金属基复合材料的现状与发展

□张文毓

中国船舶重工集团公司第七二五研究所河南洛阳471023

金属基复合材料的现状与发展

□张文毓

中国船舶重工集团公司第七二五研究所河南洛阳471023

金属基复合材料以陶瓷为增强材料、以轻合金为基体材料制备而成，从性能特点、研究现状、应用等方面对金属基复合材料进行了介绍。

1 概述

1.1 基本性能特点

金属基复合材料除了具有高比强度、高比模量和低膨胀系数等与树脂基复合材料相似的特点外，还具有良好的耐热性、高韧性、耐老化性、高导电和高导热性，同时还能抗辐射、阻燃、不吸潮、不放气，以及尺寸稳定。因此，在某些应用场合比树脂基复合材料更有竞争优势。表1为金属基复合材料的力学性能一览表。

1.2 分类

（1）按增强材料分类。纤维增强金属基复合材料、颗粒增强金属基复合材料、晶须增强金属基复合材料。

（2）按基体材料分类。铝基复合材料、镁基复合材料、钛基复合材料、高温合金基复合材料、金属间化合物基复合材料。

1.3 制备工艺

（1）固态法。真空热压扩散结合、超塑性成型/扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。

（2）液态法。液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。

（3）喷射成型法。等离子喷涂成型、喷射成型。

（4）原位生长法。

2 研究现状

2.1 铝基复合材料

目前已经研制成功的长纤维铝基复合材料主要有以下五种:硼-铝复合材料、碳(石墨)-铝复合材料、碳化硅-铝复合材料、氧化铝-铝复合材料和不锈钢丝-铝复合材料[2]。

铝基复合材料增强体还有短纤维、晶须和颗粒增强物，与其它金属基复合材料相比，铝基复合材料的性能特点是轻质、高强、高韧性、导热性好、适用的制备方法多、工艺灵活性大、易于塑性加工、制造成本低，因此研究最为广泛和深入，制造技术也相对成熟。最具代表性的是颗粒增强铝基复合材料，它具有高比模量、高比强度、良好的塑性和较高的疲劳极限，以及耐高温、抗腐蚀等性能。

表1 金属基复合材料的力学性能一览表[1]

常用的增强颗粒主要包括碳化硅、四氮化三硅、三氧化二铝、碳化钛、二硼化钛、氮化铝、碳化四硼及石墨颗粒或金属颗粒等。

到目前为止，制备颗粒增强铝基复合材料较为成熟的技术主要有以下几种：粉末冶金法、挤压铸造法、搅拌铸造法、喷射沉积法和原位复合法。

随着纳米技术的发展，人们发现了碳纳米管(CNTs)、石墨烯(GR)、氮化硼纳米管(BNNTs)等在微观尺度上，具有十分优异的刚度和强度，将它们与铝基体复合，有望在宏观上发挥这些优异性能，获得很高的增强效率和增强效果。另一方面，纳米尺寸的增强体和基体结构能够在铝基中发挥尺寸效应，通过发挥材料中的位错、晶界等微观缺陷，以及应力-应变分配行为等的作用来调控材料性能[3]。

2.2 镁基复合材料

镁基复合材料是继铝基复合材料之后又一具有竞争力的轻金属基复合材料，其主要特点是密度低,比强度和比刚度高，同时还具有良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性，优良的减振性能及良好的尺寸稳定性和铸造性能等；此外，还具有电磁屏蔽和储氢特性等，是一类优秀的结构和功能材料，也是当今高新技术领域中最有希望采用的复合材料之一；但由于价格昂贵，目前主要应用于航天及航空领域。

构成镁基复合材料的基体合金主要分为铸造、变形和超轻等系列。铸造系包括镁-铝、镁-锌、镁-铝-锌、镁-铝-锆、镁-锌-锆-稀土等,侧重于制造镁基复合材料;变形系包括镁-锰、镁-铝-锌、镁-锌-锆、镁-稀土等,侧重于挤压性能的复合材料应用;镁-锂系是目前最轻质的合金系,具有较强的抗高能粒子穿透能力,以及能显著降低构件质量、节约能量和满足某些高性能的要求。增强体可以分为颗粒、晶须、纤维等几种,增强体的选择要从复合材料的应用情况、制备方法，以及增强体的成本等诸多方面考虑。常用的增强体主要有碳纤维、钛纤维、硼纤维、三氧化二铝短纤维、碳化硅晶须、碳化四硼颗粒、碳化硅颗粒和三氧化二铝颗粒等。

