金属基复合材料的现状与未来发展

李晋

关键词：金属基复合材料;现状分析;发展

金属基复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料，通过物理或者化学方法处理后形成的新型材料。随着高科技的快速发展，传统的金属材料已经无法满足现在的重工业要求，需要较高的比强度和比刚度才能进行高精准的加工。但在实际加工过程中遇到了各种各样的困难，增加了加工成本，导致金属基复合材料的应用领域受限，只用于航空航天、军事科技等科技领域。本研究通过对金属基复合材料的发展现状进行分析，详细介绍了金属基复合材料的分类，有助于设计出更多的金属基复合材料产品，扩大金属基复合材料的使用范围[1]。

1金属基复合材料的分类

一般情况下，金属基复合材料有力学性能和特殊性能的区别，广泛适用于工业生产。通常包括两种分类方法：一种是按照复合材料内部基体结构形成的合金分类;另一种是按照复合材料的增强相区分。

1.1按照金属基基体类型分类

常见的金属基复合材料包括黑色金属基复合材料（如钢、铁）和有色金属基复合材料（铝、镁、钛等）。

1.1.1黑色金属基复合材料

通常，黑色金属基复合材料是指钢铁基类复合材料，是比较常见的材料，由于钢铁具有熔点高、比强度小、密度大等特点，研发钢铁基复合材料的工程并不多。然而，随着现代工业的快速发展，在极端恶劣条件下能够正常运行的材料严重缺少，因此，需要改善钢铁基复合材料的性能，拓宽钢铁基复合材料的使用范围。复合材料需要比刚度、比强度较高的增强物质与钢铁基体进行结合，形成新的钢铁基复合材料，不仅能够减小钢铁基材料的密度，还能提高钢铁基原有的硬度和耐磨性。在工业领域发展中，钢铁基复合材料主要用于切削工具和打磨仪器部件等。同时，金属基复合的情况不同，生产的材料也不同，如表面复合材料和整体复合材料。其中，复合方法各有不同，整體复合材料一般使用粉末冶金法、外加增强体物质法、原位反应复合法等，而表面复合材料使用的是铸渗法、铸造法等[2]。

1.1.2有色金属基复合材料

常见的有色金属基复合材料有铝基、镁基、钛基、镍基等，具有熔点低、硬度小等特点，因此，有色金属基复合材料使用范围较广，多见于航空航天、汽车等工业领域。例如，铝基复合材料具有密度小、导热性好的特点，容易加工成可塑性材料，降低了工业制造的成本。镁基复合材料的质量比较小，更多应用于航天和空间的原材料制造中。镍基复合材料是国内外使用比较广泛的一种复合材料，具有高温强度大、抗疲劳性强、抗氧化能力强、抗腐蚀能力强等特点，深受轮船、航空等工业部件制造相关人员的关注[3]。

1.2按照增强相的形态进行分类

1.2.1连续性纤维增强相金属基复合材料连续性纤维增强相金属基复合材料是采用金属细线和无机纤维两种增强相体进行金属合成，具有质量小、强度高等特点。和其他增强相复合材料相比，能够明显观察到金属基复合材料的增强效果。在加工过程中，连续性纤维增强相金属基复合材料工艺复杂、成本高，大多应用于高端技术。常见的连续性纤维增强相有碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维等。

1.2.2非连续性增强相金属基复合材料

由于连续性增强相金属基复合材料的加工成本较高，部分小型工业企业无法使用增强相生产金属基复合材料。非连续性增强相金属基复合材料是一种成本低，以颗粒、晶状体、短纤维等为增强相的加工方式，具有较高的比强度、耐磨性和变抗能力等，因此，工业中可以根据增强相物质进行复合材料的合成，提高金属基复合材料的性能。非连续性增强相金属基复合材料常用于颗粒增强相金属基复合材料[4]。

2金属基复合材料的研究现状

2.1铝基复合材料

铝基复合材料增强体有长纤维、短纤维、晶状体和颗粒等增强物质，常见的长纤维铝基复合材料包括硼-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。这些铝基复合材料的性能特点是质量小、强度高、韧性强、加工工艺易成形、制作成本低等。因此，铝基复合材料的应用广泛。颗粒增强相铝基复合材料的特点是比强度高、比模量大、塑形性强等，包括四氮化三硅、碳化硅、三氧化二铝、碳化钛等，根据不同的颗粒增强体，复合材料的制作方法也不同[5]。

2.2镁基复合材料

镁基复合材料也是一种质量较小的金属基复合材料，主要有密度小、比强度高、耐磨性高、抗冲击性强等特点，同时减振性能较好，能够准确地进行材料塑形，主要应用于航空航天领域。在镁基复合材料制造中，分为铸造、变形和超轻等工艺手段，其中，铸造型复合物主要用于制造各种镁基复合材料，变形阶段主要是对镁基复合材料进行挤压。超轻的镁基复合物一般是指镁-锂系的合金，具有较强的穿透能力。在镁基复合材料中，常见的增强物质有碳纤维、钛纤维、硼纤维等，选择不同的增强物质，就需要使用不同的制备方法。常见的制备方法有粉末冶金法、熔体浸渗法、搅拌铸造法等。

