金属基复合材料的应用发展.doc

金属基复合材料的应用发展 宋润喆 10300220029，化学类 1.金属基复合材料概况 金属基复合材料（Metal Matrix Composite，简称金属基复合材料）是以金属（如铝、镁、铜、钛等）为基体材料，与其他非金属材料结合形成的不同性质或形态的材料。他既同时拥有金属材料和非金属材料的某些特性，又具有纯原组分材料没有的一些性质。金属基复合材料的研究起源于1924年Schmit关于铝/氧化铝粉末烧结的研究工作。此后几十年内金属基复合材料始终得到较快发展。上世纪八十年代初，丰田公司将陶瓷纤维增强铝基复合材料应用于制造柴油发动机活塞，标志着金属基复合材料开始起到不可替代的作用，金属基复合材料的研究与开发得到了飞速发展，极大地推动了新材料科学的发展，并开始在航空航天、军事、汽车、电子等各个领域发挥重大作用，推动了社会发展，并越发显示出无穷的潜力。 但是由于金属基复合材料塑性差，制备工艺复杂，导致成本昂贵，所以除了几种已经在工业中得到应用或者在短期内有应用前景，大多数种类的金属基复合材料仍然不能得到工业规模生产应用或仍在研发阶段。 2.金属基复合材料的分类及制备 金属基复合材料的分类有多种标准，比如以基体材料分可以分为有铝基复合材料、镁基复合材料、铜基复合材料、铁基复合材料、钛基复合材料、镍基复合材料、高温合金基复合材料、金属件化合物基复合材料及难熔金属基复合材料等。还可以以增强体，如石墨、硼、氧化铝、碳化硅、Borsic、钼、钨等来分类。以增强相来区分主要包括颗粒增强金属、晶须或短纤维增强金属和连续纤维增强金属。从发展阶段来看，金属基复合材料发展经历了金属基体复合材料和金属基表面复合材料两个阶段，也就有相对应的两大类金属基复合材料。 金属基复合材料制备工艺主要有固态法、液态法、喷射成型法和原位生长法等。如何通过巧妙的制备方法得到相对廉价的金属基复合材料乃至推动工业化发展，是现在金属基复合材料研究领域中的热点之一。 3.金属基复合材料的应用 由于金属基复合材料至今成本仍然偏高，导致其实际应用中仍有很大局限性，但由于金属基复合材料的优越性能，仍使得他在以下领域和其他领域中正在起着不可替代的作用。下文介绍的主要是铝基复合材料。 汽车工业 最早的金属基复合材料的成功应用就是在汽车工业上开始的。如上文所提及的，上世纪八十年代初丰田公司利用氧化铝纤维增强材料在柴油发动机活塞顶端和环槽处进行增强，使发动机活塞的耐热性和抗疲劳性大大增强。在这以前汽车厂商们往往是利用更加昂贵的高镍铸件，所以这个代替行为事实上并没有增加成本。 发动机中很多零件，如连杆、活塞销、曲轴、轴承等等，尤其一些需要做往复运动的部件，对耐磨、耐高温、抗咬合等性能要求较高，这里就显出金属基复合材料的优越性了。如美国DWA公司采用SiCp/Al复合材料制造摩托车活塞，解决了其耐磨性问题，在一年内使用100次以上的越野赛后仍无明显磨损。此外在汽车工业中其他系统如制动系统中金属基复合材料也同样得到应用。现代赛车运动中金属基复合材料制造的零件已经得到大量的应用。在汽车工业中重量和成本是有着密切的联系的。采用优越的金属基复合材料可以使大大补偿原材料成本的增加。然而金属基复合材料自身的高成本仍是在汽车工业推广金属基复合材料的主要障碍。 航空航天工业和军工业 由于航空航天工业对材料的高要求和对成本的低要求，在早期金属基复合材料的研发中航空航天工业就已经密切关注到了金属基复合材料这一新兴材料应用的无限前景。 航空航天工业由于其特殊性，对材料的重量尤其关注，以至于可以忍受大幅提高的成本以减轻机体重量。这样只有在成本上略显无力而对减轻重量在行的金属基复合材料便在航空航天业大展拳脚。例如飞机的起落架，在飞行过程中起落架不能起到丝毫作用，故而不得不把它的重量尽量减小，但是在飞机起落过程中却受到复杂的负荷，颗粒增强的金属更令人关注。 在军工业上金属基复合材料近年也发挥越来越大的作用。如导弹壳体、轻型坦克履带板、船舶结构体和舱板、雷达天线、导弹镶嵌结构等军工产品也越来越多地采用了金属基复合材料来制造。 电子仪器 以SiCp/Al复合材料为代表的铝基复合材料，具有热膨胀系数小、导热好，密度小的优点，适合于制造电子器材的衬装材料和散热片的器件。如SiC增强铝基复合材料在MCM5中被用来封装和改进冷却结构，使散热能力提高，提高了原件的有效性。 体育用品 人们日常最为常见的应用金属基复合材料的实例便是在体育用品上的应用。如今金属基复合材料被用来制造网球拍、高尔夫球杆、自行车等，得到了广泛应用，为从事体育者能够更加人性化地进行体育运动做出了很大的推动作用。 4.金属基复合材料与资源环境 在各种资源稀缺，环境问题越来越突出的今天，某种材料的好坏和它的资源环境亲和程度有着密切的关系。反过来，任何一种有着优异性能的材