混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

李忠文，金慧玲，李士勝，歐陽(yáng)求保，張　荻

(1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111) (2.上海交通大學(xué) 金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

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混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

李忠文1，金慧玲2，李士勝2，歐陽(yáng)求保2，張荻2

(1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111) (2.上海交通大學(xué) 金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

傳統(tǒng)金屬基復(fù)合材料在強(qiáng)度和彈性模量提高的同時(shí)，塑韌性急劇下降，因此很大程度上限制了它的應(yīng)用范圍。為了滿(mǎn)足高技術(shù)領(lǐng)域的需求，改善復(fù)合材料的塑韌性，利用多相同時(shí)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的“混雜效應(yīng)”，在不同尺度、不同層次上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，發(fā)揮各種增強(qiáng)相的優(yōu)勢(shì)?；祀s增強(qiáng)體之間的相互作用、混雜效應(yīng)等使得復(fù)合材料具備更低的熱膨脹系數(shù)、更高的耐磨性和更優(yōu)越的力學(xué)性能等，同時(shí)還降低原料的成本。這都使得它成為航空、航天和國(guó)防尖端技術(shù)領(lǐng)域最富有研究潛力的戰(zhàn)略性材料，并將帶動(dòng)整個(gè)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。介紹了混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)種類(lèi)及其研究進(jìn)展，綜述了各種構(gòu)型設(shè)計(jì)的基本原理及其優(yōu)缺點(diǎn)；展望了混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料構(gòu)型及功能化的發(fā)展方向及工程化需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

混雜增強(qiáng)；金屬基復(fù)合材料；碳化硅；碳納米管；原位生長(zhǎng)；性能

1　前　言

金屬基復(fù)合材料因其具備優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能，在空間技術(shù)、航空航天、電子封裝、汽車(chē)工業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域有極大的應(yīng)用潛力[1]。但是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外所研制的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，大多只是加入單一增強(qiáng)相，并且僅通過(guò)調(diào)節(jié)兩相之間空間分布及界面控制發(fā)揮協(xié)同作用，在提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量的時(shí)候，塑性和韌性卻急劇下降，這一矛盾限制了金屬基復(fù)合材料在尖端高技術(shù)領(lǐng)域的深入發(fā)展，從而難以滿(mǎn)足社會(huì)和科技發(fā)展對(duì)金屬基復(fù)合材料進(jìn)一步的應(yīng)用需求。 因此，發(fā)展新型的金屬基復(fù)合材料，使其獲得良好的綜合性能，具有重要的理論價(jià)值與實(shí)際意義[2-4]。將多種混雜的增強(qiáng)相同時(shí)加入到基體中，增強(qiáng)相發(fā)揮各自的不同優(yōu)勢(shì)，得到綜合性能良好的復(fù)合材料，是一種新的復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制備理念，有望在解決現(xiàn)階段金屬基復(fù)合材料中性能瓶頸上取得突破?；祀s增強(qiáng)復(fù)合材料最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初，主要是混雜增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料。其研究目的在于融合各組元優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，獲得優(yōu)良的綜合性能。既提高了材料的使用性，又降低了原料的成本。近年來(lái)，材料研究者們逐漸將目光投向了金屬基復(fù)合材料的混雜，利用“混雜效應(yīng)”獲得優(yōu)良的室溫力學(xué)性能、耐磨性能、熱物理性能和高溫性能等，以滿(mǎn)足對(duì)結(jié)構(gòu)材料和功能材料的進(jìn)一步要求[5-7]。

傳統(tǒng)的混雜增強(qiáng)相主要有晶須與晶須混雜、晶須與顆?；祀s、顆粒與顆粒混雜。本文主要介紹幾種混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備工藝、各增強(qiáng)相之間的相互作用、性能的增強(qiáng)效果及其目前的應(yīng)用領(lǐng)域。

2　混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體分類(lèi)

2.1纖維/顆?；祀s

纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，在壓力浸滲過(guò)程中，由于編制的纖維互相接觸，使得金屬液體浸入纖維間縫隙十分困難，浸滲完后浸滲件中常常存在許多微觀的孔洞，研究者們通過(guò)向纖維預(yù)制件中添加顆粒增強(qiáng)相進(jìn)行混雜，來(lái)提高纖維的分布均勻性和浸滲效果，達(dá)到提高力學(xué)性能的目的。

