材料导报 2005年5月第19卷第5期 料界面效应、复合效应得到充分发挥,实现在高性价比基础上的影响和对SC-A复合材料的组织与性能的影响时发现,Mg与 规模生产。而在金属基复合材料的实际制备过程中,还存在很SiC表面的氧化物薄膜和铝基体发生反应,该反应会阻止SC与 多问题。一方面制造金属基复合材料所用的金属基体和陶瓷A基体反应生成A4C3脆性相,同时SC表面的微反应也增加 增强材料的浸润性一般都很差在液态成形时,熔体很难浸入增基体与SC的结合强度,改善了基体与S之间的浸润性 强材料之间另一方面,增强材料和基体金属之间的物理相容2.3优化制备工艺及参数 性、化学相容性较差,可能造成金属基复合材料失效的问题;最 金属基复合材料界面反应程度不但与所选取的试验系有 后金属基复合材料中增强体难于按设计要求分布。上述各制备关,还主要取决于制备方法和工艺参数。由于高温下基体和增 方法都不能完全地解决这些问题,制作预制体可以克服增强相强体的化学活性均迅速增加,温度越高反应越激烈在高温下停 分布不均的问题,但同时也带来了工艺复杂化成本增加且不能留时间越长反应越严重,因此在确保复合完好的情况下,制备温 大规模应用的弊端;压力浸渗和液态挤压工艺可以部分地改善 度应尽可能低,复合过程和复合后材料在高温下保持时间应尽 增强材料和基体间界面浸润性差的问题并能减少二者界面反应可能短。选择适当的气氛与压力也是控制和优化界面反应的重 的机会但也增加了操作难度且使工艺和设备复杂化,不便于应要途径。 用到大规模的生产中;离心铸造法只能用于制备特定形状的简2.4原位反应法 单零件。液态搅拌铸造法是一种适合于工业规模生产金属基复 通过合理地选择合金熔体元素和外加反应剂的成分,使之 合材料的方法,但由于界面间润湿性较差且增强体在基体中分 在一定的条件下发生物理化学反应,可以在金属基体内原位生 布不均,所以难于复合出高性能的材料。 成均匀分布的增强相。因为增强体在金属基体中原位生成,所 以增强体和金属基体间有良好的热力学稳定性和化学相容性, Thermocoupl 从而提高二者之间的界面结合强度。虽然目前原位反应法发展 尚不成熟,还有一些问题需要进一步解决,但利用原位自生法制 备金属基复合材料可以克服上述其他工艺中由于增强体表面污 染引起的增强体和基体金属的润湿性差的缺陷,并能够降低生 产成本,因而具有广阔的发展和应用前景。 结论和展望 金属基复合材料具有出色的性能但到目前为止,金属基复 田6离心铸造工艺装置示意图 合材料的制备技术还不成熟,尚不能大规模应用于工业生产 Fig 6 Schematic drawing of apparatus for centrifugal 最近的研究已经证实,经过表面改性和向基体中添加合金元素 以及优化工艺参数,可以通过能实现规模生产的搅拌法制备出 提高复合体系的温度有助于提高基体和增强材料间的润湿高性能的非连续金属基复合材料。即使如此,增强颗粒或短纤 性,但增加了界面化学反应程度。于是探索在较低的温度下能维不能在基体中均匀分布的问题仍没有得到解决。因此有必要 够提高基体和增强相的浸润性的复合工艺成为当前该领域的主探索一种既能够保留搅拌法适于工业生产的优点、又能使增强 要课题。经过几年的努力,人们已取得了初步的成果。改善基材料均匀分布的新的金属基复合材料制备工艺 体与增强体的浸润性、控制界面反应有以下一些措施。 随着强磁场技术的进步,这种新制备工艺的可行性正逐渐 2.1增强体表面处理 增加。在普通静磁场(磁感应强度在10T量级)中,弱磁性及 增强体表面改性及涂层处理可以有效地改善浸润性和阻止反磁性物质所受到的磁化力的大小约是强磁性物质的10左 过度的界面反应。表面涂层涂覆具体措施有:物理或化学气相右,因而磁化力的作用效果完全可以忽略。但由于磁化力正比 沉积溶胶凝胶法电镀或化学镀和高温氧化处理等。