纖維增強金屬基復合材料研究進展

吳復濤，于延龍，李春海，王紹昌，趙華社，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；3.石家莊工業(yè)泵廠有限公司，河北 石家莊 050100；4.邯鄲群山鑄造有限公司，河北 邯鄲 057350）

科學技術正在不斷的進步和發(fā)展，所以在材料的組織和性能的研究上需要更多的探索，纖維作為增強體可以彌補傳統(tǒng)金屬復合材料存在的局限性，其中兩種或兩種以上的增強體被用來制造一種新復合材料，可獲得比強度高，耐磨性良好，高抗拉強度和硬度等優(yōu)良的綜合性能，因此成為高性能新材料研究的重要發(fā)展方向[1-2]。金屬基復合材料開始出現(xiàn)時，由于其制作成本高，主要應用在航空、航天、國防工業(yè)等重要科技領域。隨著近年來一些低成本新材料和增強體材料的出現(xiàn)，使其在汽車、電子產(chǎn)品、機械工業(yè)等民用領域有更深入的研究和發(fā)展，同時數(shù)值模擬研究可以顯著降低成本，使得金屬基復合材料有了更廣泛的應用領域和經(jīng)濟效益[3-4]。金屬基體和纖維增強體是金屬基復合材料兩大組成部分，基體中纖維增強體的均勻分布及兩者間的增強界面共同決定復合材料的最終性能，目前在Al基、Cu 基、Ti 基、Mg 基等復合材料的研究已取得一定的研究成果[5-8]。不同纖維增強體與不同基體間的組合逐漸受到重視，以及如何獲得良好界面結(jié)合的研究也日益增多。

1 纖維增強復合材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 氧化鋁纖維

氧化鋁纖維由于其優(yōu)異的性能，如良好的高溫穩(wěn)定性、高耐磨性、強抗氧化性和耐腐蝕性等特點，且氧化鋁纖維有較高的表面活性，與金屬基體結(jié)合時可獲得良好的界面結(jié)合狀況，使復合材料密度減小，因此廣泛應用在冶金工程、國防軍事、機械工業(yè)等制造領域[10-11]。如葉輪、砂漿泵軸、及汽車活塞部件等。Vishwanath Patil 等[12]研究了氧化鋁纖維含量對Al-4.5Cu 復合材料的力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：加入質(zhì)量分數(shù)為（10～30）%的氧化鋁短纖維與Al-4.5Cu 合金制成的復合材力學性能高于基體合金，氧化鋁短切纖維的加入使復合材料的硬度、屈服強度和抗拉強度得到明顯提高。J.W.Kaczmar 等[13]采用擠壓鑄造法研究氧化鋁纖維增強銅基復合材料的抗彎強度和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)其孔隙率低、纖維基體界面良好。由于氧化鋁纖維的加入，使復合材料在高溫下具有較高的抗彎強度。纖維在銅基體中可傳遞基體載荷，減少了銅基體的塑性變形，纖維的加入使Cu 的導熱性和導電性降低相對較小，在電學和熱學領域上有廣泛應用前景。

1.2 碳纖維

碳纖維具有高比強度、強耐蝕性及耐疲勞性強等優(yōu)異性能，且碳纖維密度小，對于增強輕金屬復合材料有重大意義，尤其廣泛應用在Al、Mg 基復合材料的軍工制造、航空航天及汽車工業(yè)等領域。陳莉等[14]研究了碳纖維質(zhì)量分數(shù)對鐵基復合材料耐磨性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：不同質(zhì)量分數(shù)碳纖維在鐵基體中呈現(xiàn)不同形狀分布，且均勻分布。碳纖維質(zhì)量含量越高，復合材料硬度越高、磨損率越低。劉藝等[15]研究連續(xù)碳纖維體積分數(shù)對鋁基復合材料彎曲強度的影響。研究發(fā)現(xiàn)：復合材料中碳纖維體積分數(shù)增加，其彎曲強度先增大后減小。纖維體積分數(shù)為0.4%時，彎曲強度最大。Wu Jinhao 等[16]用粉末冶金法研究短碳纖維對鋁基復合材料力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：由于短碳纖維的加入，在纖維與鋁基體界面之間形成Al4C3 的增強界面，提高了復合材料的硬度和抗拉強度，短碳纖維增強AA7075 在高溫下比AA7075 有更好的性能。尹冠飛等[17]研究碳纖維含量對A365 鋁基復合材料組織性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：當碳纖維含量為5%時，復合材料有最高密度和高比強度。復合材料斷口區(qū)域呈韌性斷裂的凹凸不平結(jié)構(gòu)，由于纖維和基體在拉伸時存在脫粘情況，充分發(fā)揮了纖維的增強效果。