圖1　復(fù)合材料的彎曲斷面SEM照片：Cf/Al 復(fù)合材料的橫向(a)、縱向(b)，SiCp-Cf/Al 復(fù)合材料的橫向(c)、縱向(d)Fig.1　SEM images of composites flexural fracture surfaces: (a) cross section of Cf/Al, (b) longitudinal section of Cf/Al, (c) cross section of SiCp-Cf/Al, (d) longitudinal section of SiCp-Cf/Al

研究最多的是在C纖維或SiC纖維預(yù)制件中混雜SiC顆粒。例如，Shin-Ichi[8]等通過(guò)擠壓鑄造的方法制備了SiC顆粒與C纖維混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，當(dāng)向復(fù)合材料中加入7 vol% SiC顆粒和52 vol%的C纖維時(shí)，與單一的70 vol%的C纖維增強(qiáng)相比，復(fù)合材料在縱向和橫向兩個(gè)方向上的彎曲強(qiáng)度都提高了50%。而周世曉[9]等研究了混雜SiC顆粒和C纖維對(duì)預(yù)制件浸潤(rùn)性的影響，他們認(rèn)為混雜SiC顆?？梢愿街诟鰿纖維表面，使得C纖維之間充滿(mǎn)SiC顆粒，從而有效地阻止C纖維之間的直接接觸，有利于纖維的均勻分布進(jìn)而使得熔融的金屬液更容易進(jìn)入C纖維之間的間隙，與C纖維進(jìn)行良好的結(jié)合，提高浸潤(rùn)效果，改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。圖1c，1d是在Cf/Al復(fù)合材料中混雜SiC顆粒后的橫向與縱向的SEM照片，相對(duì)于圖1a，1b，從圖1c，1d可以明顯看到在SiCp-Cf/Al復(fù)合材料中碳纖維之間夾雜著許多SiC顆粒，使得碳纖維之間的接觸面更少，能夠很好地在微觀尺寸下使得碳纖維均勻分布并且與金屬基體得到良好的結(jié)合。于家康等在制備2D-C纖維增強(qiáng)Al基的電子封裝材料時(shí)，也混雜了SiC顆粒，發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)和顆粒尺寸能夠有效地控制碳纖維的含量、并改善纖維的分布，防止纖維互相接觸，甚至在很小的壓力下也能完成對(duì)預(yù)制件的良好浸滲[10]。

2.2晶須/顆?；祀s

晶須與顆?；祀s有Al2O3晶須與SiC顆粒[11]、BN顆粒[12]和石墨顆粒[13]等類(lèi)型。上海交通大學(xué)方浩等人研究了SiC顆粒和Al2O3短纖維混雜增強(qiáng)LY12和LD31兩種鋁合金復(fù)合材料在制動(dòng)過(guò)程中摩擦磨損性能。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)混雜增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料在制動(dòng)過(guò)程中摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定，磨損量較小，與傳統(tǒng)的鑄鐵制動(dòng)材料相比，復(fù)合材料表面的溫升較低，傳統(tǒng)的鑄鐵材料由于表面溫升較高容易產(chǎn)生大量的裂紋。該復(fù)合材料由于增強(qiáng)相的存在，制動(dòng)過(guò)程中表面可形成致密連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜，該轉(zhuǎn)移膜保證了復(fù)合材料在制動(dòng)過(guò)程中摩擦系數(shù)的穩(wěn)定，降低了復(fù)合材料的磨損量。與鑄鐵相比，復(fù)合材料的密度較低，更適用于作制動(dòng)材料。簡(jiǎn)言之，與合金相比，復(fù)合材料的耐磨性能較好，而混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的耐磨性能更好[11]。Wu Gaohui等人[14]采用擠壓鑄造的方法制備了SiCw·A12O3p/6061Al混雜增強(qiáng)復(fù)合材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析，對(duì)SiCw·A12O3p/6061Al復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)如果保持增強(qiáng)體的總體積分?jǐn)?shù)不變，通過(guò)調(diào)整SiC晶須與Al2O3顆粒的比例可以使混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)507 MPa，與SiCw/6061Al復(fù)合材料和A12O3/6061Al復(fù)合材料相比較，其抗拉強(qiáng)度已有較大的提高。顆粒的加入提高了晶須的分散性，減少了晶須的折斷，從而使復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度得到大幅度的提高。

