金屬基復合材料的制備方法及發(fā)展現(xiàn)狀

趙鵬鵬，譚建波

(1.河北科技大學材料科學與工程學院，河北石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術重點實驗室，河北石家莊 050018)

金屬基復合材料的制備方法及發(fā)展現(xiàn)狀

趙鵬鵬1,2，譚建波1,2

(1.河北科技大學材料科學與工程學院，河北石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術重點實驗室，河北石家莊 050018)

金屬基復合材料具有較高的比強度和比剛度，廣泛用于軍事、航天等領域，其研究和發(fā)展受到了各行各業(yè)，尤其是重工業(yè)產(chǎn)業(yè)的密切關注。介紹了金屬基復合材料的研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)基體類型和增強相形態(tài)對其進行了分類。常見的金屬基復合材料制備方法包括粉末冶金法、鑄造凝固成型法(攪拌鑄造法和擠壓鑄造法)、噴射成型法和原位復合法，重點介紹了粉末冶金法和鑄造凝固成型法。指出了現(xiàn)階段金屬基復合材料發(fā)展需解決成本偏高、工藝復雜、分布不均勻、高溫下易發(fā)生界面反應及偏聚等問題。

金屬基復合材料；基體類型；增強相；粉末冶金法；擠壓鑄造

近些年來，由于一些高新技術的興起，一些傳統(tǒng)材料已無法滿足多種產(chǎn)業(yè)對其比強度、比剛度等性能的要求。關于高性能材料的研發(fā)是現(xiàn)今新科技發(fā)展的重要方向，而復合材料的出現(xiàn)在較大程度上解決了材料所面臨的問題，促進了材料的發(fā)展[1]。

復合材料是由2種或2種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀(微觀)上組成的具有新性能的材料[2]。由于具備較高的比強度和比剛度，金屬基復合材料的研究和發(fā)展受到了眾多行業(yè)尤其是重工業(yè)的密切關注，然而加工困難是限制其工業(yè)應用的瓶頸問題[3]，成本控制問題也并沒有得到完全解決，所以更多應用于航空航天、軍事科技等尖端科技領域。本文主要通過結(jié)合國內(nèi)外金屬基復合材料相關的研究狀況，介紹金屬基復合材料的分類、制備方法以及發(fā)展趨勢。

1 金屬基復合材料的研究歷史及發(fā)展現(xiàn)狀

在20世紀60年代，由于傳統(tǒng)金屬材料無法滿足一些國家對于高性能武器裝備以及航空技術發(fā)展的需求，因此人們開始了對新材料的研究和開發(fā)，促成了金屬基復合材料的開發(fā)與發(fā)展。20世紀70年代末，粉末冶金法制造復合材料的技術逐漸成熟，利用粉末冶金法制造出的以碳化硅顆粒為增強相的鋁合金的投入使用，標志著鋁合金復合材料的制造成功和商業(yè)化，為以后復合材料進入市場打下了基礎。20世紀80年代，金屬基復合材料發(fā)展迅猛，其中，非連續(xù)增強相復合材料逐步進入人們的視野，并成為發(fā)展研究的重點。1983年，隨著日本Honda汽車公司推出新產(chǎn)品——陶瓷纖維增強相的鋁基復合材料局部鋁活塞[4]，極大地推動了金屬基復合材料由軍用到民用的進程。進入到20世紀90年代，金屬基復合材料的產(chǎn)量已達到300萬t，并逐漸在各種軍事、航天、民用工業(yè)領域中占據(jù)重要地位。

如今，金屬基復合材料已與無機非金屬復合材料、高分子復合材料一同成為3種重要的復合材料。其中鋁合金因較小的密度和優(yōu)異的性能，得到了廣泛應用。

2 金屬基復合材料的分類

金屬基復合材料由于其優(yōu)異的力學性能和某些特殊性能而備受關注，應用范圍廣泛[5]。金屬基復合材料的分類方法通常有兩種，它既可以按照復合材料的基體合金類型進行分類，也可按照復合材料的增強相類別進行分類。