2.3钛基复合材料

和其他两种复合材料相比，钛基复合材料需要在更高的温度下使用，特点是比强度和比刚度都较高，且都具有抗高温、耐腐蚀等性能，主要用于航天、汽车等领域。国外对钛基复合材料的研究比较广泛，随着经济的发展，不断开发新型技术合成钛基复合物。钛基复合材料常使用连续性纤维增强相和颗粒状增强相强化复合材料的形成。增强物质可以提高钛基复合材料的力学性能和快速加工成形的性能。目前，钛基复合材料的研究方法有熔铸法、放热弥散法、自蔓延高温合成法等。

2.4国外的金属基复合材料

近几年，金属基复合材料的发展迅速，是一种新型工程类材料，具有较高的比刚度和比强度，其高温加工性能强、热膨胀系数较低以及耐磨性较好，由于加工快、易成形、成本低等特点，在国外广泛使用。国外的金属基复合材料主要适用于航空航天领域，如美国利用硼铝合金材料制作飞机的货仓架。随着技术的发展，对金属基复合材料进行了深度研究，国外将复合材料应用于飞机和导弹等各个零部件的制备中，应用范围逐渐扩大。62605759-557A-4ADE-BE17-7E9964D177DA

2.5国内的金属基复合材料

目前，随着高科技的发展，我国已经对颗粒和纤维增强体进行了深度研究，加强了对铝基、钛基、镁基和镍基等金属复合物的研究。颗粒状增强物的复合物不仅在性能上得以提高，在研发阶段也与国外研究共同进步。根据铝基复合材料的生产要求，我国研究了复合材料的导热性、膨胀能力、耐磨损性、耐疲劳性等，为铝基复合物的应用创造了良好的条件。在金属基复合物的形成和复合技术的研发上，需要采用高精度铸造、快速挤压成型、超塑成型、快速搅拌成型等技术，使金属基复合物的加工达到国内外的质量标准。

3金属基复合材料的发展

随着我国社会主义经济建设的快速发展，金属基复合材料已经拥有几十年的历史，无论是在复合制造中，还是在复合物使用方面，都已经有了比较成熟的科技，尤其是在航空航天、汽车、武器等高端产业的发展中，金属基复合材料的生产有了质的飞跃。但是在普通的小型工业发展中，金属基复合材料的研究和应用还是比较缓慢。所以，如果想要加快金屬基复合材料的发展，拓宽金属基复合物的应用范围，提高金属基复合物的质量，需要不断针对以下问题进行改进。

（1）金属基复合材料的制造成本较高、制作工艺比较复杂，部分小型企业无法承受制造金属基复合材料的高昂费用，只能选择更具产业化、规模化的研究方法来制造新型复合材料，这样不仅能降低成本，还能利用其他复合材料代替金属基复合材料。虽然降低了成本，但运用复合材料生产的产品质量远远低于金属基复合材料，因此，需要加强对金属基复合材料的研发，代替传统的金属或合金。

（2）由于金属基体和增强物质之间存在润湿的问题，金属基内部不能完全润湿，造成增强物质在金属基内部分布不均匀，使金属基复合物在制造时存在困难。因此，如何在降低成本的同时解决润湿问题，是未来需要解决的问题。

（3）由于温度会影响金属基复合材料与增强物质之间的反应，出现不同程度的金属基体与相体的界面清晰现象，改变金属基体的成分，使金属基性能下降，甚至会导致金属基复合材料复合失败，应控制整个加工过程的温度。

（4）在金属基复合材料制造过程中，增强物质会出现偏聚现象，造成金属基复合物内部分布不均匀。那么如何改善分布不均匀的问题是现在需要解决的问题之一。在研究过程中，可以采用离心铸造法、快速搅拌法、原位复合法等，改善增强体物质与金属基体产生分离的现象。

通过解决以上问题，能够提高金属基复合材料的质量，使金属基复合材料获得更好的发展前景，促进我国工业发展。

4结语

研究金属基复合材料时发现，金属基复合材料不仅有较强的力学性能，还有较高的比强度和比刚度，能够被广泛应用于航空航天的设备制造中。随着现代科技的发展，金属基复合材料的种类不断增加，从传统的单一金属、陶瓷类产品发展到金属基复合材料，扩大了金属基复合材料的使用范围，增强了金属基复合材料的竞争力。金属基复合材料是一种新型工业产物，需不断增加金属基复合材料的种类，改变金属基复合物传统的制造方法，将金属基复合材料更多地应用于汽车、机械、合金和建材等方面，不断深入各个领域。同时，根据不同金属基复合材料选择不同的增强物质，能够提高金属基复合材料的性能，提升我国金属基复合材料的质量。62605759-557A-4ADE-BE17-7E9964D177DA