馬愛(ài)斌等人[15]研究的Al2O3f·Gr/ZL108混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料比Al2O3f/ZL10復(fù)合材料具有更好的耐磨性，特別是在大載荷條件下，石墨能顯著降低短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損量，是一種優(yōu)越的抗磨減摩材料。從圖2可以看到，在Al2O3增強(qiáng)復(fù)合材料中加入石墨，可以降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。在短纖維含量較低時(shí)，石墨含量增加，對(duì)復(fù)合材料摩擦系數(shù)的影響較小。而在短纖維含量較高時(shí)(圖2a，Vf=20%)，石墨的影響則較為顯著，大大降低了復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。從不同線速度對(duì)摩擦性能的影響可以看到，線速度越大，復(fù)合材料摩擦系數(shù)越小，石墨的作用也越明顯。BN與石墨結(jié)構(gòu)類(lèi)似，也具有自潤(rùn)滑功能，馬愛(ài)斌等人也將BN顆粒加入Al2O3f·Gr/Al復(fù)合材料，復(fù)合材料的磨損率和摩擦系數(shù)都有所下降，在高負(fù)載下表現(xiàn)更加明顯。

圖2　氧化鋁短纖維和石墨對(duì)鋁基復(fù)合材料摩擦系數(shù)的影響Fig.2　Influences of Al2O3f and Gr on friction coefficient of aluminum matrix composites

2.3短纖維(晶須)/短纖維混雜

此種混雜以Al2O3短纖維和C短纖維、SiC晶須混雜較為常見(jiàn)。日本本田汽車(chē)公司[16]利用Al2O3短纖維和C短纖維混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備了缸體，該缸體的性能與鑄鐵缸體相當(dāng)，但質(zhì)量卻減輕了20%。同時(shí)復(fù)合材料的冷卻效果也提高，與鑄鐵缸體相比，其工作溫度降低了10℃，是混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)典范。Song等人[17]通過(guò)擠壓鑄造法制備了Al2O3f/Cf/Al混雜增強(qiáng)復(fù)合材料，他們的研究發(fā)現(xiàn)C纖維加入后，高溫條件下C纖維在摩擦表面形成了固體潤(rùn)滑層，降低了該復(fù)合材料與摩擦副之間的摩擦力，從而提高了復(fù)合材料的耐磨性能。Long等人[18]采用粉末冶金的方法研究了Al2O3短纖維和SiC晶須混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度和磨損性能，如圖3，他們認(rèn)為是由于SiC晶須阻礙了Al2O3纖維的滑移使得混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的磨損性能優(yōu)于單一增強(qiáng)的復(fù)合材料。

圖3　復(fù)合材料磨損表面SEM照片：(a) 25 vol% Al2O3/6061Al復(fù)合材料和(b) 20 vol%Al2O3-5 vol% SiC/6061Al復(fù)合材料Fig.3　SEM images of wear surfaces of 25 vol% Al2O3/6061Al (a) and 20 vol% Al2O3-5 vol% SiC/6061Al (b) composites

2.4顆粒/顆粒混雜

顆粒與顆?；祀s增強(qiáng)主要以SiC顆粒和Gr顆粒混雜為主。Ames等人[19]研究了基體、單一SiC顆粒、SiC顆粒和Gr顆粒混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的磨損性能，在低和中載荷情況下，兩種復(fù)合材料的磨損性能相差不大，但都比基體磨損性能提高了10倍，但石墨的加入大大提高了復(fù)合材料的粘著抗力。在高載荷情況下，在材料表面形成石墨、Fe的氧化物和鋁的混合摩擦表面層，使得復(fù)合材料從輕微磨損到急劇磨損的臨界轉(zhuǎn)變溫度和轉(zhuǎn)變載荷顯著提高。單一顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，在從輕微磨損到急劇磨損的臨界轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)時(shí)摩擦系數(shù)發(fā)生躍升，而混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的摩擦系數(shù)在溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)則表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。而盧德宏[20]的研究結(jié)果也類(lèi)似，并建立了該復(fù)合材料摩擦系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。郝遠(yuǎn)等人[21]對(duì)比研究了ZA27基體、單一SiC顆粒、Gr顆粒和SiC顆粒混雜增強(qiáng)ZA27復(fù)合材料的磨損行為。Gr的加入降低了磨面的摩擦系數(shù)，提高了材料抗粘著和抗粘著層剝離的能力，混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的耐磨性?xún)?yōu)于其他兩種材料。