镁基复合材料中常用的制备方法有搅拌铸造法、熔体浸渗法、粉末冶金法、原位反应自生法、喷射沉积法[4]。

2.3 钛基复合材料

钛基复合材料可在比铝、镁基复合材料更高的温度下使用,曾引起人们很大的关注。钛基复合材料(TMCs)以其高比强度、比刚度，以及良好的抗高温、耐腐蚀性能,在航空、航天、汽车等领域有着广阔的应用前景,引起了材料研究者的广泛兴趣。国外对钛基复合材料的研究已有近40年的历史,发展相当迅速,开发的原位合成工艺、纤维涂层等制备技术已经成功用于制备高性能钛基复合材料。

钛基复合材料分为连续纤维增强（FTMCs）和颗粒（晶须）增强钛基复合材料（PTMCs）两大类，这两种复合材料都要求基体材料具有较好的力学和加工成形性能。

目前研究较多的制备方法主要有：粉末冶金法、熔铸法、放热弥散法、自蔓延高温合成和机械合金化等[5]。

2.4 国外金属基复合材料的研究现状

金属基复合材料是近几年迅速发展起来的一种高技术的新型工程材料，它具有高的比刚度、比强度，优良的高温性能，低的热膨胀系数，以及良好的耐磨、减摩性。由于其优良的加工、成形性能，明显的性能价格比优势，在世界许多国家，如美国、英国、日本、印度、巴西等对它的研究和应用开发正多层次大面积展开。金属基复合材料的成功应用首先是在航空、航天领域，如美国宇航局（NASA）采用硼铝复合材料制造飞机中部20 m长的货舱桁架；Martin公司采用二硼化钛颗粒增强铝基复合材料制造机翼。近年来金属基复合材料已逐渐被用于要求更精密的关键零部件，英国航天公司从20世纪80年代起研究采用颗粒和晶须增强铝合金制造三叉戟导弹制导元件，美国DWA公司和英国BP公司已制造出专用于飞机和导弹的复合材料薄板和型材，以及航空结构导槽等。随着复合材料研究的深入，其应用范围也开始从军工（飞机、导弹零部件）扩展到民用（汽车、摩托车、纺织、石油、化工等行业），尤其在制造领域有着十分广阔的应用前景。

2.5 我国金属基复合材料的研究现状

我国结合国防军工及高技术发展的需要，已开展颗粒与纤维增强铝基、钛基、镁基、铁基、铜基等各类金属基复合材料的研发，已有较好的研究基础。颗粒增强铝基复合材料的研究已形成了自身的特色，不仅基础研究工作的深度和水平处于国际前列，研制的铝基复合材料的性能也达到了国际先进水平，而且应用研究正在和国外应用研究接轨，并努力将材料推向实际应用。结合铝基复合材料的应用要求，我国还开展了复合材料的导热性、热膨胀性、摩擦磨损特性、疲劳特性、尺寸稳定性等应用基础研究，为铝基复合材料的实际应用打下了良好的基础。在铝基复合材料的复合和成形技术研究方面，已基本掌握了精密铸造、挤压成形、超塑成形、搅拌铸造、真空压力浸渍等技术，并达到了国际先进水平。

综上所述，国内外在金属基复合材料研制和开发方面取得了非凡的进展，在开发高性能材料方面获得重大突破，极大丰富了材料市场。但由于金属基复合材料在研究和生产过程中涉及到许多相关技术，包括复合材料制造技术和使用技术等，要把这些技术综合在一起，是一个相当复杂的研究过程。因此，在金属基复合材料的研究和开发过程中还有许多工作要做，如要进一步对复合材料的性能与增强体的性能、增强体各自体积分数、基体合金性质及性能等之间的关系，以及增强体之间的相互作用规律进行探讨；在金属基复合材料中引入三维连续网络结构增强相的研究；降低材料成本等。随着技术的不断发展和完善，金属基复合材料必将在航空、航天、汽车、通信、民用工业等领域可以得到广泛应用[6]。

