金屬基復(fù)合材料的循環(huán)再生利用研究

符淼

摘 要：金屬基復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相材料，其循環(huán)再生利用技術(shù)有其自身的特點(diǎn)及難點(diǎn)。文章結(jié)合金屬基復(fù)合材料的制備工藝特點(diǎn)，分析了金屬基復(fù)合材料中基體材料和增強(qiáng)相的多樣性，論述了熔融鹽處理技術(shù)、電磁分離技術(shù)和化學(xué)溶解技術(shù)在廢棄金屬基復(fù)合材料循環(huán)再生利用中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料；循環(huán)再生；節(jié)約資源

1 概述

金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料各自具有其性能特點(diǎn)，它們是應(yīng)用最為廣泛的材料。金屬材料由于具有良好的使用性能及加工工藝性能，在機(jī)械工業(yè)、冶金工業(yè)、航空航天工業(yè)等應(yīng)用更加廣泛。金屬材料的發(fā)展及應(yīng)用，在創(chuàng)造了大量的物質(zhì)財富，促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，為人類文明的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)的同時，也加速了對資源、能源的消耗和生態(tài)環(huán)境的持續(xù)破壞[1]。就金屬材料本身而言，金屬一旦被提取后就可以被方便的反復(fù)熔融再生，這個特點(diǎn)也說明回收再利用金屬材料是節(jié)省能源和資源、降低環(huán)境負(fù)載的最經(jīng)濟(jì)的策略。廢金屬具有可重熔性和可重塑性。金屬再生資源利用使它最有希望成為解決金屬礦產(chǎn)資源的有限性與人類需求的無限性這一矛盾的根本出路。金屬材料的再生利用率明顯較高，就鋼鐵材料而言，目前已經(jīng)初步形成了較為完整的再生循環(huán)體系，可維持其持續(xù)發(fā)展，這個特點(diǎn)稱為金屬再生的高效性。金屬材料在實(shí)際應(yīng)用中通常要經(jīng)過各種制造過程，不僅有變形加工，還有提高金屬性能的加工。為了提高金屬材料的使用性能，延長金屬材料零件的使用壽命，合理利用金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料各自的性能特點(diǎn)，人們制造金屬基復(fù)合材料[2]。金屬基復(fù)合材料是以金屬及其合金為基體材料，以陶瓷顆粒、纖維等非金屬材料為增強(qiáng)材料，通過一定的復(fù)合工藝而成的先進(jìn)材料。由于金屬基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比模量高，具有良好的耐熱性、耐磨性、耐疲勞性，以及尺寸穩(wěn)定性好、可設(shè)計(jì)性好等性能特點(diǎn)，使金屬基復(fù)合材料已成為在許多應(yīng)用領(lǐng)域最具商業(yè)吸引力的材料[3]。然而，金屬基復(fù)合材料主要是金屬材料與非金屬材料組成的多相復(fù)合材料，其循環(huán)再生利用工作就有其新的特點(diǎn)及難點(diǎn)[4]。為了合理利用金屬基復(fù)合材料資源，促進(jìn)金屬基復(fù)合材料工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，加強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的循環(huán)再生利用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 金屬基復(fù)合材料的制備工藝特點(diǎn)

金屬基復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相材料。在復(fù)合材料中有一相為連續(xù)相，稱為基體相（基體材料），另一相為分散相，稱為增強(qiáng)相（增強(qiáng)材料）。金屬基復(fù)合材料的基體相把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用。金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)相在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中承受應(yīng)力，在功能復(fù)合材料中起顯示功能的作用。由于基體相和增強(qiáng)相的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性質(zhì)差別較大，使得金屬基復(fù)合材料的制備工藝和廢棄金屬基復(fù)合材料的循環(huán)再生利用工藝具有其顯著特點(diǎn)。