Maxwell[22]采用攪拌摩擦工藝成功制備AA6360/(TiC+B4C)鋁基復(fù)合材料，并對(duì)不同增強(qiáng)體含量的鋁基復(fù)合材料(100%TiC、75%TiC+25%B4C、50%TiC+50% B4C、25%TiC+75% B4C、100% B4C)進(jìn)行摩擦磨損性能分析。圖4中摩擦磨損測(cè)試顯示，復(fù)合材料的磨損率隨著B(niǎo)4C含量的增加呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢(shì)，當(dāng)B4C含量為50%時(shí)復(fù)合材料的磨損率最低，為310×10-5mm3/m，與基體合金相比磨損率降低了31.1%。

圖4　顆粒比例對(duì)AA6360/(TiC+B4C)磨損率的影響Fig.4　Impact of particles ratio on the wear rate of AA6360/(TiC+B4C)

2.5大尺寸/小尺寸顆?；祀s

大尺寸與小尺寸顆?；祀s增強(qiáng)主要以微米尺寸顆粒與亞微米尺寸顆粒以及納米尺寸顆粒混雜增強(qiáng)為主。Khorshid等人[23]采用濕混、加熱擠壓的方法制備了納米和亞微米尺寸35 nm+0.3 μm Al2O3顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。研究了納米和亞微米尺寸顆粒的質(zhì)量比(2∶8、3∶7、4∶6、5∶5和6∶4)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，如圖5和6，隨著納米尺寸顆粒含量的增加，復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度先增加后降低(當(dāng)顆粒含量超過(guò)4 wt%)。他們認(rèn)為力學(xué)性能的提高歸因 Orowan 強(qiáng)化和基體與增強(qiáng)體的熱錯(cuò)配，力學(xué)性能的降低是由于當(dāng)納米顆粒含量大于4 wt%時(shí)，納米顆粒的團(tuán)聚。另外，他們還發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料斷口表面韌窩的尺寸隨納米顆粒含量的增加而減小。

圖5　純鋁和微納Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的維氏硬度Fig.5　Vickers micro-hardness of the aluminum and nano Al2O3 particles strengthened composites

圖6　純鋁和微納Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度Fig.6　Tensile properties of the pure aluminum and nano Al2O3 particles strengthened composites

Shen等人[24]采用半固態(tài)攪拌結(jié)合超聲振動(dòng)的方法制備了亞微米+納米(1 μm或0.5 μm+60 nm)、微米+納米(10 μm或5 μm+60 nm)兩種雙尺寸SiCp/AZ31B復(fù)合材料和一種(10 μm、1 μm和納米)三尺寸SiCp/AZ31B復(fù)合材料。亞微米+納米雙尺寸SiCp/AZ31B復(fù)合材料的研究結(jié)果表明，與相同條件下熱擠壓后AZ31B合金和單尺寸SiCp復(fù)合材料相比，亞微米+納米雙尺寸SiCp復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均明顯增加，擠壓態(tài)1 vol% 60 nm+4 vol% 1 μm和1 vol% 60 nm+4 vol% 0.5 μm SiCp/AZ31B復(fù)合材料的力學(xué)性能較為理想，并通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比分析揭示出亞微米+納米雙尺寸SiCp復(fù)合材料的主要增強(qiáng)機(jī)制為細(xì)晶強(qiáng)化和熱錯(cuò)配強(qiáng)化。微米+納米雙尺寸SiCp/AZ31B復(fù)合材料的研究表明，通過(guò)成分優(yōu)化試驗(yàn)得到了雙尺寸顆粒分布較為均勻且力學(xué)性能最佳的復(fù)合材料為1 vol% 60 nm + 14 vol% 10 μm和1 vol% 60 nm + 14 vol 5 μm SiCp/AZ31B，組織分析結(jié)果表明，熱變形過(guò)程中微米顆?？梢栽谄渲?chē)纬苫兂潭容^大的顆粒變形區(qū)，從而促進(jìn)基體的再結(jié)晶形核，同時(shí)納米顆粒還可以通過(guò)釘扎晶界作用有效地細(xì)化基體組織，同時(shí)微米顆粒含量的增加還有助于均勻分散納米顆粒，使得納米顆粒的分散得到很好的改善；室溫拉伸過(guò)程中，位錯(cuò)在微米SiCp附近塞積，導(dǎo)致顆粒附近的位錯(cuò)密度增加，有助于改善復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，在外加載荷作用下，微米SiCp端部易產(chǎn)生應(yīng)力集中萌生微裂紋，而納米顆粒同基體界面結(jié)合較好，無(wú)微裂紋產(chǎn)生。微米+亞微米+納米三尺寸SiCp/AZ31B復(fù)合材料的研究結(jié)果表明，(10 μm+1 μm+60 nm)多尺寸復(fù)合材料的增強(qiáng)效果要優(yōu)于(10 μm+ 1 μm)雙尺寸復(fù)合材料，并且10 μm、1 μm和60 nm的體積比為10∶4∶1時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能最好。目前單一尺寸顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)制的研究已經(jīng)很多，而關(guān)于雙尺寸顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)制特別是高溫強(qiáng)化機(jī)制的研究還非常少，需要進(jìn)一步開(kāi)展研究工作。

