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1、?年第!期宝鸡文理学院学报自然科学版#%&()】%+)娜,劝压乎%./)闭黝即0 1 23).4阔】阳15#?364!金属基复合材料的研究现状与应用?赵迎祥肖亚航傅敏士?机械工程亲 摘要全属基复合材并 是一类新型的复合材料,它因具 有 高比强度、高比模 量、高衬磨性等优异性能而引起人们 的关注。本文综述了金属墓复合材料的研究现状,制造 工艺和性 能。同时介绍 了这种材料在航天、航空、先进武器 系统、汽 车工业等领域 中的广泛应用。关键词金属基 复合材料制造工艺性 能与应用!、引言金属基复合材料?#%一&()。&+,)#,简称.是复合材料的一类,它与聚合物基复合材料?/.和 陶瓷基复合材料?.共
2、同构成了一种新型材料一复合材料。复合材料是由基体材料和增强材料经过一定的工艺方法复合而 成的一种多相材料,它不仅能保持原组分的特性,而且还具有原组分所不具备的优异性能,所以对这种材料的研究越来越引起人们的关注。聚合物基复合材料?/.是开发得较好的一种复合材料,它的成功是从玻璃钢开始的,0!年代已达到成熟阶段,这被人们称之为第一代复合材料。第二代复合材料是以碳纤维增强树脂、芳纶增强树脂及碳化硅纤维增强树脂等为标志,1!年代已大量推广应用2陶瓷基复合材料?.的开发历史较短,它常用脆性的加强纤维加入脆性的基体制成。.具有特殊的力学性能以及热、光、电、磁、耐蚀等物理化学性能,所以在日用及工程上得到广泛
3、应用,特别应用于磁流体发 电、原子能反应堆、宇航等领域的超高温环境。.是0!年代初发展起来的一种复合材料,它具有刚度好、强度高、重量轻、耐疲劳、耐磨损、耐高温和热膨胀系数小等一系列优点,所以它是航天航空等尘端技术的理想结构材料。纤维增 强金属,.3.复合材料,以及陶瓷纤维增强陶瓷等被称为第三代复合材料4 5 262本文主要介绍.的研究现状、制造工艺、性能及其应用。72.的研究概况.的研究比/.大约晚7 8年,当初使用钨丝增强金属基而引起人们的关注,但直到硼纤维增强之前,.并未获得实际应用,翻增强纤维首先成功地应用 于 聚合物基复合材料,尔后才用 于.。用翻箔和 铝箔复合制成复合材料带,然后用带
4、材卷成管子,用作航夭 飞机机身的构件4 5 9,从此开始了.的实际应用。尽管.获得初次成功,但 由于原材料成本来源受限制,在一段时间仍很难广泛应用,而/.占据统治地位。然而由于/.存在耐热性差,使用温度低?低于:!,不导电,传热性差等缺点,使/.的应用受到限制。因此,在;!年代末期又重新推动了对.的研究,一项关键性的突破是开发了新的与基体金属相容的加强材料,即采用化学气相沉积法,将?膜,镀膜后的石 墨纤维和?基体之间具有良好的相容性。.的研究由此向前推进了 一步。?2收 摘日期7,8一!一。;第!期赵迎祥肖亚航傅敏士金属基复合材料的研究现状与应用近年来,世界各国对77,的研究予以极大重视。?8
5、?年秋美国曾规定,把77,的研究报告列入军品保密而不得对外公布9!4为了加强研究,美国专 门建立了金属 基复合材料信息分析中心77,:,#4据报道,?8 6年到?;66篇,?6?以上与复合材料有关4展览会上有世界各国的公 司、厂商、研究院所等!8家参加展出,涉及复合材料 的基体材料树脂、金属、陶瓷、碳、石 墨等#=增强材料纤维、预浸料、布、毡、编织物、预制件等#=辅助材料=工艺设备=测试检验和复合材料制品等。可见先进的复合材料是新材料研究的重点和方 向。我国对77,的研究也很重视,早已列入“八 五”计划4?年在上海交大建成金属基复合材料国家重点实验室,有许多科研单位和大专院校进行 了较深入的研
6、究,且已取得了不少研究成果和应用成果。47 7,的组成77,是以金属为基体,添加颗粒、晶须或纤维作为增强体,通过特定方法复合而成。77,的基体可采用多种金属,目前广泛使用的金属 基体有 、7、,&、7(以 及某些金属间化合物等,其中基体复合材料研究最多,应用最广4用于77,的增强材料可分 为/?连续长纤维不连续短 纤维晶须颗粒丝等五种。连续长纤维是具有任意长度的 纤维,它 们可 用传统技术拉制而 成,如?6!:、?.、87!6、=。、.、=等纤维。常用的增强纤维的种类及性能如表7所示4;。短纤维是从长纤维或从斩断的金属丝制得,其3比?长径比 应不小于7!。晶须是结晶生长而成,3比约8!一78!