有的涂于磁感应强度的平方,在10T左右的强磁场中,非磁性体所受到 层同时具有改善润湿性和阻止严重界面反应的功能,还有的涂的磁化力和102T下的强磁性体所受到的磁化力相当所以强 层可起到优化界面结构提高复合材料性能的作用。表面涂层磁场作用下磁化力对材料结构的影响也变得不容忽视。根 厚度一般在几十纳米到1pm,效果较好的涂层有TB、SC、BC、据增强体材料和基体金属材料磁化率和密度的大小,选择合适 CSc等。于志强等对铝基复合材料增强体涂层的种类涂覆的磁场强度既可以使增强体悬浮于基体合金中达到均匀分布 的效果,又可以使增强体聚集到复合材料表面,还可以使各向异 方法及其对复合材料的界面和性能的影响进行了较全面的总性的晶须或短纤维在基体金属中定向排列,即在制备金属基复 合材料的过程中,利用强磁场的磁化力完全可以按照设计要求 2.2金属基体的合金化 改变增强体在金属基体中的分布,从而制备出高性能的金属基 加入合金元素优化基体组分,可减小基体金属的表面张力复合材料)。随着研究的深入,这种新方法必将在理论和实验 和固-液界面能及化学反应自由能从而改善金属基体与增强材上得到突破,获得广泛的应用。 料之间的润湿性。这也是一种有效、经济的优化界面及控制界 面反应的方法。对于铝基复合材料,常见的添加元素有Ca、Li、 参考文献 Mg等。张全萍等在研究Mg含量对SC与A之间浸润性的1陈华辉邓海金李明,等.现代复合材料.北京:中国物质 o1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net材料导报 年 月第 卷 第 期 料界面效应 、 复合效应得到充分发挥 , 实现在高性价比基础上 的 规模生产 。 而在金属基复合材料的实际制备过程 中 , 还存在很 多问题 。 一方面 , 制造金属 基复合材料所用 的金属基体和 陶瓷 增强材料的浸润性一般都很差 , 在液态成形时 , 熔体很难浸人增 强材料之间 另一 方面 , 增强材料 和基体金属之 间 的物理相容 性 、 化学相容性较差 , 可能造成金属基复合材料失效的问题 最 后金属基复合材料中增强体难于按设计要求分布 。 上述各制备 方法都不能完全地解决这些 问题 , 制作预制体可 以克服增强相 分布不均的问题 , 但同时也带来了工艺复杂化 、 成本增加且不能 大规模应用 的弊端 压力浸 渗和液态挤压工艺可 以部分地改善 增强材料和基体间界面浸润性差 的问题并能减少二者界面反应 的机会 , 但也增加了操作难度且使工艺和设备复杂化 , 不便于应 用到大规模的生产中 离心铸造法 只能用 于制备特定形状 的简 单零件 。 液态搅拌铸造法是一种适合于工业规模生产金属基复 合材料的方法 , 但由于界 面 间润湿性较差且增强体在基体中分 布不均 , 所 以难于复合出高性能的材料 。 影响和对 一 复合材料 的组织 与性能的影 响时发现 , 与 表面的氧化物薄膜和铝基体发生反应 , 该反应会阻止 与 基体反应生成 脆性 相 , 同时 表 面的微反 应也增 加 了基体与 的结合强度 , 改善了基体与 之间的浸润性〔’ 〕。 优化 制备工艺及参数 金属基复合材料界面反应 程度不但与所选 取 的试 验 系有 关 , 还 主要取决于制备方法 和工艺参数 。 由于 高温下 基体和增 强体的化学活性均迅速增加 , 温度越高反应越激烈 , 在高温下 停 留时间越长反应越严重 , 因此在确保复合完好的情况下 , 制备温 度应尽可能低 , 复合过程和复合后 材料在高温下保持时 间应尽 可能短 。 选择适 当的气氛与压力也是控制和优化界面反应 的重 要途径 。 原位反应 法 通过合理地选择合金熔体元素和外加反应剂的成分 , 使之 在一定的条件下发生物理化学反应 , 可 以在金属基体内原位生 成均匀分布的增强相 。 