金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀與發(fā)展

□張文毓

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所河南洛陽(yáng)471023

金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀與發(fā)展

□張文毓

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所河南洛陽(yáng)471023

金屬基復(fù)合材料以陶瓷為增強(qiáng)材料、以輕合金為基體材料制備而成，從性能特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀、應(yīng)用等方面對(duì)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行了介紹。

1 概述

1.1 基本性能特點(diǎn)

金屬基復(fù)合材料除了具有高比強(qiáng)度、高比模量和低膨脹系數(shù)等與樹(shù)脂基復(fù)合材料相似的特點(diǎn)外，還具有良好的耐熱性、高韌性、耐老化性、高導(dǎo)電和高導(dǎo)熱性，同時(shí)還能抗輻射、阻燃、不吸潮、不放氣，以及尺寸穩(wěn)定。因此，在某些應(yīng)用場(chǎng)合比樹(shù)脂基復(fù)合材料更有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。表1為金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能一覽表。

1.2 分類

（1）按增強(qiáng)材料分類。纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

（2）按基體材料分類。鋁基復(fù)合材料、鎂基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料、高溫合金基復(fù)合材料、金屬間化合物基復(fù)合材料。

1.3 制備工藝

（1）固態(tài)法。真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合、超塑性成型/擴(kuò)散結(jié)合、模壓、熱等靜壓、粉末冶金法。

（2）液態(tài)法。液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態(tài)鑄造。

（3）噴射成型法。等離子噴涂成型、噴射成型。

（4）原位生長(zhǎng)法。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 鋁基復(fù)合材料

目前已經(jīng)研制成功的長(zhǎng)纖維鋁基復(fù)合材料主要有以下五種:硼-鋁復(fù)合材料、碳(石墨)-鋁復(fù)合材料、碳化硅-鋁復(fù)合材料、氧化鋁-鋁復(fù)合材料和不銹鋼絲-鋁復(fù)合材料[2]。

鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)體還有短纖維、晶須和顆粒增強(qiáng)物，與其它金屬基復(fù)合材料相比，鋁基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)是輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌性、導(dǎo)熱性好、適用的制備方法多、工藝靈活性大、易于塑性加工、制造成本低，因此研究最為廣泛和深入，制造技術(shù)也相對(duì)成熟。最具代表性的是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，它具有高比模量、高比強(qiáng)度、良好的塑性和較高的疲勞極限，以及耐高溫、抗腐蝕等性能。

表1 金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能一覽表[1]

常用的增強(qiáng)顆粒主要包括碳化硅、四氮化三硅、三氧化二鋁、碳化鈦、二硼化鈦、氮化鋁、碳化四硼及石墨顆?；蚪饘兕w粒等。

到目前為止，制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料較為成熟的技術(shù)主要有以下幾種：粉末冶金法、擠壓鑄造法、攪拌鑄造法、噴射沉積法和原位復(fù)合法。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了碳納米管(CNTs)、石墨烯(GR)、氮化硼納米管(BNNTs)等在微觀尺度上，具有十分優(yōu)異的剛度和強(qiáng)度，將它們與鋁基體復(fù)合，有望在宏觀上發(fā)揮這些優(yōu)異性能，獲得很高的增強(qiáng)效率和增強(qiáng)效果。另一方面，納米尺寸的增強(qiáng)體和基體結(jié)構(gòu)能夠在鋁基中發(fā)揮尺寸效應(yīng)，通過(guò)發(fā)揮材料中的位錯(cuò)、晶界等微觀缺陷，以及應(yīng)力-應(yīng)變分配行為等的作用來(lái)調(diào)控材料性能[3]。

2.2 鎂基復(fù)合材料

鎂基復(fù)合材料是繼鋁基復(fù)合材料之后又一具有競(jìng)爭(zhēng)力的輕金屬基復(fù)合材料，其主要特點(diǎn)是密度低,比強(qiáng)度和比剛度高，同時(shí)還具有良好的耐磨性、耐高溫性、耐沖擊性，優(yōu)良的減振性能及良好的尺寸穩(wěn)定性和鑄造性能等；此外，還具有電磁屏蔽和儲(chǔ)氫特性等，是一類優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)和功能材料，也是當(dāng)今高新技術(shù)領(lǐng)域中最有希望采用的復(fù)合材料之一；但由于價(jià)格昂貴，目前主要應(yīng)用于航天及航空領(lǐng)域。

