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1、铝基复合材料一.金属基复合材料概况金属基复合材料（Metal Matrix Composite，简称金属基复合材料）是以金属（如铝、镁、铜、钛等）为基体材料，与其他非金属材料结合形成的不同性质或形态的材料。他既同时拥有金属材料和非金属材料的某些特性，又具有纯原组分材料没有的一些性质。金属基复合材料的研究起源于1924年Schmit关于铝/氧化铝粉末烧结的研究工作。此后几十年内金属基复合材料始终得到较快发展。上世纪八十年代初，丰田公司将陶瓷纤维增强铝基复合材料应用于制造柴油发动机活塞，标志着金属基复合材料开始起到不可替代的作用，金属基复合材料的研究与开发得到了飞速发展，极大地推动了新材料科学的发
2、展，并开始在航空航天、军事、汽车、电子等各个领域发挥重大作用，推动了社会发展，并越发显示出无穷的潜力。但是由于金属基复合材料塑性差，制备工艺复杂，导致成本昂贵，所以除了几种已经在工业中得到应用或者在短期内有应用前景，大多数种类的金属基复合材料仍然不能得到工业规模生产应用或仍在研发阶段。二、 铝基复合材料的分类与应用1、金属基复合材料的分类有多种标准，比如以基体材料分可以分为有铝基复合材料、镁基复合材料、铜基复合材料、铁基复合材料、钛基复合材料、镍基复合材料、高温合金基复合材料、金属件化合物基复合材料及难熔金属基复合材料等。还可以以增强体，如石墨、硼、氧化铝、碳化硅、钼、钨等来分类。以增强相来区
3、分主要包括颗粒增强金属、晶须或短纤维增强金属和连续纤维增强金属。从发展阶段来看，金属基复合材料发展经历了金属基体复合材料和金属基表面复合材料两个阶段，也就有相对应的两大类金属基复合材料。3.金属基复合材料的应用由于金属基复合材料至今成本仍然偏高，导致其实际应用中仍有很大局限性，但由于金属基复合材料的优越性能，仍使得他在以下领域和其他领域中正在起着不可替代的作用。下文介绍的主要是铝基复合材料。汽车工业铝基复合材料在汽车工业的应用研究起步最早。上个世纪80年代,日本丰田公司成功地用/AlOAl32复合材料制备了发动机活塞,与原来的铸铁发动机活塞相比,重量减轻了10%5%,导热性提高了4倍。传统的汽
4、车制动盘用铸铁制造,存在很多缺点,美国的Duralcan研制出用SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘,使其重量减轻了60%40%,而且提高了耐磨性能,噪音明显减小,摩擦散热快;同时该公司还用SiC颗粒增强铝基复合材料制造了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件,这种汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、良好的耐高温性能和抗咬合性能,同时热膨胀系数更小,导热性更好。用/AlSiCp复合材料制成的汽车齿轮箱在强度和耐磨性方面均比铝合金齿轮箱有明显的提高。铝合金复合材料也可以用来制造刹车转子、刹车活塞、刹车垫板、卡钳等刹车系统元件。日本的日产、本田以及美国的ART公司都成功的用铝基复合材料制造了汽车
5、连杆。铝基复合材料还可用来制造汽车驱动轴、摇臂等汽车零件。我国的上海交通大学及兵器科学研究院等单位也在铝基复合材料在汽车上的应用进行了大量的实践工作,但总体来讲远没有国外那样活跃。航空航天工业和军工业现代科学技术的发展,对材料性能提出了越来越高的要求,特别是航空航天领域要制造轻便灵活、性能优良的飞机、卫星等，铝基复合材料恰能满足这方面的要求。Cercast公司采用熔模铸造工艺研制成A357SiC20%Vol+复合材料,用 该材料代替钛合金制造直径达mm180、重1 7.3kg的飞机摄相镜方向架,使其成本和重量明显降低,导热性提高。同时该复合材料还可用来制造卫星反动轮和方向架的支撑架。美国DWA