2.1 按照基體類型分類

常用的金屬基復合材料可分為黑色金屬基(如鋼、鐵)復合材料和有色金屬基(如鋁、鎂、鈦、鎳等)復合材料兩大類。

2.1.1 黑色金屬基復合材料

常見的黑色金屬基復合材料是鋼鐵基復合材料。作為最常用的功能材料，鋼鐵因其熔點高，比例大，比強度小，制造工藝困難等導致基于鋼鐵材料的復合材料研究并不廣泛。然而現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展迫切需要在惡劣條件下可正常工作的結(jié)構(gòu)件，因此，改進和提高鋼鐵基體的性能具有重要價值。復合材料采用高比剛度、比強度的增強顆粒與鐵基體相結(jié)合的方法，可以降低基體材料的密度，并提高其硬度、耐磨度、彈性模量等物理性能。鋼鐵基復合材料現(xiàn)主要用于切削工具和耐磨部件等工業(yè)領域。

根據(jù)復合情況不同，鋼鐵基復合材料可分為表面復合材料和整體復合材料。對于整體復合材料，常見的制備方法有粉末冶金法、原位反應復合法、外加增強體顆粒法；表面復合技術常見的制備方法為鑄滲法、鑄造燒結(jié)法等[6]。鋼鐵基復合材料多采用顆粒增強形式，其中碳化鈦、碳化鎢、碳化硅、碳化釩顆粒是最為常見的增強相。

2.1.2 有色金屬基復合材料

常見的有色金屬基復合材料包括鋁基、鎂基、鈦基、鎳基復合材料。

由于有色金屬具有熔點低、硬度小的特點，故有色金屬基復合材料比起黑色金屬基復合材料應用更為廣泛。目前，在航天、航空和汽車工業(yè)等領域中，各種高比模量、高比強度的有色金屬基復合材料輕型結(jié)構(gòu)件正在被廣泛應用。

鋁基復合材料在具有鋁合金密度小、導熱好等特性的同時還具有更高的強度和剛度，而較多的制備方法和易于進行塑形加工的特點也在一定程度上降低了鋁基復合材料的制造成本。相對于鋁基復合材料，鎂基復合材料質(zhì)量更輕，故可用于航天、空間等對構(gòu)件質(zhì)量性能有嚴格要求的高技術領域[7-8]。而且相對于鋁基復合材料350 ℃的極限工作溫度，鈦基復合材料擁有更為優(yōu)異的耐熱性能，但由于其生產(chǎn)制備成本較高，目前還只應用于航空航天領域。鈦基復合材料也是下一代航空發(fā)動機的候選材料之一。鎳基復合材料是另一種常見的有色金屬基復合材料，其優(yōu)異的高溫強度、抗熱疲勞、抗氧化和抗熱腐蝕性能使其在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展，成為制造艦船、航空以及工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機中重要受熱部件的重要材料。有色金屬基復合材料中，常見的增強相有碳化硅、氧化鈰、氧化鋁等。

2.2 按照增強相形態(tài)分類

目前，金屬基復合材料的增強相類型已有許多種。其中，常見的增強相有氧化鋁纖維、硼纖維、石墨(碳)纖維、碳化硅纖維、碳化硅晶須；顆粒型的有碳化硅顆粒、碳化硼顆粒、圖化鈦顆粒等；絲狀的有鎢、鈹、硼、鋼等[9]。對以上增強相按照其在復合材料中的形態(tài)進行分類，可分為連續(xù)纖維增強金屬基復合材料、非連續(xù)纖維增強金屬基復合材料、混雜增強金屬基復合材料3種。

2.2.1 連續(xù)纖維增強金屬基復合材料

連續(xù)纖維增強金屬基復合材料就是利用金屬細線和無機纖維等增強金屬合成的質(zhì)量輕且強度高的材料，纖維直徑3～150 μm(晶須直徑小于1 μm)，縱橫比(長度/直徑)在102以上[4]。連續(xù)纖維增強金屬基復合材料相對于其他增強類型的復合材料，具有更為明顯的增強效果和各向異性。

連續(xù)纖維增強金屬基復合材料由于制造工藝復雜，制造成本較高，主要應用于尖端科技領域。目前，已成功應用于金屬基合金復合材料的連續(xù)長纖維有碳(石墨)纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維和不銹鋼絲等[10]。

2.2.2 非連續(xù)纖維增強金屬基復合材料

由于連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的成本較高，其并不適用于較多考慮成本的普通工業(yè)生產(chǎn)。因此，生產(chǎn)成本更低，以顆粒、晶須、短纖維等為增強相的非連續(xù)纖維增強金屬基復合材料成為了研究的重點，近些年來發(fā)展較為迅速。