一是金屬基復(fù)合材料的基體材料化學(xué)性質(zhì)差別大，熔點(diǎn)高低不同，加熱工藝較復(fù)雜。金屬基復(fù)合材料按照基體材料分類主要有鋁基復(fù)合材料、銅基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料、鎂基復(fù)合材料、鋅基復(fù)合材料、鎳基復(fù)合材料、鋼鐵基復(fù)合材料等。金屬基復(fù)合材料的制備溫度以基體材料熔點(diǎn)為主要參考溫度，鋁基復(fù)合材料、鎂基復(fù)合材料、鋅基復(fù)合材料制備溫度較低，制備工藝較簡單。銅基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料、鎳基復(fù)合材料、鋼鐵基復(fù)合材料等制備溫度較高，制備工藝較復(fù)雜。由于基體材料性能差別較大，所以用于450℃以下的輕金屬基體-鋁、鎂及其合金。用于450-700℃的復(fù)合材料的金屬基體-鈦合金。用于1000℃以上的高溫復(fù)合材料的金屬基體-鎳基、鐵基耐熱合金。二是金屬基復(fù)合材料的基體材料和增強(qiáng)相化學(xué)性質(zhì)差別大，復(fù)合材料制備過程中容易產(chǎn)生界面反應(yīng)，影響復(fù)合材料中基體與增強(qiáng)相的界面結(jié)合強(qiáng)度，影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。在金屬基復(fù)合材料制備過程中，界面反應(yīng)是在局部區(qū)域中發(fā)生的，形成粒狀、棒狀、片狀的反應(yīng)產(chǎn)物，而不是同時在增強(qiáng)體和基體相接觸的界面上發(fā)生層狀物。當(dāng)有嚴(yán)重的界面反應(yīng)時，就能形成界面反應(yīng)層。例如，在一定的制備工藝下，嚴(yán)重的界面反應(yīng)后，B4C/Al復(fù)合材料界面形成Al3BC化合物；金屬基復(fù)合材料在高溫制備過程中會發(fā)生元素的擴(kuò)散，吸附和偏聚，在界面微區(qū)形成合金元素濃度梯度層。合金元素濃度梯度的厚度，濃度梯度的大小與元素的性質(zhì)、加熱過程的溫度和時間有密切關(guān)系。金屬基體與增強(qiáng)體的強(qiáng)度、模量、熱膨脹系數(shù)有差別，在高溫冷卻時還會產(chǎn)生熱應(yīng)力，在界面區(qū)產(chǎn)生大量位錯。位錯密度與金屬基復(fù)合材料體系及增強(qiáng)體形狀有密切關(guān)系。三是金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)相的形態(tài)差別較大。金屬基復(fù)合材料按照增強(qiáng)材料分類主要有顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、層狀復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、混雜增強(qiáng)復(fù)合材料、晶須增強(qiáng)復(fù)合材料等。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料還分為短纖維復(fù)合材料、連續(xù)纖維復(fù)合材料等。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料還分為外加顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、納米顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料等。由于金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)相的形態(tài)和尺寸差別較大，其制備工藝較多，不同形態(tài)和尺寸增強(qiáng)相復(fù)合材料的循環(huán)再生工藝也就不同。

3 金屬基復(fù)合材料的循環(huán)再生利用技術(shù)

由于金屬基復(fù)合材料中基體材料熔點(diǎn)差別較大，增強(qiáng)相的形態(tài)和尺寸種類繁多，使得金屬基復(fù)合材料的循環(huán)再生利用技術(shù)研究還不充分。不同種類的基復(fù)合材料，其分離技術(shù)及循環(huán)再生利用工藝各有特點(diǎn)。對于采用重熔后重新復(fù)合的工藝方法，控制復(fù)合材料重熔時的溫度、合理控制保溫時間可以減少增強(qiáng)相與基體材料的界面反應(yīng)。熔融鹽處理技術(shù)是將金屬基復(fù)合材料中的陶瓷顆粒通過加入熔融無機(jī)鹽后形成了浮渣，通過排除浮渣，能夠?qū)⑷廴诘慕饘俜蛛x出來，加以回收再利用。電磁分離技術(shù)是對處于熔融狀態(tài)下的金屬基復(fù)合材料基體，進(jìn)行施加單方向的電磁場，由于復(fù)合材料中增強(qiáng)體和基體對外加磁場的作用極性有差別，使得兩者產(chǎn)生相對方向的運(yùn)動，從而將其分離?；瘜W(xué)溶解技術(shù)是通過化學(xué)方法使金屬鹽從溶液中析出，然后以化學(xué)原料的形式加以回收，從而達(dá)到循環(huán)再生利用金屬基復(fù)合材料的目的。當(dāng)前，面向環(huán)境的復(fù)合材料制備及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)主要有面向回收的復(fù)合材料產(chǎn)品可拆卸性設(shè)計(jì)及評價方法和評價指標(biāo)體系的建立，適合綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)合材料環(huán)境指標(biāo)的建立及其規(guī)則，綠色復(fù)合材料產(chǎn)品評價體系和方法的研究，綠色復(fù)合材料產(chǎn)品集成設(shè)計(jì)理論與方法的研究。

參考文獻(xiàn)

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