7、,常用的有 56!:、?.、):、.等。颖粒由磨料制成,其最大直径为 7!?,常用的有 7!6、?.、.、?.、氏.:等2金属丝、金属条带常用的有钢、高强度皿纤/高棋 组维肠青系/“川6认!7。;7。;。!:!8!:7!8!7!:2;7!,万 287!8 7!7217!82?:2;义7!8:。?2纤维一).纤维!:。7!8目前应用的.主要有6?长纤维增强一=3 5、=3 5、?.3?、3、56!63川、)3 等短纤维和 晶须增强一).23 5和月氏,3 5顺粒增强一)3)、)3 5破、氏3;宝鸡文理学院学报自然科学版#?年74、氏=金属丝增强一所示。压粉烧结法是将金属粉末与颗粒的均匀混合粉压力
8、加工成形,然后在一定温度下烧结而成。粉末锻造法是将金属粉末与顺粒均匀 混合后加热锻造。图粉末轧制法生产复合材料工艺简图?料斗,混合物,!成形辊,、铸造法!?、普通铸造法普通铸造法是在常压下将予热增强粒子以一定速度加入熔融基体金属中,该工艺简单,可直接生产各种形状的材料,但存在制品中残留气体、增强体与基体易氧化等缺点。!、挤压铸造法挤压 铸造法是先将增强材料制成予成型体,然后放入 固定模型 内予热至一定温度,再浇入金属熔体,同时将阳模压下并加压,迅速冷却后脱模即得构件。由于高压改善了 金属熔体的浸润性,同时也消除了气孔等缺陷,因此复合材料质量较好,可以一次成型。!、真空一气压浇铸法真空一气压浇铸
9、法是将增强剂制成予成型体放入模腔后,加热并抽真空,然后用气压把金属熔体压入模腔,迅速冷却后脱模。这种方法对纤维损伤小,可得到致密的构件,力学性能比挤压法好。!、半固态搅溶铸造法半固态搅溶铸造法是将松散的颗粒混合到搅拌的溶体中,形成半固态浆液,然后进行挤压或锻造。!、扩散粘结法扩散粘结法是将增强材料经表面处理后先浸渍金属制成先驱丝,再与金属箔或粉末#叠层在真空条件或保护气氛#和略低于金属熔点的温度下热压扩散粘结成型。该方法对纤维损伤较小,制件密度高,但生产效率低,设备要求高。在制造纤维增强77,时,为了改 善纤维与基体的界面结合状态,防止界面反应,通 常采用化宝鸡文理 学院 学报自然科学 版#?