非連續(xù)纖維增強金屬基復合材料不僅有較高的比剛度、比強度、高疲勞強度、高耐磨性、高蠕變抗力、低熱膨脹率等特點，而且還具有各向同性。因此，可通過選擇改變強化相的種類形態(tài)或采用傳統(tǒng)工藝進行冷、熱加工來調(diào)整材料的性能，滿足設計要求。非連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的良好特性使其在許多的結(jié)構(gòu)領域成為傳統(tǒng)金屬材料的有力競爭對手，其在航空航天、汽車工業(yè)及民用工業(yè)中的開發(fā)應用中受到了廣泛關注。其中，應用最為廣泛的為顆粒增強金屬基復合材料，常見的顆粒增強相包括碳化硅、碳化鈦、氧化鋁、碳化鎢、氮化硼、碳顆粒等[11]。

2.2.3 混雜增強金屬基復合材料

對單一增強形式來進行組合形成的復合材料稱為混雜增強金屬基復合材料。根據(jù)參與組合的不同增強體進行分類，通常可分為顆粒-短纖維(或晶須)、連續(xù)纖維-顆粒、連續(xù)纖維-連續(xù)纖維3種。相對于其他單一增強的復合材料，混雜增強相可以在一定程度上提高材料的強度，改善材料的力學性能。例如：在短纖維或者晶須預制件中混入顆?？梢越鉀Q其增強相的黏結(jié)、團聚現(xiàn)象，提高材料性能。

除以上幾種常見的增強體外，越來越多的材料作為增強相來制備金屬基復合材料，包括石墨烯、碳納米管這些納米級別的高新材料，其中石墨烯金屬基復合材料取得突破性進展，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 金屬基復合材料的制備方法

近年來，研究者們通過研究金屬基體與增強體之間界面反應的規(guī)律、控制界面反應的方法等開發(fā)出了多種有效制備金屬基復合材料的方法，大大推動金屬基復合材料的發(fā)展和應用[12]。目前，金屬基復合材料的制備方法根據(jù)增強相產(chǎn)生的方式不同可分為第二相外加法、原位復合法兩類。

3.1 第二相外加法

第二相外加法就是將增強相加入到基體內(nèi)來制備復合材料的方法，應用廣泛。常見的第二相外加法包括粉末冶金法、鑄造凝固成型法和噴射成型法。

3.1.1 粉末冶金法

粉末冶金法制備復合材料是指將金屬基體與增強體粉末混合均勻后壓制成型，在低于金屬液相線溫度下進行燒結(jié)，利用原子擴散使金屬基體與增強體粉末結(jié)合在一起的制備復合材料的方法[13]。

粉末冶金法制備復合材料一般包括篩選粉末，基體粉末與增強顆?；旌?、粉末預壓、熱壓、二次加工4個步驟[14]。粉末冶金法常見的二次加工方法有擠壓，軋制等，二次加工可實現(xiàn)對制件的致密化處理并達到最終成型的目的。

作為最早開發(fā)用于制備金屬基復合材料的方法，粉末冶金法的優(yōu)點在于：可以自由選擇基體金屬成分和強化顆粒的種類、尺寸；復合溫度低，基體金屬不易與強化顆粒進行反應，充分發(fā)揮各原料特性；顆粒強化均勻，強化顆粒添加范圍大，還可實現(xiàn)多種顆粒共同強化[15]。但由于金屬基體與增強顆粒在形狀、尺寸、性能方面存在較大差異，因此，利用粉末冶金法制備的復合材料在基體與顆粒的結(jié)合強度方面并不如鑄造復合材料。此外，如何降低工藝難度與成本，解決微細強化顆粒均勻化困難等問題也是粉末冶金法今后發(fā)展研究的重點。

