶瓷增强金属基复合材料的制备[J].济南大学学报，2005，19（2）.

[4] 邢宏伟，曹小明，胡宛平，等.三维网络SiC/Cu金属基复合材料的凝固显微组织[J].材料研究学报，2004，18（6）.

[5] 张友寿，夏露，黄晋.金属液渗流法制造铸铁/陶瓷复合材料的研究[J].Hot Working Technology，2005，（12）.

[6] 邢宏伟，曹小明，胡宛平，等.三维网络SiC/Cu金属基复合材料的凝固显微组织[J].材料研究学报，2004，18（6）.

[7] 李祖来，蒋业华，周荣.V-EPC制备铁基表面复合材料的表面质量和组织[J].特种铸造及有色合金，2005，（1）.

作者简介：李菊（1981-），女，山东菏泽人，济宁技师学院讲师，硕士，研究方向：金属基复合材料。

（责任编辑：秦逊玉）