3 应用

3.1 铝基复合材料的应用

铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一，在航空、航天、汽车、电子和光学仪器、体育用品等领域得到了广泛应用。

氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是日本丰田公司用来制造柴油发动机的活塞,年产量有几十万只。

碳化硅晶须增强铝基复合材料用于制造导弹平衡翼和制导元件、航天器的结构零部件和发动机部件、战术坦克履带，以及汽车零件如活塞、连杆、汽缸、气门挺杆、推杆、活塞销、凸轮随动机等，还用于飞机的机身地板和新型战斗机尾翼平衡器、星光敏感光学系统的反射镜基板、超轻高性能太空望远镜的管棒桁架、微波电话插件,高尔夫球棒和蹄铁等。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料可用于制造卫星及航天器结构材料,如卫星支架、结构连接件、管材、各种型材、导弹翼、遥控飞机翼、制导元件；飞机零部件,如起落架支柱龙骨、纵架管、液压歧管、直升飞机阀零件；金属镜光学系统,如红外探测器、空间激光镜、高速旋转扫描镜等；汽车零部件,如驱动轴、刹车盘、发动机缸套、衬套和活塞、连杆、活塞镶圈；此外还可用于制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件、自行车框架接头等。

纵观国内外，对铝基复合材料的应用研究主要集中在碳化硅颗粒增强铝基复合材料，并且取得很大的成就。少数国家（如美国、日本、加拿大等）已进入应用阶段，取得了显著的经济效益。铝基复合材料的应用领域包括交通运输、航空航天、兵器武装、电子和光学仪器等。从发展趋势看，今后非连续增强铝基复合材料不仅会成为航空航天和空间领域中不可替代的重要材料，而且会逐步拓宽民用市场，预计在本世纪将会大批量生产和应用[7-8]。

3.2 镁基复合材料的应用

镁基复合材料密度小、比强度和比刚度高,具有良好的尺寸稳定性和优良的铸造性能,正成为现代高新技术领域中最有希望采用的一种复合材料。铬镁复合材料用于人造卫星抛物面天线骨架,使天线效率提高539%；美国海军卫星上已将镁基复合材料作为支架、轴套、横梁等结构件使用,其综合性能优于铝基复合材料。

此外,这种材料还具有优良的阻尼减振、电磁屏蔽等性能,在汽车制造工业中用作方向盘减振轴、活塞环、支架、变速箱外壳等,在通信电子产品如手机、便携电脑中也用作外壳材料。而且镁基复合材料具有高储氢容量,氢化动力学性能较好,正逐渐成为非常具有发展前景的储氢材料[9]。

镁基复合材料不仅保留了基体金属的导电、导热及优良的冷热加工性能，而且具有更高的比强度、比刚度、高温蠕变性能和尺寸稳定性，使其成为一种先进的高性能工程结构材料。镁合金还能作为一种减振材料，可以把振动能较快地转变为热能消耗掉。在汽车、3C产品（即计算机Computer、通信Communication和消费类电子产品Consumer Electronics三者结合）、航空航天和国防军工等领域具有越来越重要的应用价值和广阔的应用前景。已经有约60种汽车部件，包括变速箱外壳、转向柱等应用镁基复合材料，如德国克劳斯塔尔工业大学用碳化硅增强镁基复合材料制成了汽车轴承、活塞和气缸内衬等零件，美国TEXTRON公司、Dow化学公司用这一复合材料制成螺旋桨、导弹尾翼和内部加强的气缸等。

3.3 钛基复合材料的应用

钛基复合材料在国外已有许多的实际应用。在美国，大型高性能涡轮发动机技术（IH-PTET）计划的执行,已经开发了大量不同的钛基复合材料部件,如空心翼片、压缩机转子、箱体结构件、连接件及传动机构等。随着在美国空军F-22中的引入,钛基复合材料已经进入了实际应用阶段。日本采用诱发电位金属（BEP/M）工艺制备出一系列民用耐磨性好的碳化钛和硼化钛颗粒增强的β钛复合材料，可望应用于汽车部件。我国钛基复合材料研究起步较晚,但也取得了一些成绩。如何降低材料的制备成本,提高材料稳定性是材料研制应用过程中必须要解决的问题。