2.6碳納米管與顆?；祀s

鐘蓉等[25]通過(guò)在室溫下冷壓成型后再真空熱壓處理制備了SWNTs/Al復(fù)合材料。當(dāng)熱壓溫度為380 ℃時(shí)，制備的復(fù)合材料的硬度為2.89 GPa，大約是純鋁的20倍，比同樣溫度熱壓出的鋁塊的硬度高78%，并證實(shí)SWNTs是金屬基體的理想增強(qiáng)相。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SWNTs含量超過(guò)5 wt%時(shí)，SWNTs的增強(qiáng)效果開(kāi)始緩慢下降，冷壓過(guò)程中粉體的成型性下降，其原因可能是SWNTs束的密度過(guò)高，納米鋁表面的團(tuán)聚SWNTs量增加，使納米鋁之間不能很好結(jié)合，出現(xiàn)過(guò)多缺陷，影響SWNTs的增強(qiáng)效果。Peigney等[26]采用熱壓法制備了致密度較低的CNTs/鐵鋁合金復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)熱壓過(guò)程中CNTs受到一定程度的損壞，同時(shí)因CNTs損壞產(chǎn)生的無(wú)序石墨層片聚集在晶界處，從而影響了復(fù)合材料性能的提高。上述研究都是通過(guò)傳統(tǒng)外加法把CNTs增強(qiáng)相摻入到金屬基體中的，CNTs對(duì)金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)效果并不顯著。制約其發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸是：一方面由于CNTs之間具有很強(qiáng)的范德華力，容易發(fā)生團(tuán)聚，傳統(tǒng)外加法很難解決CNTs在金屬基體中的分散均勻性以及CNTs與基體間的界面浸潤(rùn)性問(wèn)題，從而使CNTs難以充分實(shí)現(xiàn)對(duì)基體的彌散強(qiáng)化和荷載傳遞作用；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)外加法工藝過(guò)程比較嚴(yán)苛(如有高能機(jī)械球磨過(guò)程)，造成CNTs完美結(jié)構(gòu)的損壞，使CNTs的優(yōu)異力學(xué)性能被削弱，增強(qiáng)效果不顯著。因此，尋求新的制備技術(shù)以克服現(xiàn)有方法的不足，是發(fā)展CNTs增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的關(guān)鍵。

圖7　SiCp和SiCp(CNTs)混雜相在6061Al基體中的金相照片：(a)13SiCp/6061Al; (b)13SiCp(CNT)/6061Al; (c)7SiCp/6061Al; (d)7SiCp(CNT)/6061Al;(e)2.5SiCp/6061Al; (f) 2.5SiCp(CNT)/6061AlFig.7　Metallographs of SiCp/6061Al and SiCp(CNTs)/6061Al composites: (a)13SiCp/6061Al; (b)13SiCp(CNT)/6061Al; (c)7SiCp/6061Al; (d)7SiCp(CNT)/6061Al; (e)2.5SiCp/6061Al; (f) 2.5SiCp(CNT)/6061Al