構(gòu)成鎂基復(fù)合材料的基體合金主要分為鑄造、變形和超輕等系列。鑄造系包括鎂-鋁、鎂-鋅、鎂-鋁-鋅、鎂-鋁-鋯、鎂-鋅-鋯-稀土等,側(cè)重于制造鎂基復(fù)合材料;變形系包括鎂-錳、鎂-鋁-鋅、鎂-鋅-鋯、鎂-稀土等,側(cè)重于擠壓性能的復(fù)合材料應(yīng)用;鎂-鋰系是目前最輕質(zhì)的合金系,具有較強(qiáng)的抗高能粒子穿透能力,以及能顯著降低構(gòu)件質(zhì)量、節(jié)約能量和滿足某些高性能的要求。增強(qiáng)體可以分為顆粒、晶須、纖維等幾種,增強(qiáng)體的選擇要從復(fù)合材料的應(yīng)用情況、制備方法，以及增強(qiáng)體的成本等諸多方面考慮。常用的增強(qiáng)體主要有碳纖維、鈦纖維、硼纖維、三氧化二鋁短纖維、碳化硅晶須、碳化四硼顆粒、碳化硅顆粒和三氧化二鋁顆粒等。

鎂基復(fù)合材料中常用的制備方法有攪拌鑄造法、熔體浸滲法、粉末冶金法、原位反應(yīng)自生法、噴射沉積法[4]。

2.3 鈦基復(fù)合材料

鈦基復(fù)合材料可在比鋁、鎂基復(fù)合材料更高的溫度下使用,曾引起人們很大的關(guān)注。鈦基復(fù)合材料(TMCs)以其高比強(qiáng)度、比剛度，以及良好的抗高溫、耐腐蝕性能,在航空、航天、汽車(chē)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,引起了材料研究者的廣泛興趣。國(guó)外對(duì)鈦基復(fù)合材料的研究已有近40年的歷史,發(fā)展相當(dāng)迅速,開(kāi)發(fā)的原位合成工藝、纖維涂層等制備技術(shù)已經(jīng)成功用于制備高性能鈦基復(fù)合材料。

鈦基復(fù)合材料分為連續(xù)纖維增強(qiáng)（FTMCs）和顆粒（晶須）增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（PTMCs）兩大類，這兩種復(fù)合材料都要求基體材料具有較好的力學(xué)和加工成形性能。

目前研究較多的制備方法主要有：粉末冶金法、熔鑄法、放熱彌散法、自蔓延高溫合成和機(jī)械合金化等[5]。

2.4 國(guó)外金屬基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

金屬基復(fù)合材料是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的一種高技術(shù)的新型工程材料，它具有高的比剛度、比強(qiáng)度，優(yōu)良的高溫性能，低的熱膨脹系數(shù)，以及良好的耐磨、減摩性。由于其優(yōu)良的加工、成形性能，明顯的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)，在世界許多國(guó)家，如美國(guó)、英國(guó)、日本、印度、巴西等對(duì)它的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)正多層次大面積展開(kāi)。金屬基復(fù)合材料的成功應(yīng)用首先是在航空、航天領(lǐng)域，如美國(guó)宇航局（NASA）采用硼鋁復(fù)合材料制造飛機(jī)中部20 m長(zhǎng)的貨艙桁架；Martin公司采用二硼化鈦顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造機(jī)翼。近年來(lái)金屬基復(fù)合材料已逐漸被用于要求更精密的關(guān)鍵零部件，英國(guó)航天公司從20世紀(jì)80年代起研究采用顆粒和晶須增強(qiáng)鋁合金制造三叉戟導(dǎo)彈制導(dǎo)元件，美國(guó)DWA公司和英國(guó)BP公司已制造出專用于飛機(jī)和導(dǎo)彈的復(fù)合材料薄板和型材，以及航空結(jié)構(gòu)導(dǎo)槽等。隨著復(fù)合材料研究的深入，其應(yīng)用范圍也開(kāi)始從軍工（飛機(jī)、導(dǎo)彈零部件）擴(kuò)展到民用（汽車(chē)、摩托車(chē)、紡織、石油、化工等行業(yè)），尤其在制造領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