隨著粉末冶金的發(fā)展，利用此方法制備金屬基復合材料逐漸成為一種成熟技術，其原料選擇范圍廣，增強顆粒添加量范圍大的特點更有利于制備出不同金屬基體或不同增強相體積分數(shù)的金屬基復合材料，因而受到廣泛關注。據(jù)統(tǒng)計，目前在所有生產(chǎn)金屬基復合材料的公司中，29%采用了粉末冶金工藝；而應用于航空航天及國防建設領域的金屬基復合材料，57%都是采用粉末冶金法制備的；汽車制造及微電子領域采用粉末冶金法制造的復合材料分別占總數(shù)的31%及43%[16]。目前，國內(nèi)外學者研究較多的主要集中在鐵基、銅基、鋁基和鎂基等復合材料。其中，鋁基復合材料由于其良好的力學性能，較低的密度以及優(yōu)良的導熱性和可塑性，而得到更廣泛的使用及研究，制造技術相較于其他金屬基復合材料也更加成熟。美國的DWA Aluminum Composite公司、Alyn公司和英國的Aerospace Metal Composites公司是3家最早利用粉末冶金法制造顆粒增強鋁基復合材料的廠家，目前都已具備了大規(guī)模的生產(chǎn)能力及豐富的產(chǎn)品線。其中DWA Aluminum Composite公司主要生產(chǎn)碳化硅顆粒增強的鋁基復合材料，其旗下產(chǎn)品2009/SiC/15p-T42復合材料成功取代鈦合金，應用于Eurocopter生產(chǎn)的直升機旋翼系統(tǒng)關鍵部件上[17]，彈性模量相對于傳統(tǒng)配件提高了40%。

3.1.2 鑄造凝固成型法

鑄造凝固成型法是將基體金屬加熱到熔融狀態(tài)，再使其與增強相進行復合從而得到金屬基復合材料的方法。利用鑄造凝固成型法制備金屬基復合材料，所需成本低，工藝過程簡單易于控制，得到的制件質(zhì)量好，應用較為廣泛。常用的方法有攪拌鑄造法和擠壓鑄造法。

攪拌鑄造法是一種常見的制備金屬基復合材料方法，它通過機械攪拌的方法使處于熔融狀態(tài)的金屬基體與增強相混合，來制取復合材料。根據(jù)攪拌溫度進行分類，攪拌鑄造又分為全液態(tài)攪拌鑄造和半固態(tài)攪拌鑄造兩種[18]。

全液態(tài)攪拌鑄造將金屬基體加熱至液相線溫度以上進行機械攪拌，使金屬液的表面產(chǎn)生漩渦，增強相受到漩渦抽吸作用而進入金屬液中，所以又被稱為漩渦法。1971年，BADIA等采用全液態(tài)攪拌法制備了石墨顆粒增強鋁基復合材料。實驗過程：對液態(tài)鋁合金進行機械攪拌使其表面產(chǎn)生漩渦，將定量的石墨顆?？焖偌尤氲戒鰷u中，繼續(xù)攪拌1 min，使石墨顆粒盡可能均勻分散后降低攪拌速度，將金屬液倒入預制模具中，制得復合材料[19]。這是全液態(tài)攪拌鑄造首次被成功用于制造金屬基復合材料，此后，許多研究者對這項工藝進行了實驗，制備出多種復合材料。

半固態(tài)攪拌鑄造是將金屬加熱至固液相溫度之間加入增強相進行攪拌，制取復合材料的方法。它利用了一些金屬或合金半固態(tài)熔體的觸變性(半固態(tài)熔體在高剪應力作用下黏度降低)，方便進行攪拌；同時半固態(tài)熔體中的固相部分可阻礙增強相的上浮、下沉，相對于全液態(tài)攪拌法，增強相分布更為均勻。半固態(tài)熔體觸變性于20世紀70年代初被麻省理工學院的研究FLEMINGS等發(fā)現(xiàn)，當對合金固相分數(shù)超過0.5的熔體進行機械攪拌時，表現(xiàn)出如金屬液一般的低黏度特性[20]。利用這一理論，1974年MEHRABIAN等[21]制備了以Al-2Si-2Fe合金為基體，SiC顆粒為增強相的復合材料，這也是首次成功地利用半固態(tài)攪拌鑄造制備金屬及復合材料。2001年，中國學者張鵬等[22]利用半固態(tài)電磁攪拌，成功制備出石墨顆粒增強鋁基復合材料。

