金属基复合材料的发展与应用

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2004年第5期

2004年　10月

RESEARCHSTUDIESONFOUNDRYEQUIPMENT

铸造设备研究

Oct12004　№5

专题论述

金属基复合材料的发展与应用

宋　伟

(太原理工大学,山西太原　030024)

　　摘　要:介绍了金属基复合材料的研究及发展历程,以及国内外的研究进展情况,例举了一些不同制备工艺的金属基复合材料的力学性能和金属基复合材料在各方面的应用。　　关键词:金属基复合材料;进展;性能;应用

　　中图分类号:　TB331　　文献标识码:A　　文章编号-(2004)-Composites

SONGWei

(TaiyuanUniversityofTechnology,ShanxiTaiyuan030024,China)

　　Abstract:Thispaperintroducestheresearchanddevelopmentofmetalmatrixcompositesintheworld,anddiscussesthemechanicalprop2

ertiesofmetalmatrixcompositeiandthireapplication.

　　Keywords:metalmatrixcomposite,development,property,application

1　复合材料的发展

复合材料(Composites)是将两种或两种以上性质截然不同的材料,加以优化组合后,所得到的一种新的材料。复合材料的发展已经历了从自然材料到人工材料、从简单结构材料到复杂结构功能材料的各个阶段,而逐渐进入更高、更精、更快的发展阶段,它将与航天、能源、信息、生物等技术结合起来,带动高科技进入崭新的、高速的发展阶段。

20世纪40年代,复合材料开始被提出,但由于当时制备工艺不完善,再加上对复合材料的基础理论研究甚少,所以在初期阶段的发展比较慢。到了20世纪60年代,由于高性能的纤维如氧化铝纤维和碳纤维的研制成功,同时由于航天、航空工业以及其他高科技领域对具有各种优异综合性能的复合材料大量、不断的需求,更加促进了包括金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料在内的先进复合材料的发展。在各种复合材料的发展过程中,金属基复合材料(MetalMatrixComposites—MMCs)的研究、生产及发展起步较晚,但是由于其具有低热胀系数、高耐热性、在动力结构方面的高比强度、高比模量、耐磨损和抗老化等特点,所以倍受人们青睐,尤其是在汽车、航空、航天领域得到了广泛的应用。国内外的一些科研院所竟相在这一领域展开深入广泛的研究,并取得了丰硕的成果[1-9]。

对金属基复合材料的应用和研究目前处于世界

收稿日期:2004-06-10

作者简介:宋伟(1957-),男,工程师,主要从事实验室工作。

领先的国家主要是美国和日本。美国把复合材料作为国防部的关键技术核心来实施,投入了大量的资金和人力,并在复合材料领域取得了重大的进展,处于世界领先地位。美国从20世纪60年代就开始对金属基复合材料进行了研究,70年代转入实用化阶段,到了80年代就开始大量在航天、航空工业中应用。例如硼纤维增强铝基复合材料,美国在1987年发射的“哥伦比亚号”航天飞机上的货舱桁架使用的就是这种材料…。美国的复合材料工业在上个世纪90年代后有了较快的发展速度,2000年美国先进复合材料的生产总值已达到了200亿美元[11]。

日本在金属基复合材料的研究和发展是起步较晚的,日本工业界大约在20世纪80年代初期,才开始对MMCs的研究投入兴趣。虽然日本起步较晚,但发展速度却很快,只用了20年左右的时间就迅速在世界金属基复合材料的生产和应用研究领域占据了非常重要的地位。日本不仅成功地大规模制造出了长纤维、晶须等多种类型的MMCs的增强体,而且仅在美国实际应用金属基复合材料两年后,日本的本田汽车公司就首先在汽缸体活塞上应用了A12O3短纤维增强铝合金复合材料,并实现了大规模工业化生产。从而使日本在90年代末期迅速地走到了MMCs领域的前列。目前,据不完全统计,日本至少有四十家左右的公司都在进行金属基复合材料的开发与研究[12-16]

在金属基复合材料研究方面非常具有实力的国

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家之一还有俄罗斯。俄罗斯不只在科研上,而且在生产和应用上颇具特色,它的研究和应用主要集中在硼纤维增强铝基复合材料方面[12]。

我国的金属基复合材料研究起步的时间和日本相差不多,近几年有了较大的发展,许多科研院所和大专院校等都在研究和试验方面取得了一定的进展。但我们国家的整体研究水平与实用化程度还不能与美国和日本相比,大多还处在试验研究阶段。实际应用甚少,主要障碍是制备工艺复杂、成本高。

2　金属基复合材料的性能

金属基复合材料一方面具有一系列与金属性能

相似的优点,另一方面增强相的加入又赋予材料一些特殊性能,这样不同金属与合金基体及不同增强体的优化组合,就使金属基复合材料具有各种特殊性能和优异的综合性能。表1列举了一些不同制备。

表1　合金基体

A12124AlA1-4CuAlA1-1.5MgA1-3CuMg

制备方法搅拌法液态浸渗压力浸渗液态浸渗真空浸渗

2O3SiCSiCCFA12O3A12O3TiC

含量ol65201526201030

σ/MPa弹性模量E/GPa

1300-476387226343287

2701039211294.6-65

伸长率δ/%

--2.3-5.92.091.8

3　金属基复合材料的应用311　航空、航天及军事工业的应用

一个国家重要的标志性产业之一是汽车工业。

金属基复合材料在汽车生产上主要用于制造活塞以及其他汽车零部件(见表2)。例如本田公司在发动机缸体的缸套采用了FRM[12],替换了传统的铸铁缸套,它用AL2O3与C纤维的混合物作为增强物,在铝合金缸体的内表层形成2mm厚的FRM层,其中纤维体含量为体积的12%～15%,使用后,缸体的滑动摩擦性,回转响应性等性能以及汽车的操作性能大大提高。日产汽车公司采用了金属基复合材料后,使汽车重量减轻了40%左右。英国AE公司制造的柴油发动机用的金属基复合材料缸套,其机械变形和热变形减小,从而使缸套的冷却效率提高,活塞的磨损减小,油耗降低。

金属基复合材料由于自身的一些特殊优点,在航空、航天和军事部门备受青睐,应用十分广泛。例如DWC特种复合材料公司制造的Cr/Al复合材料就使用在了NASA公司的卫星导波管上,其导电性好,热胀系数小,比原来使用的石墨/环氧树脂导波管要轻30%左右。俄罗斯航空材料研究所将B/Al复合材料用于安一28飞机的机体结构上,零件重量减小了25%左右。此外,Al基复合材料的低膨胀系数和高弹性模量的特性还有望于制造光学和电子封装壳体零件。3.2　汽车工业的应用

表2　金属基复合材料在汽车工业上的应用

制造(研制)单位

Martin3MHondaDural3MDWA

基体材料

Al　2219A1-2%CuA1　2024Al　6061AlAl　2124

增强体

TiCAL2O3A12O2Al2O3Al2O3SiC

增强体/vol%

15～206510～2010～204510～20

应用活塞、连杆刹车盘连杆活塞飞轮活塞、连杆

　　MMCs在汽车上的应用还有用颗粒增强型MM2Cs作刹车盘,纤维强化的连杆等。例如新干线列车进一步提速到350kg h后,采用了SiCK颗粒增强的A1合金刹车盘,不仅减轻了重量,而且提高了耐磨

性。3.3　技术产业的应用

21世纪将是以信息为主的时代,信息技术领域中的一个趋势,是集成度不断提高的集成电路,而制

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