2.5 我國(guó)金屬基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

我國(guó)結(jié)合國(guó)防軍工及高技術(shù)發(fā)展的需要，已開(kāi)展顆粒與纖維增強(qiáng)鋁基、鈦基、鎂基、鐵基、銅基等各類金屬基復(fù)合材料的研發(fā)，已有較好的研究基礎(chǔ)。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究已形成了自身的特色，不僅基礎(chǔ)研究工作的深度和水平處于國(guó)際前列，研制的鋁基復(fù)合材料的性能也達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，而且應(yīng)用研究正在和國(guó)外應(yīng)用研究接軌，并努力將材料推向?qū)嶋H應(yīng)用。結(jié)合鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用要求，我國(guó)還開(kāi)展了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性、熱膨脹性、摩擦磨損特性、疲勞特性、尺寸穩(wěn)定性等應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為鋁基復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。在鋁基復(fù)合材料的復(fù)合和成形技術(shù)研究方面，已基本掌握了精密鑄造、擠壓成形、超塑成形、攪拌鑄造、真空壓力浸漬等技術(shù)，并達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外在金屬基復(fù)合材料研制和開(kāi)發(fā)方面取得了非凡的進(jìn)展，在開(kāi)發(fā)高性能材料方面獲得重大突破，極大豐富了材料市場(chǎng)。但由于金屬基復(fù)合材料在研究和生產(chǎn)過(guò)程中涉及到許多相關(guān)技術(shù)，包括復(fù)合材料制造技術(shù)和使用技術(shù)等，要把這些技術(shù)綜合在一起，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的研究過(guò)程。因此，在金屬基復(fù)合材料的研究和開(kāi)發(fā)過(guò)程中還有許多工作要做，如要進(jìn)一步對(duì)復(fù)合材料的性能與增強(qiáng)體的性能、增強(qiáng)體各自體積分?jǐn)?shù)、基體合金性質(zhì)及性能等之間的關(guān)系，以及增強(qiáng)體之間的相互作用規(guī)律進(jìn)行探討；在金屬基復(fù)合材料中引入三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)相的研究；降低材料成本等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，金屬基復(fù)合材料必將在航空、航天、汽車(chē)、通信、民用工業(yè)等領(lǐng)域可以得到廣泛應(yīng)用[6]。

3 應(yīng)用

3.1 鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用

鋁基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料中最常用的、最重要的材料之一，在航空、航天、汽車(chē)、電子和光學(xué)儀器、體育用品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料最成功的應(yīng)用是日本豐田公司用來(lái)制造柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞,年產(chǎn)量有幾十萬(wàn)只。

碳化硅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用于制造導(dǎo)彈平衡翼和制導(dǎo)元件、航天器的結(jié)構(gòu)零部件和發(fā)動(dòng)機(jī)部件、戰(zhàn)術(shù)坦克履帶，以及汽車(chē)零件如活塞、連桿、汽缸、氣門(mén)挺桿、推桿、活塞銷(xiāo)、凸輪隨動(dòng)機(jī)等，還用于飛機(jī)的機(jī)身地板和新型戰(zhàn)斗機(jī)尾翼平衡器、星光敏感光學(xué)系統(tǒng)的反射鏡基板、超輕高性能太空望遠(yuǎn)鏡的管棒桁架、微波電話插件,高爾夫球棒和蹄鐵等。

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可用于制造衛(wèi)星及航天器結(jié)構(gòu)材料,如衛(wèi)星支架、結(jié)構(gòu)連接件、管材、各種型材、導(dǎo)彈翼、遙控飛機(jī)翼、制導(dǎo)元件；飛機(jī)零部件,如起落架支柱龍骨、縱架管、液壓歧管、直升飛機(jī)閥零件；金屬鏡光學(xué)系統(tǒng),如紅外探測(cè)器、空間激光鏡、高速旋轉(zhuǎn)掃描鏡等；汽車(chē)零部件,如驅(qū)動(dòng)軸、剎車(chē)盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、襯套和活塞、連桿、活塞鑲?cè)Γ淮送膺€可用于制造微波電路插件、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精密零件、渦輪增壓推進(jìn)器、電子封裝器件、自行車(chē)框架接頭等。