攪拌鑄造法由于較低的成本和簡單的工藝流程而受到了廣泛關注，其設備投入少，制件進行二次加工來作為超塑性變形[23]的預處理工藝，可進一步提高其性能。攪拌鑄造法可用于生產(chǎn)大體積制件，便于進行大規(guī)模生產(chǎn)，不論是在高端科技的航空航天領域，還是在汽車、機械工業(yè)等民用領域，都有大量的應用實例。但攪拌鑄造法的缺點在于，增強顆粒和部分金屬基體制件存在潤濕困難或者不潤濕的現(xiàn)象，顆粒加入和分散困難；氣體伴隨顆粒卷入金屬液或熔體中，機械攪拌作用產(chǎn)生的負壓加劇了這一現(xiàn)象，而由于顆粒的加入使金屬液黏度增大，造成氣體溢出困難，制件表面產(chǎn)生氣孔。譚彥顯等[24]研究了不同工藝條件下的鎂基復合材料的組織結(jié)構(gòu)，并對其氣孔率進行測定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鑄件氣孔率與攪拌溫度和增強相體積分數(shù)成正比，且一般增強相的加入量不得超過總體積的20%。另外，對攪拌鑄造得到的鑄件進行擠壓也可減小氣孔率，使其組織更加均勻。

擠壓鑄造是一種利用高壓作用，使液態(tài)金屬或半固態(tài)金屬充型凝固的精確鑄造方法[25]。蘇聯(lián)科學家在1937年發(fā)明擠壓鑄造，當時稱為“液態(tài)金屬模壓”，故又名液態(tài)模鍛技術。利用液態(tài)模鍛來制備金屬基復合材料，就是將增強相預成型、加熱后澆入金屬液或熔體，將模具壓下后加壓，冷卻得到金屬基復合材料制件。相對于攪拌鑄造，擠壓鑄造法的優(yōu)勢在于：對金屬基體和增強相的相互潤濕性要求低且相互之間不易反應；高壓凝固減少了氣孔的產(chǎn)生，鑄件缺陷少；鑄件成型精確，有些甚至可以一次成型，直接用來做零部件。但擠壓鑄造法制備復合材料對增強顆粒的體積分數(shù)要求較高，研究表明：當復合材料中增強相的體積分數(shù)在20%左右時，制件性能最佳，當體積分數(shù)超過30%時，制件塑形大幅下降。此外，由于工藝本身的限制，擠壓鑄造制備復合材料并不適用于制造大型鑄件。因此，開發(fā)低體積含量的細小顆粒(低于5 μm)增強小型金屬基復合材料鑄件對于此工藝具有重要意義。

3.1.3 噴射成型法

噴射成型法是一種新型的金屬成型工藝，利用金屬快速凝固技術，將熔融金屬霧化噴射，沉積后直接得到金屬坯件，又稱為噴射沉積。噴射成型法在20世紀80年代被引入制備復合材料，由于其普遍的適應性而得到快速發(fā)展[26]。利用噴射成型技術制備金屬基復合材料，是利用稀有氣體將熔融金屬霧化進行噴射，與另一端由稀有氣體輸送的增強相混合，在水冷襯底平臺沉積，形成復合材料制件。根據(jù)增強相的產(chǎn)生方式進行分類，噴射沉積法可分為添加噴射沉積法和反應噴射沉積法兩種[27]。添加法一般利用陶瓷顆粒作為增強體來制取復合材料，而反應法中的增強顆粒是利用一定的化學反應使其在金屬或合金基體內(nèi)原位生成，LAWLY等采用含氧量為10%，含氮量為90%左右的混合氣體，將Fe-Al[ω(Al)=2%]熔霧合金霧化，使其生成Al獲得非常細小的Al2O3彌散強化鐵基復合材料的預成型體。

噴射成型制備復合材料的凝固過程受金屬熔體霧化情況和沉積凝固條件影響較大，凝固過程時間短會造成復合困難甚至不能復合的現(xiàn)象，凝固時間長則易導致增強體的分布不均，因此，此工藝具有不易控制凝固過程的缺點。此外，霧化的金屬熔體和細小增強顆粒容易在稀有氣體氣流的作用下沉積在效應器壁上而造成損失，還有較高的氣孔率和容易出現(xiàn)縮松現(xiàn)象也是噴射沉積法制備復合材料工藝上的缺點。而這種方法的優(yōu)點在于快速的復合工藝以及可抑制晶粒粗大和金屬大范圍偏析現(xiàn)象，在凝固條件控制得當?shù)那闆r下還可保證增強相分布的均勻性[28]。