近年來(lái)，在金屬基復(fù)合材料研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家逐漸意識(shí)到在一種增強(qiáng)相表面原位生長(zhǎng)CNTs，既達(dá)到了兩相協(xié)同增強(qiáng)復(fù)合材料的效果，同時(shí)能夠有效地分散CNTs、改善界面性能，并獲得性能良好的金屬基復(fù)合材料。目前，科學(xué)家們主要采用活性點(diǎn)密度高、表面積和孔隙體積大的催化劑和載體，采用離子交換法、浸漬法、化學(xué)沉積法(CVD)或離子濺射法在基底材料上定向生長(zhǎng)CNTs。作者課題組[27]在前期研究的基礎(chǔ)上，選擇不同尺寸的微米級(jí)SiC顆粒(13 μm、7 μm、2.5 μm)作為載體，通過(guò)CVD法在SiC顆粒表面原位生長(zhǎng)CNTs，然后通過(guò)粉末冶金的方法與6061鋁合金復(fù)合；研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)尺寸的SiC顆粒能夠很好的分散CNTs，說(shuō)明載體顆粒的尺寸是影響CNTs分散的重要影響因素。從圖7看到，13 μm和7 μm的SiC顆粒能夠有效地分散CNTs，并且SiC顆粒也均勻分布在基體內(nèi)。而當(dāng)SiC顆粒尺寸為2.5 μm時(shí)，復(fù)合材料中觀察到SiC顆粒的團(tuán)聚體。這說(shuō)明，當(dāng)載體顆粒較小時(shí)，它本身的團(tuán)聚導(dǎo)致CNTs的團(tuán)聚。同時(shí)，表1中力學(xué)性能的結(jié)果也表示2.5 SiCp(CNTs)/6061Al的拉伸強(qiáng)度相對(duì)于其他混雜增強(qiáng)材料急劇下降。當(dāng)SiC顆粒尺寸為7 μm時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高了33%。

表1　SiC顆粒和CNTs混雜增強(qiáng)6061鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能

3　結(jié)　語(yǔ)

綜上所述，目前混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料已取得了一系列研究成果, 其力學(xué)性能、熱學(xué)性能、摩擦磨損性能都有一定的提高，但是復(fù)合材料中混雜增強(qiáng)相之間的配合仍然處于探索階段，尤其在增強(qiáng)相之間的相互作用和混雜效應(yīng)機(jī)理、界面研究等方面都需要進(jìn)一步的探究。雖然混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在工業(yè)上還未得到廣泛的應(yīng)用, 但基于其優(yōu)異的性能，必將在高科技新材料應(yīng)用領(lǐng)域占有一席之地。

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(編輯惠瓊)

專(zhuān)欄特約編輯張　荻

特約撰稿人郭　強(qiáng)

特約撰稿人張　旺

特約撰稿人李　毅

特約撰稿人肖伯律

張荻:男，1957年生，教授，博士生導(dǎo)師。教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”材料學(xué)科特聘教授，金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，上海交通大學(xué)復(fù)合材料研究所所長(zhǎng)。國(guó)家“973”計(jì)劃先進(jìn)金屬基復(fù)合材料制備科學(xué)首席科學(xué)家。先后任中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)常務(wù)理事，金屬基及陶瓷基復(fù)合材料專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任，中國(guó)航空學(xué)會(huì)非聚合物基復(fù)合材料專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員等。CompositesScienceandTechnology，Bioinspired,BiomimeticandNanobiomaterials等期刊編委，《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》副主編。主要從事金屬基復(fù)合材料及仿生遺態(tài)復(fù)合材料制備科學(xué)的研究與教學(xué)工作，開(kāi)辟和奠定了“遺態(tài)材料”這一學(xué)術(shù)新領(lǐng)域，在生物分級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)與功能組分的耦合規(guī)律研究方面取得了重要成果。先后主持國(guó)家“973”、“863”、國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目等課題，在ProgMaterSci,AdvMater,AngewChem等期刊發(fā)表SCI論文300余篇，SCI他引4200余次，出版了遺態(tài)材料領(lǐng)域的第一部英文學(xué)術(shù)專(zhuān)著。獲上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(排名均為第一)，上海市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)(排名第二)，上海市教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(排名第一)；指導(dǎo)研究生獲全國(guó)優(yōu)秀博士論文2篇次。

郭強(qiáng):男，1982年生，研究員，博士生導(dǎo)師。2010年于新加坡國(guó)立大學(xué)獲博士學(xué)位。2010～2012年在美國(guó)加州理工學(xué)院進(jìn)行博士后研究。2012年加入上海交通大學(xué)。主要研究方向是金屬材料和金屬基復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)與微力學(xué)行為，旨在通過(guò)對(duì)顯微組織及界面結(jié)構(gòu)與特性的研究和調(diào)控，表征和改善材料的微區(qū)性能，獲得具有優(yōu)異力學(xué)性能的金屬材料。在Science，NanoLetters，AdvancedFunctionalMaterials等著名期刊發(fā)表30余篇學(xué)術(shù)論文，他引370余次，在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議做主旨報(bào)告1次，特邀報(bào)告3次。2011年獲美國(guó)材料學(xué)研究會(huì)年會(huì)優(yōu)秀報(bào)告獎(jiǎng)，2012年入選國(guó)家“青年千人計(jì)劃”， 2013年入選上海市“浦江人才計(jì)劃”。