縱觀國(guó)內(nèi)外，對(duì)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用研究主要集中在碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并且取得很大的成就。少數(shù)國(guó)家（如美國(guó)、日本、加拿大等）已進(jìn)入應(yīng)用階段，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域包括交通運(yùn)輸、航空航天、兵器武裝、電子和光學(xué)儀器等。從發(fā)展趨勢(shì)看，今后非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料不僅會(huì)成為航空航天和空間領(lǐng)域中不可替代的重要材料，而且會(huì)逐步拓寬民用市場(chǎng)，預(yù)計(jì)在本世紀(jì)將會(huì)大批量生產(chǎn)和應(yīng)用[7-8]。

3.2 鎂基復(fù)合材料的應(yīng)用

鎂基復(fù)合材料密度小、比強(qiáng)度和比剛度高,具有良好的尺寸穩(wěn)定性和優(yōu)良的鑄造性能,正成為現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域中最有希望采用的一種復(fù)合材料。鉻鎂復(fù)合材料用于人造衛(wèi)星拋物面天線骨架,使天線效率提高539%；美國(guó)海軍衛(wèi)星上已將鎂基復(fù)合材料作為支架、軸套、橫梁等結(jié)構(gòu)件使用,其綜合性能優(yōu)于鋁基復(fù)合材料。

此外,這種材料還具有優(yōu)良的阻尼減振、電磁屏蔽等性能,在汽車(chē)制造工業(yè)中用作方向盤(pán)減振軸、活塞環(huán)、支架、變速箱外殼等,在通信電子產(chǎn)品如手機(jī)、便攜電腦中也用作外殼材料。而且鎂基復(fù)合材料具有高儲(chǔ)氫容量,氫化動(dòng)力學(xué)性能較好,正逐漸成為非常具有發(fā)展前景的儲(chǔ)氫材料[9]。

鎂基復(fù)合材料不僅保留了基體金屬的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及優(yōu)良的冷熱加工性能，而且具有更高的比強(qiáng)度、比剛度、高溫蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性，使其成為一種先進(jìn)的高性能工程結(jié)構(gòu)材料。鎂合金還能作為一種減振材料，可以把振動(dòng)能較快地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟牡?。在汽?chē)、3C產(chǎn)品（即計(jì)算機(jī)Computer、通信Communication和消費(fèi)類電子產(chǎn)品Consumer Electronics三者結(jié)合）、航空航天和國(guó)防軍工等領(lǐng)域具有越來(lái)越重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。已經(jīng)有約60種汽車(chē)部件，包括變速箱外殼、轉(zhuǎn)向柱等應(yīng)用鎂基復(fù)合材料，如德國(guó)克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)用碳化硅增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料制成了汽車(chē)軸承、活塞和氣缸內(nèi)襯等零件，美國(guó)TEXTRON公司、Dow化學(xué)公司用這一復(fù)合材料制成螺旋槳、導(dǎo)彈尾翼和內(nèi)部加強(qiáng)的氣缸等。

3.3 鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用

鈦基復(fù)合材料在國(guó)外已有許多的實(shí)際應(yīng)用。在美國(guó)，大型高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IH-PTET）計(jì)劃的執(zhí)行,已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大量不同的鈦基復(fù)合材料部件,如空心翼片、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子、箱體結(jié)構(gòu)件、連接件及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。隨著在美國(guó)空軍F-22中的引入,鈦基復(fù)合材料已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。日本采用誘發(fā)電位金屬（BEP/M）工藝制備出一系列民用耐磨性好的碳化鈦和硼化鈦顆粒增強(qiáng)的β鈦復(fù)合材料，可望應(yīng)用于汽車(chē)部件。我國(guó)鈦基復(fù)合材料研究起步較晚,但也取得了一些成績(jī)。如何降低材料的制備成本,提高材料穩(wěn)定性是材料研制應(yīng)用過(guò)程中必須要解決的問(wèn)題。