作為一種新型高效的快速凝固成型工藝，噴射成型法已被成功應用于鐵基、銅基、鈦基和鋁基等顆粒增強復合材料的制備領域，應用的增強顆粒主要是氧化鋁、碳化硅等[29]。

3.2 原位復合法

原位復合法也稱反應合成技術，是一種制備金屬基復合材料的新型方法[30]。不同于一些傳統(tǒng)制備復合材料工藝，原位復合法并不需要外加增強相，而是利用一些特殊反應使增強相在金屬基體中自己生成，從而避免了增強相在復合材料中的偏聚現(xiàn)象。在原位復合法制備復合材料的過程中，增強相可以共晶形式凝固析出，得到的復合材料稱為定向凝固共晶復合材料；也可通過金屬基體、合金熔體中相應元素和加入的元素進行反應得到，稱為反應自生成復合材料。由于增強相的形核和長大都是在基體內(nèi)完成的，因此增強相與基體之間不存在物理、化學性質(zhì)不相容的現(xiàn)象，相互之間潤濕效果好，結(jié)合強度高，不需要對增強相進行預處理，保證了它的純凈度。

原位復合法制備復合材料在1989年由KOCZAK提出，最早出現(xiàn)在前蘇聯(lián)科學家MERZHANOV利用SHS法合成TiB2/Cu功能梯度材料的實驗中，其利用的工藝是自蔓高溫合成法[31]。原位復合法還被用于制備微米級的復合釬料中。其主要通過在釬料中加入增強體和合金中的一些元素，或者利用母材在焊接時溶解進入釬料中的某些元素發(fā)生反應，形成微米級顆粒增強的復合釬料[32]。

盡管對于原位復合法的研究歷史較短，但由于其生產(chǎn)工藝簡單、成本低、生產(chǎn)的制件質(zhì)量好的優(yōu)點，已得到廣泛關注。隨著不斷深入研究的工藝和設備，相信在不久的將來，原位復合法必然會得到更大的發(fā)展，在復合材料制備工藝的改進方面發(fā)揮極其重要的作用。

目前，越來越多的金屬基復合材料的制備方法正在被研發(fā)出來。除了文中提到的幾種常見的方法外，還包括含浸凝固法、熱浸鍍與反向凝固法、疊層復合法等多種復合方法，但由于其技術以及成本的限制，還并沒有被廣泛應用。隨著進一步的研究，相信更多的復合材料制備方法將問世，必將促進金屬基復合材料的普及和發(fā)展。

4 金屬基復合材料發(fā)展趨勢

從20世紀60年代至今，金屬基復合材料已經(jīng)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，不管是在制備還是應用方面都有了較成熟的技術，尤其是在航空航天、武器裝備等尖端產(chǎn)業(yè)的推動下，其制備成型工藝有了很大進步。但對于普通民用工業(yè)，金屬基復合材料的研究發(fā)展還相對緩慢，應用也不是很廣泛，所以若要真正推廣金屬基復合材料，需要解決以下幾個問題。

1)相對于傳統(tǒng)的金屬或合金材料，金屬基復合材料的制造成本偏高且工藝比較復雜。對于民用工業(yè)企業(yè)來說，高昂的生產(chǎn)研發(fā)成本是制約金屬基復合材料進行規(guī)?；瘧蒙a(chǎn)的最大問題。因此，若要使其實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化，就需要進一步研究制備方法，開發(fā)新型的制備工藝，以此降低成本，增強金屬基復合材料在材料市場上的競爭力。

2)增強相與金屬或合金基體的結(jié)合情況及增強相的分布狀況是決定金屬基復合材料性能的重要條件。由于多數(shù)的基體和增強相之間的相互潤濕性存在問題，甚至出現(xiàn)不潤濕的現(xiàn)象，因此造成增強相與基體的結(jié)合強度差和在基體內(nèi)的分布不均勻的現(xiàn)象，給復合材料的制備造成了困難。通過研究發(fā)現(xiàn)，提高制備復合材料時金屬或合金熔體的溫度和向基體內(nèi)添加特定的合金元素都可以得到更好的潤濕效果，但這些方法會進一步增加制備復合材料的工藝步驟，有些甚至會犧牲制件本身的性能，得不償失。因此，如何在低成本的基礎上解決增強相和金屬基體之間的潤濕問題是金屬基復合材料發(fā)展的關鍵。