張旺:男，1981年生，副研究員，碩士生導(dǎo)師。作為負(fù)責(zé)人先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目和面上項(xiàng)目各1項(xiàng)、教育部項(xiàng)目2項(xiàng)等。主要從事光響應(yīng)功能材料尤其是光吸收增強(qiáng)功能材料的研究，在生物分級(jí)精細(xì)光學(xué)結(jié)構(gòu)與光功能組分的耦合規(guī)律研究方面取得了多項(xiàng)成果。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表研究論文被SCIE共收錄59篇，SCI他引551次，h-index 14，單篇論文SCI他引次數(shù)最高76次，平均影響因子6.03。第一發(fā)明人授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)。國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告共10次。獲上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，第五屆中國(guó)青少年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)。研究結(jié)果先后被DiscoveryChannelNews，ScienceDaily等作為研究亮點(diǎn)報(bào)道。

李毅:男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師。2012年入選國(guó)家“千人計(jì)劃”。1990年英國(guó)謝菲爾德大學(xué)博士畢業(yè)，2000年獲新加坡國(guó)立大學(xué)終身副教授，2008年任新加坡國(guó)立大學(xué)教授。2012年回國(guó)工作，任中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員，沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室非平衡金屬材料研究部主任。JMST，《金屬學(xué)報(bào)》編委，NatureMaterials，PhysicalReviewLetters，ActaMaterialia等期刊審稿人。美國(guó)金屬和材料學(xué)會(huì)、美國(guó)材料研究學(xué)會(huì)會(huì)員；2007年被選為國(guó)際快速凝固及亞穩(wěn)材料會(huì)議國(guó)際顧問(wèn)委員會(huì)委員。主要從事新型結(jié)構(gòu)材料(包括非晶合金，梯度材料等)研究工作，在大塊非晶合金的制備和變形機(jī)理，以及梯度結(jié)構(gòu)金屬材料的可控制備等研究方面取得重要進(jìn)展。主持承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金等重要課題20項(xiàng)；研究成果在Science，PhysicalReviewLetters，ActaMaterialia等期刊發(fā)表論文250多篇，SCI等他引6500多次，H-index 42；在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上作特邀報(bào)告60余次?，F(xiàn)為中國(guó)自然科學(xué)基金、新加坡教育部基金、以色列科學(xué)基金等評(píng)審人。主要研究方向：非晶合金的制備和力學(xué)性能；梯度結(jié)構(gòu)金屬材料的制備和力學(xué)性能；構(gòu)筑材料。

特約撰稿人耿　林

肖伯律:男，1975年生，研究員，博士生導(dǎo)師。2002年獲中國(guó)科學(xué)院金屬研究所博士學(xué)位；2004年在有色金屬研究總院博士后出站，聘為高級(jí)工程師，獲有色院“第一屆青年崗位能手”榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)；2007年作為“引進(jìn)優(yōu)秀學(xué)者”回金屬所工作；2009年晉升研究員；2015年評(píng)為博士生導(dǎo)師，同年訪問(wèn)日本大阪大學(xué)，任特任研究員。遼寧省“百千萬(wàn)人才工程”千人層次人選。擔(dān)任CompositesPartA、JournalofAlloysandCompounds等10余個(gè)期刊審稿人。主攻金屬基復(fù)合材料與攪拌摩擦焊接，部分成果應(yīng)用于航天、核電等領(lǐng)域重要型號(hào)裝備。主持國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、科工局民口配套等多個(gè)國(guó)家項(xiàng)目。在ActaMater，Cabon，ComposA等期刊發(fā)表SCI論文100余篇，SCI他引1000余次。獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)10項(xiàng)。獲《金屬學(xué)報(bào)》(英文版)優(yōu)秀審稿人、中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)科技論文一等獎(jiǎng)、第16屆全國(guó)復(fù)合材料大會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。主要研究方向：金屬基復(fù)合材料粉末冶金工藝；金屬基復(fù)合材料的成型加工。