1.3 玄武巖纖維

玄武巖纖維相比于傳統(tǒng)材料具有低成本、較高的比強度和比模量參數(shù)，其增強金屬具有加工性和剛度好、耐腐蝕和耐磨性高，主要應用于輕量化組件，如汽車、船舶、風力渦輪機葉片等[18]。丁浩等[19]利用真空壓力浸滲將二維編織連續(xù)玄武巖纖維與Al-12Si 箔交替堆疊制成層狀復合材料。研究表明：在溫度為660 ℃、浸滲時長10 min、10 MPa 壓力下可獲得全致密的層狀結(jié)構(gòu)復合材料，有良好的冶金結(jié)合界面，具有一定抗彎強度。李偉等[20]在玄武巖纖維上渡一層均勻銅層以提高纖維和鎂基體之間的潤濕性。研究表明：鍍銅纖維作為增強體可得到織致密，力學性能較高的復合材料，其壓縮強度最高時加入的鍍銅纖維體積分數(shù)為15%.

2 金屬基復合材料的制備方法

在制備復合材料時，由于不同的制備方法會對金屬基體和纖維增強體之間的界面結(jié)合性能產(chǎn)生較大的影響，所以在選擇制備方法時要避免不良界面反應的發(fā)生，盡可能不降低原增強體和基體性能的前提下，降低制作成本成為了人們關注的焦點。復合材料的制備方法主要分為固相法和液相法兩大類。

2.1 固相法

固相法就是將箔-纖維-箔或者纖維與金屬粉末按設計比例進行機械混合，并通過加熱和加壓使增強體和基體結(jié)合成復合材料。在其制備過程中，基體和纖維增強體都處于固態(tài)條件，且溫度較低，因此兩者間不會發(fā)生嚴重的界面反應，可獲得良好的界面潤濕性。

2.1.1 粉末冶金法

粉末冶金主要就是將纖維和金屬粉末混合，通過熱壓或者冷壓制成復合材料。該制備工藝的好處在于金屬基體和增強體種類不受限制，且制備的復合材料組織均勻，性能良好。但由于其所需的工藝設備較為復雜，制作成本高，不適合批量規(guī)模的生產(chǎn)。任澍忻等[21]通過粉末冶金法研究不同碳纖維質(zhì)量分數(shù)對Fe-Cu 基復合材料耐磨性的影響，研究表明：該復合材料主要為磨粒磨損，碳纖維的加入起到釘扎摩擦組元和強化基體的作用，可降低材料磨損。碳纖維質(zhì)量分數(shù)在2%～4%時，復合材料的硬度可達到HV 102.2～118.6，磨損失重量最小。

2.1.2 真空熱壓法

2.2 煙臺市紅富士葉片養(yǎng)分含量的相關性分析 果樹體內(nèi)的營養(yǎng)元素，除與土壤養(yǎng)分含量有直接關系外，也與果樹體內(nèi)元素間的相互作用密切相關[9-11]。各元素之間既有拮抗關系，也有協(xié)同關系。眾多的試驗證實，營養(yǎng)元素間的拮抗作用相當普遍，在施肥中應予以充分考慮。對紅富士果樹體內(nèi)養(yǎng)分相關性進行分析，有助于了解元素間可能產(chǎn)生的關系，在紅富士養(yǎng)分管理中可根據(jù)這些關系采用適宜的措施來協(xié)調(diào)養(yǎng)分的平衡，有時還可以通過減少種養(yǎng)分的過量施用達到糾正另一種養(yǎng)分缺乏的目的。該研究通過對紅富士葉片養(yǎng)分含量的相關性進行統(tǒng)計，探討葉片中營養(yǎng)元素間的相互關系(表2)。

真空熱壓法主要是制備金屬疊層材料、塊體合金的方法之一。將金屬箔材和纖維將經(jīng)過打磨、清洗和烘干處理后進行交疊排列，之后把鋪好的疊層材料在一定燒結(jié)溫度范圍內(nèi)進行真空熱壓燒結(jié)，最終制成金屬箔和纖維交替緊密結(jié)合，性能較好的復合材料。但是真空系統(tǒng)成本高昂，大規(guī)模工業(yè)應用受限。劉文祎等[22]通過真空熱壓法研究壓力、時間、溫度三個工藝參數(shù)對SiC 纖維增強Ti 基復合材料微觀組織的影響。研究表明：壓力過大時容易導致纖維破碎，壓力過小箔材界面結(jié)合不加，嚴重影響纖維與基體的結(jié)合，溫度則主要影響纖維與基體的界面反應層厚度。張國慶等[23]在真空熱壓法研究熱加工工藝參數(shù)對連續(xù)SiC 纖維增強Ti 基復合材料界面結(jié)合情況的影響。研究發(fā)現(xiàn)：SiC 纖維在Ti 基體中均勻分布，復合材料各組元間界面結(jié)合良好的熱加工工藝參數(shù)為溫度920 ℃，時間30 min，壓力40 MPa.