3)高溫下制備金屬基復合材料會使得金屬基體和增強相之間發(fā)生不同程度的界面反應。一般來說，輕微的界面反應對于整個工藝是有利的，雖然產(chǎn)生界面的脆性相會損傷增強體，改變基體成分，但不會造成嚴重損傷。一旦界面反應顯著生成脆性層，就會嚴重損傷增強相和基體，造成制件性能嚴重下降，甚至低于金屬或合金基體本身的性能。因此，控制整個工藝過程溫度在合理的范圍內(nèi)，減少基體與增強相之間的界面反應對于制備復合材料具有極其重要的意義。

4)在制備金屬基復合材料過程中，增強體在基體中偏聚是研究者遇到的難題之一。如何使其分布均勻也同樣決定著復合材料的性能。在研究中試圖通過離心鑄造、加強攪拌、配制中間合金、原位復合等手段解決該問題。因此，如何使增強體分布均勻始終是眾多學者研究的對象。

此外，金屬基復合材料的進一步發(fā)展離不開新材料的應用。近幾年，石墨烯，碳納米管金屬基復合材料的快速發(fā)展，說明了相對于顆粒增強相更小的粒子增強相的發(fā)展擁有著巨大的潛力，若通過一些途徑進行改性處理來提高其與金屬基體的結(jié)合性能，這類復合材料的發(fā)展和應用前景將非常廣闊。

5 結(jié) 語

與傳統(tǒng)的單一金屬、陶瓷、高分子等工程材料相比，金屬基復合材料除了具有優(yōu)異的力學性能外，更具有某些特殊性能和良好的綜合性能，并且應用范圍也越來越廣泛。經(jīng)過50多年的發(fā)展，隨著越來越多金屬基復合材料的制備工藝和增強相的開發(fā)，金屬基復合材料基本擺脫了初期因價格昂貴而只能應用于高端產(chǎn)業(yè)的困境，越來越多地應用于機械、汽車、建材等民用工業(yè)，顯示出了廣闊的應用前景和極強的競爭力。隨著科學技術的發(fā)展，作為高性能材料中的一支新生力量，金屬基復合材料的理論基礎和制備技術將會有更大的突破，在國民經(jīng)濟的各個領域中發(fā)揮重要的作用。

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Preparation method and research status of metal matrix composites

ZHAO Pengpeng1,2, TAN Jianbo1,2

(1.School of Material Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 2.Hebei Key Laboratory of Material Near-net Forming Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

Due to their high specific strength and high specific stiffness, metal matrix composites are widely used in military, spaceflight, etc., and the research and development of which has been widely concentrated, especially in heavy industry. The research history and development status of metal matrix composites are introduced, and the classification of metal matrix composites is given according to the types of the matrix and the morphology of the reinforcing phase. The common methods for the preparation of metal matrix composites include powder metallurgy, casting solidification molding (stir casting and squeeze casting), spray forming and in situ compounding. The powder metallurgy method and casting solidification forming method are mainly introduced. The problems that need be solved for the development of metal matrix composites including high cost, complicate craft, uneven distribution, and incident surface reaction and segregation under high temperature are pointed out.

metal matrix composites；matrix type；reinforcing phase；powder metallurgic method；squeeze casting

1008-1534(2017)03-0215-07

2017-03-01;

2017-03-29；責任編輯：陳書欣

河北省自然科學基金(E2014208087)；河北省高等學?？茖W技術研究項目(ZD2015003)；河北省引進留學人員資助項目(C201400515)

趙鵬鵬 (1992—)，男，河北正定人，碩士研究生，主要從事精確成型及凝固過程控制方面的研究。

譚建波教授。E-mail：tanjian1998@163.com

TG146.4

A

10.7535/hbgykj.2017yx03011

趙鵬鵬，譚建波.金屬基復合材料的制備方法及發(fā)展現(xiàn)狀[J].河北工業(yè)科技,2017,34(3):215-221. ZHAO Pengpeng, TAN Jianbo.Preparation method and research status of metal matrix composites[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(3):215-221.