10、年学气相沉积,#、物理气象沉积#、化学镀、电镀等方法,在 纤维表面均 匀涂覆 一 层 金属或陶瓷,来改善界 面 状况,提高性 能。、77,的性能图!是几种77,的比强度和比模量数据,并 且与一般金属、合金以及7,作了对比。图为:,、+%2,、+%2,77,在不 同试验温度下的抗拉强度,并且与 合金、合金 作了对比9!/。可见 77,的比模量可与7,相 媲美,但比强度则因金属基体密度较大而落后于7,然而比一般常用合金有明显提高。在耐温方面也比一般合金有较大幅度的提高,特别表现在高 温下 的强度保持率方 面。高棋份碳 纤维7+环长离夜甩碳纤维,环饭+公:,#人?裔强度碳纤维,环权高强度碳纤维6:,
11、#劳论环暇犷?4?未 任三乞一#创攀沮卜伽?伍:,:4合金台金三玻璃纤维环权?6比强度?68#图!几种金 属基复合材料的力学性能与树脂基复合材料和金属的对比鹦瓣瓣弃弃一赘臀宁、一一娜?4 66 4 2份岛?侧眼至翻试脸退崖?七 图!几 种金属基复合材料与合金耐温性的对比近年来对#的研究取得了很大的进展,%#纤维、%#颗粒增强&合金#是研究的重点(美国空军根据国防采购法第三款,投资一个五年三阶段计划,目的是为扩大 中强%#颗粒增强&)合金的生产,降低成 本(文献报导闭,美国+,./0公司,1(2(?通 用动力,3+45.4+6公司,78&公司都集中研制9:#颗粒增强&%(;?。铝合金的抗拉强度达
12、!(?一7%4%;7),抗拉弹性模量达?4 1长延伸率达4!?一 4?,完全满足技术条件的相应要求/!7),?!48 8)和!46乡石4各公司研究结果如表!所示。表?:抗拉 强度达8!;7),:,8 6%:屈 服模量达?!;)连续:,纤维增强:、7、,&、=石 墨纤维增强、7=:必!纤维增强:等77,也取 得 了进展。,公司的碳芯:,纤维202一增强:复合材料 的抗拉强度达?;7。,断裂韧性达;4%7)告=202 一增强钦 合金 一?一!一!一!的抗拉强度达?7)4?84;?寻4?6?4 。?。6。洲%0卜1司4。3%.%4。4?。?8!。?。?4 48。8,二 月了内口4立8一石4甘4?曰6
13、几口一吕,几6的,曰 4 4 4 4已4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4.4 4 4 4 444 4 4 4 4 4 4月4的弓月心吕?!(七曰,?(匕,孟,几;,二(几,人,立,人改./目1(2。3八卜4+7。8。人(?。?;(?。?!。!企曰月确舀!?工办(曰仁?口?,人!月,(月(,(,(卫(目月,二,曰 亡?(?七口舀的,占,几(几,人(工,人,几(几众./司1(2(3叭卜4+67(8(&+/./01(2(3+4 5.4+7。8(&叱卜吧司1(2(3+4 5.4+67(8。&技术条件!;。;!。;。!。;。?!。!瓣,”;!。!?。?!(?,?。?;!。?!?!;。?%#!;(
14、%#?;!。%#6?;。;%#6;!;6 6 6?6!1 1!;。?86 6 6!。6 6 6。;川川/6!川川恤%(._?68 8 86。86 6 6?!;?6!?。6 6 6。6 8 8 86。6 6 6!。6 6 6!。?,一:连续琪 化硅纤维维?;68 8 86。?6 6 6?。;,一,&连续破化硅纤维维?!)6 6 6?4 ,一一一 公;一一?一!一!一!碳化硅纤维维维维维维维维 ,连续续续续续续续续碳碳碳化硅纤维维维维维维维维 ,连续续续续续续续续饭饭饭化硅纤维维维维维维维维 ,连续续续续续续续续碳碳碳化硅纤维维维维维维维维77,是一种高耐磨性材料,其摩擦学研究亦早已引起人们的兴趣
15、4马义宗等人9?在栓盘试验机上采用 6。棕刚玉砂纸作磨擦试验,发现:,%?:77,的抗磨料磨损是基体合金 的两倍。同时指出,在油润滑条件下,?8纬:,?6?7 7,的耐磨性是基体合金的?8倍,&一 合金的!倍,4,)。等9 通过挤压铸造的:,在栓环试验机上做干磨擦试验,发现:,二的加人明显改善 了%?:合金的耐磨性能,尤其在高滑动速度和高负荷下。,4 4)12等9“在3 基涂层中添加飘尘主要成分为?6/、/6!、_1/,等#,利用电沉积法在软钢表面制得复合物涂层,在无润滑条件下涂层与硬钢盘对磨,发现磨损率迅速减小。4)2和 44_4“户 用连续波0激光器进行激光表面包覆,使 02.1 .1,%