3.4 航空航天領(lǐng)域

金屬基復(fù)合材料主要應(yīng)用領(lǐng)域是航空、航天和軍事領(lǐng)域，已成功地用于人造衛(wèi)星支架、L頻帶平面天線、空間望遠(yuǎn)鏡及照相機(jī)波導(dǎo)和鏡筒、紅外反射鏡、人造衛(wèi)星拋物面天線等．在航空工業(yè)方面，美國(guó)宇航局（NASA）的LEWIS研究中心正在開(kāi)發(fā)采用金屬基復(fù)合材料制造航空用先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)DWA特種復(fù)合材料公司用25%碳化硅6061鋁復(fù)合材料代替7075鋁制造航空結(jié)構(gòu)導(dǎo)槽、角材。

發(fā)展目標(biāo)是代替鋁合金、鈦合金、鋼等用于制造高性能的構(gòu)件，減重并提高性能和儀器精度。美國(guó)已從φ455 mm圓坯中擠壓出質(zhì)量182 kg的碳化硅鋁復(fù)合型材，并軋制出尺寸為3 050 mm×1 320 mm× 3 mm的板材，制造了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星上的零件。加拿大Cercast公司試制了顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（PRA）用于光學(xué)底座、萬(wàn)向支架等精密鑄件，以及液壓管、壓氣機(jī)渦殼和衛(wèi)星反動(dòng)輪，代替鋁合金，減重并提高了使用性能。美國(guó)DWA公司用碳化硅顆粒增強(qiáng)6092鋁基復(fù)合材料代替鋁合金，大規(guī)模用于F16戰(zhàn)斗機(jī)的垂直尾翼，提高使用壽命17倍；代替樹(shù)脂基復(fù)合材料用于波音777的P&W4000發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片，大幅提高使用壽命并降低成本33%。美國(guó)DWA公司和英國(guó)AMC公司將碳化硅鋁復(fù)合材料批量用于EC-120和EC-135直升機(jī)旋翼系統(tǒng)，大幅提高構(gòu)件剛度和使用壽命。這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的成功應(yīng)用，說(shuō)明美國(guó)和英國(guó)對(duì)這種材料的應(yīng)用研究已相當(dāng)成熟[10]。

3.5 汽車(chē)領(lǐng)域

金屬基復(fù)合材料用于汽車(chē)工業(yè)主要是顆粒增強(qiáng)和短纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料、鎂基復(fù)合材料。目前，鋁基復(fù)合材料通常采用鋁硅合金。常用的填充增強(qiáng)劑有陶瓷纖維、晶須和微粒等。與常用汽車(chē)材料鋁合金相比，鋁基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高和彈性模量高、耐熱性和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，是汽車(chē)輕量化的理想材料，已經(jīng)在活塞及活塞環(huán)、缸套、連桿、汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)鼓及剎車(chē)盤(pán)、保持架、驅(qū)動(dòng)軸、傳動(dòng)軸、軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)零件上得到應(yīng)用。

目前，由低密度金屬和增強(qiáng)陶瓷纖維組成的高性能鋁活塞已有所應(yīng)用。國(guó)外推出了氧化鋁纖維增強(qiáng)活塞頂?shù)匿X活塞、氧化鋁增強(qiáng)的鎂合金制造的活塞、氧化鋁纖維及不銹鋼纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料連桿等，進(jìn)一步擴(kuò)大了復(fù)合材料在活塞上的應(yīng)用。

鋁基復(fù)合材料也被用于剎車(chē)輪，其特點(diǎn)是可使質(zhì)量減輕30%～60%，而且導(dǎo)熱性好。美國(guó)某汽車(chē)公司已研制出用碳化硅粒子增強(qiáng)的鋁-10%硅-鎂基復(fù)合材料制成的剎車(chē)輪。目前，中國(guó)上汽集團(tuán)已經(jīng)和有關(guān)高校合作，進(jìn)行鋁基復(fù)合材料汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)的研制，將用于上汽集團(tuán)獨(dú)立開(kāi)發(fā)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轎車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)[11]。

3.6 工業(yè)、娛樂(lè)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施工業(yè)領(lǐng)域