3.4 航空航天领域

金属基复合材料主要应用领域是航空、航天和军事领域，已成功地用于人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜及照相机波导和镜筒、红外反射镜、人造卫星抛物面天线等．在航空工业方面，美国宇航局（NASA）的LEWIS研究中心正在开发采用金属基复合材料制造航空用先进燃气涡轮发动机。美国DWA特种复合材料公司用25%碳化硅6061铝复合材料代替7075铝制造航空结构导槽、角材。

发展目标是代替铝合金、钛合金、钢等用于制造高性能的构件，减重并提高性能和仪器精度。美国已从φ455 mm圆坯中挤压出质量182 kg的碳化硅铝复合型材，并轧制出尺寸为3 050 mm×1 320 mm× 3 mm的板材，制造了火箭发动机、导弹和卫星上的零件。加拿大Cercast公司试制了颗粒增强铝基复合材料（PRA）用于光学底座、万向支架等精密铸件，以及液压管、压气机涡壳和卫星反动轮，代替铝合金，减重并提高了使用性能。美国DWA公司用碳化硅颗粒增强6092铝基复合材料代替铝合金，大规模用于F16战斗机的垂直尾翼，提高使用寿命17倍；代替树脂基复合材料用于波音777的P&W4000发动机风扇出口导流叶片，大幅提高使用寿命并降低成本33%。美国DWA公司和英国AMC公司将碳化硅铝复合材料批量用于EC-120和EC-135直升机旋翼系统，大幅提高构件刚度和使用寿命。这些关键结构件的成功应用，说明美国和英国对这种材料的应用研究已相当成熟[10]。

3.5 汽车领域

金属基复合材料用于汽车工业主要是颗粒增强和短纤维增强的铝基复合材料、镁基复合材料。目前，铝基复合材料通常采用铝硅合金。常用的填充增强剂有陶瓷纤维、晶须和微粒等。与常用汽车材料铝合金相比，铝基复合材料具有质量轻、比强度高和弹性模量高、耐热性和耐磨性好等优点，是汽车轻量化的理想材料，已经在活塞及活塞环、缸套、连杆、汽车制动盘、制动鼓及刹车盘、保持架、驱动轴、传动轴、轴承、发动机零件上得到应用。

目前，由低密度金属和增强陶瓷纤维组成的高性能铝活塞已有所应用。国外推出了氧化铝纤维增强活塞顶的铝活塞、氧化铝增强的镁合金制造的活塞、氧化铝纤维及不锈钢纤维增强的铝基复合材料连杆等，进一步扩大了复合材料在活塞上的应用。

铝基复合材料也被用于刹车轮，其特点是可使质量减轻30%～60%，而且导热性好。美国某汽车公司已研制出用碳化硅粒子增强的铝-10%硅-镁基复合材料制成的刹车轮。目前，中国上汽集团已经和有关高校合作，进行铝基复合材料汽车制动盘的研制，将用于上汽集团独立开发、具有自主知识产权的轿车刹车系统[11]。

3.6 工业、娱乐业和基础设施工业领域

金属基复合材料的其它应用涵盖制造业、光学仪器、电子工业、体育休闲及基建领域，既包括硬质合金、电镀及烧结金刚石工具、铜基及银基电触头材料等成熟市场，也包括碳化钛增强铁基耐磨材料、三氧化二铝纤维增强铝基输电线缆、碳化四硼增强铝基中子吸收材料等新兴领域。这些新兴领域的表现在很大程度上决定着金属基复合材料的未来增长点。

铁基复合材料的制备和应用是提高钢铁材料性能的重要研究方向。低密度、高刚度和高强度的增强体颗粒加入到钢铁基体中，在降低材料密度的同时，提高了它的弹性模量、硬度、耐磨性和高温性能，可应用于切削、轧制、喷丸、冲压、穿孔、拉拔、模压成型等方面。目前应用最多的是碳化钛颗粒增强铁基复合材料，例如注册商标为Ferro-TiC，Alloy-TiC和Ferro-Titanit的钢基硬质合金，用于抗磨材料和高温结构材料，性能明显优于现有的工具钢。