16、一,合金#复合物所形 成的包覆层硬度和耐磨性比.1 .1合金增 加一倍。作为功能材料,7 7,亦显示 出优异的性能,美国公司 生 产的电子级77,其特点是低密度,高导热系数和低热膨胀系数,在金 属 材料中、0&的导热率最高,分别是?和!?4,如果除以密度得比导热率,、0&、的比导热率相应为;和,而电子级77,的比导热率相应为8 一?6 和 一 0 0。公司的 和0&已用作印刷线路板的组件。、77,的应用7 70最早应用 于航天航空技术,如美国航天飞机上的推力 系统,机 身耐热机构,框架与横梁等,已成功地用+和+%2 20:77,来解决问题。用+:77,制造机身彬架,与原铝合金拓架相比,重量减轻
17、 、?;一;不锈钢长纤维:也被用作汽车连杆,制动器卡钳、活塞等。,纤维 用来制造电缆、活塞、螺旋浆、叶片及火箭、卫星、飞机上各种部件等9?4我国在7 7,的研究方面也做了大量工作,在应用方面也取得了许多新成果.?,例如用,&77,制造电刷 取得成功,研制的,:7 7,板材平均抗拉强度达“48 名,弹性模量达巧46?6,/。:,:77,的研究是“七五”期可承担;!重大项目之一,已建成?6的专门装置,并挤压 出米以上的型材。/6!、硅酸铝 活塞环槽已研制成功,正在中试 生产阶段。用通用卧式挤压机成 功挤压短纤 维 增强 基复合材料槽型 型材尺寸;。一?6。克的,纤维 复合丝的试验线及相应工艺。同时
18、还发展了,纤维表面涂复?6/及制备,?6#复合丝的方法。、结束语77,是一种具有广 阔应用 前景的新型材料,目前国内外在这方面的研究、开发、应用已取得了一定进展,但对一 些 基础性问题如界面、浸润性、凝固结晶及性能与微观结构的关系等问题有待进一步研究4我 国在基 础性研究方面与国际 水平接近,差距主要在工 业生产及其应用上,所以我国目前研究重点应在抓基础研究的同时,逐步转移到开发制造工艺,降低生产成本,扩大应用上来。参考文献94+4阿龙森,7)1(112(,%4 8,3%4?;,;一8二师 昌绪,新型材料与材料科学,科学出版社,?;,8一!6!吴人洁,材料科学与工程,?;8,3%!,?一 仁,
19、8一?#合刊,一二赵家祥等,复 合材料 学报4?!,%4%,34!,8一?68 凤仪等,机械工 程材 料,?,%4?,3二?,?一?2日黑石农士,工 业 材料,?;,%4!348,8一?冯波,四川工业学 院 学报,?,!一+#一 马宗义,材料科学与工程,?,%4?,34,?!#4,)%1.4),1),?,?8!一8 8?,4 4)1 21.,),1),?,?,;?一?4)2)(44_41 2.,1),?,?9?8陈况,科技导报,?,3%4 ,37 7 ,7:3:,:3)%()()%)(_&珑(2 1钾.)(.%71 1)(0)乡(1 1(#2.),.71.).1%2.1277,#?)(1.1%
20、).1)4:(.2)1,.11 21)1)(&)1.&(.11(%)(%1.1 2%1.).1%2.1)1 11(1 11 4:(.11)(.1,.?(.%&0 1.1)1).%(%7 7,(.11%).%(,2)1 1.,1)%(,)&.%(&2.汀)(2%(1%271.).1%2.1,7)(&)1.&(.1 1(%罗,%1.12)()1)%(4上接第?6 页#实验事实的认真分析和讨论,实验结 果的准确表述均在实验过 程中得 到了训 练和培养=三是有助于学生逻辑归纳、分析问题和解决问题能力的提高,此种教学 形式使实验完后 学生要从实验现象中分析、判断、推理、归纳直到 总结出实验结论,比原来单
21、纯实验完后在理论课上寻找答案的学习方法前进了一步=四是有助于 培养学生的 独立工作能 力,达到 了基础课实验 的教学 目标应紧密与合格中学化学师资所应具备的能力相一致4综上五点所述,笔者感到将元素部分实验超前理论课进行有其可行性,结合我系多年实验教 学体会,相信在条件允许情况 下,将此设想见诸于教学 实际,有可能为无机元素化学教学找到一 条使学 生在好奇、兴趣、爱好求知的气氛 中,通过摸索和 总结以达到较好教学效果 之途径4参考文献?中山大学等校编,无 机化学实验,人 民教育 出版社,?;北京师范大学等校编,无机化学,高等教育出版社,?!华中师范学院等校编,教育学,人 民教育 出版社,?;韩灵翠,田芳等,西北大学学报自然科学版#,?!,?;?刘 宗怀,西北大学学报自然科学版#,?!,?8 8