2.2 液相法

液相法是指在壓力作用下將熔融金屬與固態(tài)纖維結(jié)合形成復合材料的一種方法，該方法制備的復合材料的界面間的潤濕性是研究的重點，因此在制備時往往通過加入特定的合金元素到液態(tài)金屬基體中，或者對纖維表面進行改性處理以此來調(diào)控金屬基體和纖維之間的潤濕性和界面反應。液相法主要有擠壓鑄造，液態(tài)滲透法等。

2.2.1 擠壓鑄造

擠壓鑄造先通過加入適當黏結(jié)劑制備具有一定強度的預制體，將預制體和模具預熱后施加壓力使熔融金屬在壓力作用下浸滲入預制體，保壓一段時間至熔融金屬凝固成型。擠壓鑄造工藝在壓力作用下可加快金屬液的浸滲速度，縮短界面反應時間，以此改善界面間的浸潤性。在壓力作用下還可以消除縮孔縮松缺陷，從而得到組織致密性的復合材料[24]。該制造工藝下如果壓力過大容易導致熔融金屬內(nèi)部產(chǎn)生氣泡和基體氧化，并產(chǎn)生湍流使復合材料力學性能下降，因此必須嚴格控制擠壓壓力大小。魏作山等[25]通過擠壓鑄造技術對比氧化鋁短纖維增強鋁合金內(nèi)燃機活塞和基體合金組織性能，發(fā)現(xiàn)氧化鋁纖維和金屬基體界面結(jié)合良好，在高溫條件下，體現(xiàn)出更好的抗拉性能。

2.2.2 真空壓力浸滲

真空壓力浸漬法是在真空下使熔融金屬填充到纖維增強預制體的模具中，可減小金屬液在填充過程中的氧化，充入高壓惰性氣體使金屬液能更好的浸滲到增強體中，冷卻凝固后得到孔隙率小，鑄造缺陷少，產(chǎn)品質(zhì)量高的金屬基復合材料。該制備工藝由于其壓力系統(tǒng)復雜，限制了其工業(yè)應用。Lehua Qi 等[26]采用液-固擠壓和真空浸滲技術深入研究碳纖維增強Mg 基復合材料的增強機理，制備了不同纖維和基體成分的Cf/Mg 復合材料，研究其強化行為。結(jié)果表明，通過纖維涂層或基體合金化對界面進行改性可以防止界面反應的發(fā)生，改善潤濕性，有利于提高復合材料性能。細小而均勻的沉淀物以及基體中的納米晶有利于復合材料的增強。

3 纖維增強金屬基復合材料界面潤濕性和力學性能研究

3.1 纖維增強復合材料界面潤濕性能研究

將纖維增強體加入到金屬基體中，是為了讓纖維可在基體中起傳遞載荷的作用，以提高復合材料力學性能。由于纖維與基體之間界面潤濕性問題，以及高溫條件下會產(chǎn)生弱相互作用使剪切強度降低，容易使復合材料產(chǎn)生分層或脫粘的缺陷，致使復合材料性能降低。為獲得纖維和基體之間良好的界面結(jié)合狀態(tài)，通常對纖維表面進行改性處理，常用化學鍍、溶膠-凝膠法等。

3.1.1 化學鍍

化學鍍主要用于制備金屬涂層，在纖維上鍍金屬涂層可以防止高溫條件下纖維與熔融基體的直接接觸，避免發(fā)生物理化學反應，顯著改善纖維和基體之間的界面潤濕性。在化學鍍工藝中鎳、銅及銀等金屬涂層應用較為廣泛。

Jianjun SHA 等[27]用擠壓溶體浸滲技術制備具有Ni、Cu 涂層的碳纖維增強鋁基復合材料以提高碳纖維與鋁基的界面潤濕性。結(jié)果表明：包覆Ni、Cu層的纖維與未包覆涂層的纖維相比，包覆涂層可顯著提高復合材料的潤濕性，有效地抑制碳纖維與鋁基復合材料的界面反應，提高纖維與基體的界面結(jié)合性能。L.G.Hou 等[28]通過粉末冶金法研究在短碳纖維上渡鎳涂層后增強與基體之間的潤濕性和力學性能。結(jié)果表明：未涂覆鎳涂層的復合材料在碳纖維與鎂基體之間的界面處有明顯缺陷。碳纖維鍍鎳后在與鎂基體界面間產(chǎn)生Ni3P 和Mg2Ni 相。加入鎳涂層使纖維和金屬基體間的界面潤濕性得到顯著提升，從而提高了復合材料的力學性能。