工业应用包括硬质合金、金属陶瓷、电镀和浸渍金刚石刀具、铜和银金属基复合材料电触头、石化行业的抗腐蚀涂层。碳化钛增强的铁和镍合金具有出色的硬度和良好的耐磨性能，在工业中应用广泛：切削、轧制、制粒、冲压、冲孔、金属热加工、拉拔、模锻、钻孔等；制作的零件包括：锻锤、冲压模、罐装工具、压纹辊、止回阀、挤压机喷嘴、弯曲模、挤压模、热锻模模衬等。

金属基复合材料在娱乐市场的应用包括比赛用自行车管材、线路道钉、长曲棍球球杆。自行车轮缘的制动表面上涂一层金属基复合材料有利于改进耐磨性能，减小制动距离。

基础设施应用包括盛装核废料的铝-碳化四硼和高架电缆用的铝-三氧化二铝。金属基复合材料产品能将电力输送量提高200%～300%，若能广泛应用于基础电网，能带来巨大的经济效益[12]。

4 结束语

实际上，金属基复合材料应用广度、生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家材料科技水平的重要标志之一。以用量计算，美国、英国、日本是位列前三的金属基复合材料消费大国，超过消费总质量2／3的金属基复合材料为其所用，这与它们作为发达国家的地位相符。金属基复合材料一开始因价格比较昂贵,首先应用于航空、航天和军事领域。而随着新的材料制备技术的研制成功和廉价增强物的不断出现,金属基复合材料正越来越多地应用于汽车、机械、冶金、建材、电力等民用领域，显示出广阔的应用前景和巨大的经济效益和社会效益。随着科学技术的不断发展，以及相关领域研究工作的不断深入,金属基复合材料的理论基础和制备技术将会有更大的突破,在各方面将有越来越广阔的应用前景。

[1]武高辉.金属基复合材料发展的挑战与机遇[J].复合材料学报，2014（5）：1228-1237.

[2]张效宁，王华，胡建杭，等.金属基复合材料研究进展[J].云南冶金，2006,35（5）：53-58，73.

[3]曾星华，徐润，谭占秋，等.先进铝基复合材料研究的新进展[J].中国材料进展,2015,34（6）：417-424，460-461.

[4]李智，徐瑞雪.镁基复合材料制备技术研究现状[J].创新科技，2014（12）：84-85.

[5]李春新，刘许旸，陈杰，等.原位合成钛基复合材料研究综述[C].2014第三届钛资源综合利用新技术学术交流会，重庆，2014.

[6]高玉红，李运刚.金属基复合材料的研究进展[J].河北化工，2006，29（6）：51-54.

[7]张文毓.铝基复合材料国内外技术水平及应用状况[J].航空制造技术,2015（3）：82-85.

[8]李德溥，姚英学，袁哲俊.颗粒增强金属基复合材料的特种加工研究现状[J].机械制造，2006，44（10）：65-68.

[9]IWAKURA C，NOHARA S，ZHANG S G，et al.Hydriding and Dehydriding Characteristics of an Amorphous Mg2Ni-Ni Composite[J].Journal of Alloys and Compounds,1999，285（1-2）:246-249.

[10]黄伯云，肖鹏，陈康华.复合材料研究新进展(上)[J].金属世界，2007（2）：46-48.

[11]谢霞，余军，温秉权，等.复合材料在汽车上的应用[J].国际纺织导报，2010（12）：56-58，60.

[12]李晓宾，陈跃.金属基复合材料的性能和应用[J].热加工工艺，2006，35（8）：71-74.

（编辑：平平）

Metal matrix composite takes ceramic as reinforcing material and light alloy as the base material. The metal matrix composites were introduced from the aspects of performance characteristics,research status, application and soon.

金属基复合材料；现状；综述

MetalMatrix Composites；Present Status；Overview

TH142；TB333

A

1672-0555（2017）02-079-05

2016年10月

张文毓（1968—），女，本科，高级工程师，主要从事情报研究工作。