金屬基復合材料的現狀與未來發展

李晉

關鍵詞：金屬基復合材料;現狀分析;發展

金屬基復合材料是由兩種或兩種以上性質不同的材料，通過物理或者化學方法處理后形成的新型材料。隨著高科技的快速發展，傳統的金屬材料已經無法滿足現在的重工業要求，需要較高的比強度和比剛度才能進行高精準的加工。但在實際加工過程中遇到了各種各樣的困難，增加了加工成本，導致金屬基復合材料的應用領域受限，只用于航空航天、軍事科技等科技領域。本研究通過對金屬基復合材料的發展現狀進行分析，詳細介紹了金屬基復合材料的分類，有助于設計出更多的金屬基復合材料產品，擴大金屬基復合材料的使用范圍[1]。

1金屬基復合材料的分類

一般情況下，金屬基復合材料有力學性能和特殊性能的區別，廣泛適用于工業生產。通常包括兩種分類方法：一種是按照復合材料內部基體結構形成的合金分類;另一種是按照復合材料的增強相區分。

1.1按照金屬基基體類型分類

常見的金屬基復合材料包括黑色金屬基復合材料（如鋼、鐵）和有色金屬基復合材料（鋁、鎂、鈦等）。

1.1.1黑色金屬基復合材料

通常，黑色金屬基復合材料是指鋼鐵基類復合材料，是比較常見的材料，由于鋼鐵具有熔點高、比強度小、密度大等特點，研發鋼鐵基復合材料的工程并不多。然而，隨著現代工業的快速發展，在極端惡劣條件下能夠正常運行的材料嚴重缺少，因此，需要改善鋼鐵基復合材料的性能，拓寬鋼鐵基復合材料的使用范圍。復合材料需要比剛度、比強度較高的增強物質與鋼鐵基體進行結合，形成新的鋼鐵基復合材料，不僅能夠減小鋼鐵基材料的密度，還能提高鋼鐵基原有的硬度和耐磨性。在工業領域發展中，鋼鐵基復合材料主要用于切削工具和打磨儀器部件等。同時，金屬基復合的情況不同，生產的材料也不同，如表面復合材料和整體復合材料。其中，復合方法各有不同，整體復合材料一般使用粉末冶金法、外加增強體物質法、原位反應復合法等，而表面復合材料使用的是鑄滲法、鑄造法等[2]。

1.1.2有色金屬基復合材料

常見的有色金屬基復合材料有鋁基、鎂基、鈦基、鎳基等，具有熔點低、硬度小等特點，因此，有色金屬基復合材料使用范圍較廣，多見于航空航天、汽車等工業領域。例如，鋁基復合材料具有密度小、導熱性好的特點，容易加工成可塑性材料，降低了工業制造的成本。鎂基復合材料的質量比較小，更多應用于航天和空間的原材料制造中。鎳基復合材料是國內外使用比較廣泛的一種復合材料，具有高溫強度大、抗疲勞性強、抗氧化能力強、抗腐蝕能力強等特點，深受輪船、航空等工業部件制造相關人員的關注[3]。

1.2按照增強相的形態進行分類

1.2.1連續性纖維增強相金屬基復合材料連續性纖維增強相金屬基復合材料是采用金屬細線和無機纖維兩種增強相體進行金屬合成，具有質量小、強度高等特點。和其他增強相復合材料相比，能夠明顯觀察到金屬基復合材料的增強效果。在加工過程中，連續性纖維增強相金屬基復合材料工藝復雜、成本高，大多應用于高端技術。常見的連續性纖維增強相有碳纖維、硼纖維、氧化鋁纖維等。

1.2.2非連續性增強相金屬基復合材料

由于連續性增強相金屬基復合材料的加工成本較高，部分小型工業企業無法使用增強相生產金屬基復合材料。非連續性增強相金屬基復合材料是一種成本低，以顆粒、晶狀體、短纖維等為增強相的加工方式，具有較高的比強度、耐磨性和變抗能力等，因此，工業中可以根據增強相物質進行復合材料的合成，提高金屬基復合材料的性能。非連續性增強相金屬基復合材料常用于顆粒增強相金屬基復合材料[4]。

2金屬基復合材料的研究現狀

2.1鋁基復合材料

鋁基復合材料增強體有長纖維、短纖維、晶狀體和顆粒等增強物質，常見的長纖維鋁基復合材料包括硼-鋁復合材料、碳（石墨）-鋁復合材料、碳化硅-鋁復合材料、氧化鋁-鋁復合材料和不銹鋼絲-鋁復合材料。這些鋁基復合材料的性能特點是質量小、強度高、韌性強、加工工藝易成形、制作成本低等。因此，鋁基復合材料的應用廣泛。顆粒增強相鋁基復合材料的特點是比強度高、比模量大、塑形性強等，包括四氮化三硅、碳化硅、三氧化二鋁、碳化鈦等，根據不同的顆粒增強體，復合材料的制作方法也不同[5]。