3.1.2 溶膠-凝膠法

在制備氧化物涂層時常用溶膠-凝膠法，該法是將制備好的溶膠，通過浸漬在纖維表面制備涂層。溶膠-凝膠法制備工藝簡單，成本較低，因此對該法的制備和研究日益廣泛。

馮孟奇等[29]在碳纖維上用溶膠凝膠法制備TiO2涂層和用化學鍍法制備Cu 涂層，通過粉末冶金法研究兩種涂層對銅復合材料組織和性能的影響。研究表明：碳纖維經(jīng)過鍍層處理后，碳纖維結(jié)構(gòu)完整且較為均勻的沿擠壓方向分布，復合材料的致密度明顯提高，復合材料力學性能得以改善。李是捷等[30]通過溶膠凝膠法研究3 種不同氧化物涂層對碳纖維增強鎂基復合材料界面結(jié)合的影響。研究表明：3種氧化物涂層均顯著改善纖維和基體間的界面潤濕性，其中使用TiO2涂層制備的復合材料強度最高。

3.2 纖維增強金屬基復合材料力學性能研究

3.2.1 耐磨性能

對于制備高耐磨性金屬基復合體材料而言，需要對纖維增強體的含量，及施加載荷進行更深入的研究，增強體在基體中的均勻分布及良好的界面結(jié)合有利于提高復合材料的耐磨性。由于陶瓷纖維具有高比強度、高硬度、高耐磨性及彈性模量等優(yōu)良性能，因此在機械工業(yè)、汽車制造、航空航天等領域應用廣泛。

Neeraj PANDEY 等[31]采用粉末冶金法研究硼酸鋁纖維含量的變化對復合材料力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：當硼酸鋁質(zhì)量分數(shù)為10%時，復合材料結(jié)合界面良好，組織致密，硬度提高到HV 40 左右，耐磨性也得到顯著提高。Xu Ran 等[32]采用真空熱壓燒結(jié)制備鍍銅碳纖維增強銅基復合材料耐磨材料。研究發(fā)現(xiàn)：加入鍍銅碳纖維后，延緩了復合材料從微切削磨損向粘著磨損和分層磨損轉(zhuǎn)變的過程，提高復合材料的抗磨性能。

3.2.2 力學性能

纖維加入到金屬基體中為主要承載相，因此盡可能使纖維均勻分布于基體。纖維與基體的界面結(jié)合良好，可防止纖維損傷，使其傳遞載荷的能力得到充分發(fā)揮，以提高復合材料的力學性能。

蔣文婷等[33]利用等離子燒結(jié)技術研究鍍鎳碳纖維質(zhì)量分數(shù)對鋁基復合材料微觀結(jié)構(gòu)及力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：隨鍍鎳纖維含量增加，復合材料硬度增加，其抗拉強度呈先升高后降低趨勢。當碳纖維質(zhì)量分數(shù)為9%時抗拉強度最大為152 MPa，較未添加碳纖維的鋁基復合材料有顯著提升。陳達等[34]研究碳纖維長度對銅基復合材料力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：不同碳纖維長度均有利于提高復合材料力學性能，但隨著纖維長度增加力學性能有所降低。當碳纖維長度為1 mm 時效果最佳，抗彎強度相較與未添加纖維的復合材料提高了65%.

4 總結(jié)與展望

纖維增強金屬基復合材料由于其優(yōu)異的性能特點，在機械工業(yè)、航空軍事及汽車制造等領域發(fā)揮了重要作用。但一些復合材料由于制備成本較高，以至其工業(yè)化生產(chǎn)受到限制，對不同增強體協(xié)同增強復合材料的研究也逐漸被科研工作者所關注。未來在纖維增強金屬基復合材料的研究中，可重點考慮以下三個方面：1）增強體和基體的界面反應研究應更加深入，可增加對氧化物與金屬涂層聯(lián)合改善界面潤濕性的研究以避免纖維損傷，從而獲得更好的界面強度；2）可增加對不同纖維-纖維、纖維-顆粒聯(lián)合增強金屬基復合材料的研究。同時為避免增強體團聚出現(xiàn)，其分布均勻性問題仍然是研究重點；3）由于復合材料的高制備工藝成本，因此對制備工藝進行優(yōu)化，降低其制作成本，是研究者和企業(yè)共同關切的課題。