金屬基復(fù)合材料的其它應(yīng)用涵蓋制造業(yè)、光學(xué)儀器、電子工業(yè)、體育休閑及基建領(lǐng)域，既包括硬質(zhì)合金、電鍍及燒結(jié)金剛石工具、銅基及銀基電觸頭材料等成熟市場(chǎng)，也包括碳化鈦增強(qiáng)鐵基耐磨材料、三氧化二鋁纖維增強(qiáng)鋁基輸電線纜、碳化四硼增強(qiáng)鋁基中子吸收材料等新興領(lǐng)域。這些新興領(lǐng)域的表現(xiàn)在很大程度上決定著金屬基復(fù)合材料的未來(lái)增長(zhǎng)點(diǎn)。

鐵基復(fù)合材料的制備和應(yīng)用是提高鋼鐵材料性能的重要研究方向。低密度、高剛度和高強(qiáng)度的增強(qiáng)體顆粒加入到鋼鐵基體中，在降低材料密度的同時(shí)，提高了它的彈性模量、硬度、耐磨性和高溫性能，可應(yīng)用于切削、軋制、噴丸、沖壓、穿孔、拉拔、模壓成型等方面。目前應(yīng)用最多的是碳化鈦顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料，例如注冊(cè)商標(biāo)為Ferro-TiC，Alloy-TiC和Ferro-Titanit的鋼基硬質(zhì)合金，用于抗磨材料和高溫結(jié)構(gòu)材料，性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的工具鋼。

工業(yè)應(yīng)用包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、電鍍和浸漬金剛石刀具、銅和銀金屬基復(fù)合材料電觸頭、石化行業(yè)的抗腐蝕涂層。碳化鈦增強(qiáng)的鐵和鎳合金具有出色的硬度和良好的耐磨性能，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛：切削、軋制、制粒、沖壓、沖孔、金屬熱加工、拉拔、模鍛、鉆孔等；制作的零件包括：鍛錘、沖壓模、罐裝工具、壓紋輥、止回閥、擠壓機(jī)噴嘴、彎曲模、擠壓模、熱鍛模模襯等。

金屬基復(fù)合材料在娛樂(lè)市場(chǎng)的應(yīng)用包括比賽用自行車(chē)管材、線路道釘、長(zhǎng)曲棍球球桿。自行車(chē)輪緣的制動(dòng)表面上涂一層金屬基復(fù)合材料有利于改進(jìn)耐磨性能，減小制動(dòng)距離。

基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用包括盛裝核廢料的鋁-碳化四硼和高架電纜用的鋁-三氧化二鋁。金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品能將電力輸送量提高200%～300%，若能廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)電網(wǎng)，能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益[12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際上，金屬基復(fù)合材料應(yīng)用廣度、生產(chǎn)發(fā)展的速度和規(guī)模，已成為衡量一個(gè)國(guó)家材料科技水平的重要標(biāo)志之一。以用量計(jì)算，美國(guó)、英國(guó)、日本是位列前三的金屬基復(fù)合材料消費(fèi)大國(guó)，超過(guò)消費(fèi)總質(zhì)量2／3的金屬基復(fù)合材料為其所用，這與它們作為發(fā)達(dá)國(guó)家的地位相符。金屬基復(fù)合材料一開(kāi)始因價(jià)格比較昂貴,首先應(yīng)用于航空、航天和軍事領(lǐng)域。而隨著新的材料制備技術(shù)的研制成功和廉價(jià)增強(qiáng)物的不斷出現(xiàn),金屬基復(fù)合材料正越來(lái)越多地應(yīng)用于汽車(chē)、機(jī)械、冶金、建材、電力等民用領(lǐng)域，顯示出廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及相關(guān)領(lǐng)域研究工作的不斷深入,金屬基復(fù)合材料的理論基礎(chǔ)和制備技術(shù)將會(huì)有更大的突破,在各方面將有越來(lái)越廣闊的應(yīng)用前景。

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（編輯：平平）

Metal matrix composite takes ceramic as reinforcing material and light alloy as the base material. The metal matrix composites were introduced from the aspects of performance characteristics,research status, application and soon.

金屬基復(fù)合材料；現(xiàn)狀；綜述

MetalMatrix Composites；Present Status；Overview

TH142；TB333

A

1672-0555（2017）02-079-05

2016年10月

張文毓（1968—），女，本科，高級(jí)工程師，主要從事情報(bào)研究工作。