特約撰稿人范國(guó)華

特約撰稿人歐陽(yáng)求保

耿林:男，1964年生，1995年評(píng)為教授，1999年評(píng)為博士生導(dǎo)師，黑龍江省杰出青年基金和教育部新世紀(jì)人才獲得者，洪堡學(xué)者，兼任中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)理事、中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)理事等職。長(zhǎng)期從事金屬基復(fù)合材料的制備、塑性變形、界面結(jié)構(gòu)、性能表征和應(yīng)用等方面的研究工作，主持和參加國(guó)家“973”、“863”、國(guó)家自然科學(xué)基金等科研課題40余項(xiàng)。采用擠壓鑄造、半固態(tài)擠壓與高精密加工技術(shù)制備出高彈性模量SiCw/Al復(fù)合材料薄壁管件，成功應(yīng)用于系列衛(wèi)星天線展開(kāi)絲杠。相關(guān)成果獲黑龍江省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利30余項(xiàng)，SCI 收錄論文200余篇、他引1200余次。范國(guó)華:男，1981年生，2009年獲得工學(xué)博士學(xué)位，副教授，博士師生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合料的設(shè)計(jì)、制備和先進(jìn)表征等研究工作，重點(diǎn)研究非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的構(gòu)型強(qiáng)韌化機(jī)制，采用電子顯微鏡、同步輻射、中子衍射等技術(shù)開(kāi)展復(fù)合材料的形變機(jī)制與失效特性研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)，參與國(guó)家自然科學(xué)基金、“973”項(xiàng)目、“863”項(xiàng)目等10余項(xiàng)，發(fā)表SCI論文50余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利10余項(xiàng)。

歐陽(yáng)求保:男，1967年生，教授，博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，兼任中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間材料專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員，全國(guó)工程材料標(biāo)準(zhǔn)化工作組委員，中國(guó)金屬基復(fù)合材料學(xué)會(huì)委員等。主要從事鋁基復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。主要從事輕質(zhì)高強(qiáng)鋁基復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)功能一體化鋁基復(fù)合材料等，以及它們的設(shè)計(jì)、制備技術(shù)、成形加工技術(shù)以及應(yīng)用開(kāi)發(fā)。其中多項(xiàng)鋁基復(fù)合材料的研究成果已成功應(yīng)用于我國(guó)航天、空間、汽車(chē)等領(lǐng)域。獲2001年國(guó)家某領(lǐng)域科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，2003年上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，制定了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)二項(xiàng)，其中一項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；國(guó)際會(huì)議特邀報(bào)告4次，發(fā)表論文40余篇。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，先后主持承擔(dān)了國(guó)家重要領(lǐng)域項(xiàng)目5項(xiàng)，以及國(guó)家“863”項(xiàng)目、國(guó)家“973”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等，還主持承擔(dān)了多項(xiàng)與中國(guó)航天科技集團(tuán)、中國(guó)航天科工集團(tuán)、中國(guó)科學(xué)院等院所或公司的橫向應(yīng)用合作項(xiàng)目。

Research and Development ofHybrid Reinforced Metal Matrix Composites

LI Zhongwen1, JIN Huiling2, LI Shisheng2, OUYANG Qiubao2，ZHANG Di2

(1.Qingdao Zhongche Sifang Locomotive Co., Ltd., Qingdao 266111, China) (2.State Key Laboratory of Metal Matrix Composites, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

When improving the strength and elastic modulus of traditional metal matrix composites, their toughness always decreases at the mean time, which limits their application in various fields. In order to meet the needs in the field of high technology and the ductility and toughness of composites, hybrid reinforcements with various types or different sizes are used in metal matrix composites. It combines the unique properties of the reinforcements to improve the properties of composites. The interactions between hybrid reinforcements make the metal matrix composites possess lower thermal expansion coefficient, higher wear resistance and superior mechanical properties. In addition, it also reduces the cost of raw materials. Therefore, hybrid composites become the most potential material for application in aerospace and defense cutting-edge technology, and promote the progress of the entire industrial technology. This paper introduces types of hybrid reinforced metal matrix composites and progress in the research of hybrid composites. The basic structures of hybrid reinforced composites and their advantages and disadvantages are summarized, and the future development of the configuration and function of hybrid reinforced metal matrix composites and key problems of engineering application are discussed.

hybrid reinforcements; metal matrix composites; SiCp; CNTs;in-situgrown; property

2016-07-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51471106);

李忠文，男，1980年生，工程師

歐陽(yáng)求保，男，1967年生，教授，博士生導(dǎo)師，

Email: oyqb@sjtu.edu.cn李士勝，男，1988年生，博士，Email: jdlss@sjtu.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.09.07

TG113.25

A

1674-3962(2016)09-0694-07