6、公司用/6061SiC25%p铝基复合材料代替7075制造航空结构的导槽、角材，使其密度下降了17%，模量提高了65%。铸造SiC颗粒增强A356和A357复合材料可以制造飞机液压管、直升机的起落架和阀体等。在电子和光学仪器中的应用铝基复合材料,特别是SiC增强铝基复合材料,由于具有热膨胀系数小、密度低、导热性能好等优点,适合于制造电子器材的衬装材料、散热片等电子器件。SiC颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数完全可以与电子器件材料的热膨胀相匹配,而且导电、导热性能也非常好。IBM公司2004年第2期黄永攀等:铝基复合材料的性能、应用及制造工艺就是利用其上述性能，在MCMs器件中使用该种材料封装和
7、改进冷却系统结构,使其工作时产生的热量迅速扩散,提高了元件的有效性。在精密仪器和光学仪器的应用研究方面,铝基复合材料用于制造望远镜的支架和副镜等部件。另外铝基复合材料还可以制造惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等许多精密仪器和光学仪器。在各种资源稀缺，环境问题越来越突出的今天，某种材料的好坏和它的资源环境亲和程度有着密切的关系。反过来，任何一种有着优异性能的材料的应用推广不被考虑它和资源环境的关系也是无法想象的。首先是对比于传统的金属材料，金属基复合材料由于有着特殊的优异的性能，必然导致它的利用量会少于传统金属材料。比如做某些耐磨
8、或者耐高温用途，MMC的使用寿命长于传统金属材料，相应的磨损毁坏会少于传统金属。在抗腐蚀方面，MMC也不比传统金属材料更容易受腐蚀。总之，相同情况下，MMC会比传统金属材料更加节省金属资源。其次就是关于废物资源化的问题。如果没有废物资源化，很难想象人类社会还能支持多久。各种途径的废物资源化使得大量的垃圾变废为宝，重新为人类服务，不仅仅节省了资源，也节省了成本。相比起聚合物复合材料和传统金属材料，MMC似乎与废物回收的原则相左。MMC追求的复杂结构十分不利于废物的再利用。不过这些方面目前也已经有了进展。长纤维增强MMC由于其用途可以不考虑其回收问题，我们主要面对的是各种短纤维增强MMC和颗粒增强
9、MMC的回收。短纤维增强MMC可以通过炼制的方法部分回收，炼渣可以做填料。颗粒增强MMC可以同样采用重熔再生重新复合的方法，控制重熔湿度温度时间，抑制颗粒与基体反应，再进行二次加工的方法再利用。但是颗粒增强MMC由于颗粒与基体接触面大，时间长，界面反应会非常复杂，并且有些种类的合金在重熔数次后性能下降。此外界面反应与基体材料也有一些关系。除了重熔再生法，熔融盐处理法、电磁分离法、化学溶解分离法也被使用，各种方法有利有弊。由于现在MMC并未得到大量应用，所以对其再利用技术仍然处在比较基本的水平。随着MMC的推广利用，其相应的再生技术也必会得到发展。5.金属基复合材料的发展从八十年代丰田公司革新性
10、地引用金属基复合材料以来，这一领域飞速地发展，变化日新月异，MMC的利用领域也逐渐扩展，从最初的汽车和航空航天，到后来的电子和体育用品，金属基复合材料越来越显示出其年轻的生命力。MMC在传统应用的几个领域中最值得关注的是在电子仪器方面。这个领域有着强大的潜力值得挖掘。比如在电子封装上，MMC相对传统封装材料（铝、铜、钼、钨、Kovar合金、Invar合金），有着导热率高、热膨胀系数低、重量轻、体积小、强度高、稳定性好等优点。1992年4月在美国举办的新材料与电子封装专题讨论会上，一致认为MMC最重要的发展方向是用作电子封装材料。在其他领域中，MMC同样可以得到十足的发展和利用。比如在航空航天业利用MMC作为结构材料，可以推广到很多领域使用，体育用品其实就是一个过去的非常好的例子。从MMC自身角度来说，颗粒增强MMC既是技术发展较弱的地方也是发展利用的热点。同样从基体材料角度来说，被人们不够重视的铁基复合材料也会有更多的应用价值。复合材料是现代材料科学的热点，具体到MMC，金属基混杂复合材料、金属件化合物基复合材料、功能梯度材料和智能复合材料展现出良好的发现前景。但是MMC目前仍有很多问题，尤其理论问题还有待于进展。6.总结综上，MMC发展虽然较晚，现在理论和工艺仍然存在很大不足，大规模的应用还不能实现，但是由于其不可比拟的优越性，我相信MMC必然将在材料家族取得举足轻重的地位。