因为增强体在金属 基体中原位生 成 , 所 以增强体和金属基体间有 良好的热力学稳定性 和 化学 相 容性 , 从而提高二者之间的界面结合强度 。 虽然 目前原位反应法发展 尚不成熟 , 还有一些 问题需要进一步解决 , 但利用原位 自生法制 备金属基复合材料可以克服上述其他工艺中由于增强体表面污 染引起的增强体和基体金属 的润湿性差 的缺 陷 , 并能够降低生 产成本 , 因而具有广阔的发展和应用前景 。 切口曰 图 离心铸造工艺装里示意图 劝 韶廿 提高复合体系的温度有助于提高基体和增强材料间的润湿 性 , 但增加了界面化学反应程度 。 于是探索在较低的温度下能 够提高基体和增强相 的浸润性的复合工艺成为当前该领域的主 要课题 。 经过几年的努力 , 人们已取得 了初步的成果 。 改善基 体与增强体的浸润性 、 控制界面反应有以下一些措施 。 增强体表面处理 增强体表面改性及涂层处理可 以有效地改善浸润性和阻止 过度的界面反应 。 表面涂层涂覆具体措施有 物理或化学气相 沉积 、溶胶 一凝胶法 、 电镀或化学镀和高温氧化处理等 。 有 的涂 层 同时具有改善润湿性和阻止严重界面反应 的功能 , 还有的涂 层可起到优化界面结构 、 提高复合材料性能 的作用 。 表面涂层 厚度一般在几十纳米到 叩 , 效果较好的涂层有 一 、 、 、 等 。 于志强等对铝基复合材料增强体涂层 的种类 、 涂覆 方法及其对复合材料 的界面 和性能的影 响进行 了较全面 的总 结〔, , 〕。 金属 基体的合金化 加人合金元素优化基体组分 , 可减小基体金属 的表面张力 和 固 一 液界面能及化学反应 自由能 , 从而改善金属基体与增强材 料之间的润湿性 。 这也是一种有效 、 经济的优化界面及控制界 面反应 的方法 。 对于铝基复合材料 , 常见 的添加元素有 、 、 等 川 。 张全萍等在研究 含量对 与 之间浸润性 的 结论和展望 金属基复合材料具有出色的性能 , 但到 目前为止 , 金属基 复 合材料 的制备技术还 不 成熟 , 尚不能 大规模应 用 于 工 业 生 产 最近 的研究已 经证实 , 经过表面改性和向基体中添加合金元素 , 以及优化工艺参数 , 可 以通 过能实现规模生产 的搅拌 法 制 备出 高性能的非连续金属基复合材料 。 即使如此 , 增强颗粒或短纤 维不能在基体中均匀分布的问题仍没有得到解决 。 因此有必要 探索一种既能够保留搅拌法适 于工 业生产的优点 、 又 能使增 强 材料均匀分布的新的金属基复合材料制备工艺 。 随着强磁场技术的进步 , 这种新制备工艺的可行性正逐 渐 增加 。 在普通静磁场 磁感应强度在 一 ’ 量级 中 , 弱磁性及 反磁性物质所受 到的磁化力 的大小约是强磁性 物质的 一 左 右 , 因而磁化力的作用效果完全可 以忽 略 。 但 由于磁化力正 比 于磁感应强度的平方 , 在 左右的强磁场中 , 非磁性体所受到 的磁化力和 一 下 的强磁性体所受到 的磁化力相 当 , 所 以 强 磁场作用下磁化力对材料结 构的影 响也变得 不容忽视 ’ 〕。 根 据增强体材料和基体金属材料磁化率和密度的大小 , 选 择合适 的磁场强度 , 既可 以使增强体悬浮于基体合金 中达到均匀 分布 的效果 , 又可 以使增强体聚集到复合材料表面 , 还可 以使各向异 性的晶须或短纤维在基体金 属 中定 向排 列 , 即在制备金属基复 合材料的过程 中 , 利用强磁场的磁化力完全可 以按 照设计要求 改变增强体在金属基体中的分布 , 从而制备出高性 能 的金属 基 复合材料〔川 。 随着研究的深人 , 这种新方法必将在理论 和 实验 上得到突破 , 获得广泛 的应用 。 参考文献 陈华辉 , 邓海金 , 李明 , 等 现代复合材料 北京 中国物质 口碑卿