2.2鎂基復合材料

鎂基復合材料也是一種質量較小的金屬基復合材料，主要有密度小、比強度高、耐磨性高、抗沖擊性強等特點，同時減振性能較好，能夠準確地進行材料塑形，主要應用于航空航天領域。在鎂基復合材料制造中，分為鑄造、變形和超輕等工藝手段，其中，鑄造型復合物主要用于制造各種鎂基復合材料，變形階段主要是對鎂基復合材料進行擠壓。超輕的鎂基復合物一般是指鎂-鋰系的合金，具有較強的穿透能力。在鎂基復合材料中，常見的增強物質有碳纖維、鈦纖維、硼纖維等，選擇不同的增強物質，就需要使用不同的制備方法。常見的制備方法有粉末冶金法、熔體浸滲法、攪拌鑄造法等。

2.3鈦基復合材料

和其他兩種復合材料相比，鈦基復合材料需要在更高的溫度下使用，特點是比強度和比剛度都較高，且都具有抗高溫、耐腐蝕等性能，主要用于航天、汽車等領域。國外對鈦基復合材料的研究比較廣泛，隨著經濟的發展，不斷開發新型技術合成鈦基復合物。鈦基復合材料常使用連續性纖維增強相和顆粒狀增強相強化復合材料的形成。增強物質可以提高鈦基復合材料的力學性能和快速加工成形的性能。目前，鈦基復合材料的研究方法有熔鑄法、放熱彌散法、自蔓延高溫合成法等。

2.4國外的金屬基復合材料

近幾年，金屬基復合材料的發展迅速，是一種新型工程類材料，具有較高的比剛度和比強度，其高溫加工性能強、熱膨脹系數較低以及耐磨性較好，由于加工快、易成形、成本低等特點，在國外廣泛使用。國外的金屬基復合材料主要適用于航空航天領域，如美國利用硼鋁合金材料制作飛機的貨倉架。隨著技術的發展，對金屬基復合材料進行了深度研究，國外將復合材料應用于飛機和導彈等各個零部件的制備中，應用范圍逐漸擴大。62605759-557A-4ADE-BE17-7E9964D177DA

2.5國內的金屬基復合材料

目前，隨著高科技的發展，我國已經對顆粒和纖維增強體進行了深度研究，加強了對鋁基、鈦基、鎂基和鎳基等金屬復合物的研究。顆粒狀增強物的復合物不僅在性能上得以提高，在研發階段也與國外研究共同進步。根據鋁基復合材料的生產要求，我國研究了復合材料的導熱性、膨脹能力、耐磨損性、耐疲勞性等，為鋁基復合物的應用創造了良好的條件。在金屬基復合物的形成和復合技術的研發上，需要采用高精度鑄造、快速擠壓成型、超塑成型、快速攪拌成型等技術，使金屬基復合物的加工達到國內外的質量標準。

3金屬基復合材料的發展

隨著我國社會主義經濟建設的快速發展，金屬基復合材料已經擁有幾十年的歷史，無論是在復合制造中，還是在復合物使用方面，都已經有了比較成熟的科技，尤其是在航空航天、汽車、武器等高端產業的發展中，金屬基復合材料的生產有了質的飛躍。但是在普通的小型工業發展中，金屬基復合材料的研究和應用還是比較緩慢。所以，如果想要加快金屬基復合材料的發展，拓寬金屬基復合物的應用范圍，提高金屬基復合物的質量，需要不斷針對以下問題進行改進。

（1）金屬基復合材料的制造成本較高、制作工藝比較復雜，部分小型企業無法承受制造金屬基復合材料的高昂費用，只能選擇更具產業化、規?；难芯糠椒▉碇圃煨滦蛷秃喜牧?，這樣不僅能降低成本，還能利用其他復合材料代替金屬基復合材料。雖然降低了成本，但運用復合材料生產的產品質量遠遠低于金屬基復合材料，因此，需要加強對金屬基復合材料的研發，代替傳統的金屬或合金。

（2）由于金屬基體和增強物質之間存在潤濕的問題，金屬基內部不能完全潤濕，造成增強物質在金屬基內部分布不均勻，使金屬基復合物在制造時存在困難。因此，如何在降低成本的同時解決潤濕問題，是未來需要解決的問題。

（3）由于溫度會影響金屬基復合材料與增強物質之間的反應，出現不同程度的金屬基體與相體的界面清晰現象，改變金屬基體的成分，使金屬基性能下降，甚至會導致金屬基復合材料復合失敗，應控制整個加工過程的溫度。

（4）在金屬基復合材料制造過程中，增強物質會出現偏聚現象，造成金屬基復合物內部分布不均勻。那么如何改善分布不均勻的問題是現在需要解決的問題之一。在研究過程中，可以采用離心鑄造法、快速攪拌法、原位復合法等，改善增強體物質與金屬基體產生分離的現象。

通過解決以上問題，能夠提高金屬基復合材料的質量，使金屬基復合材料獲得更好的發展前景，促進我國工業發展。

4結語

研究金屬基復合材料時發現，金屬基復合材料不僅有較強的力學性能，還有較高的比強度和比剛度，能夠被廣泛應用于航空航天的設備制造中。隨著現代科技的發展，金屬基復合材料的種類不斷增加，從傳統的單一金屬、陶瓷類產品發展到金屬基復合材料，擴大了金屬基復合材料的使用范圍，增強了金屬基復合材料的競爭力。金屬基復合材料是一種新型工業產物，需不斷增加金屬基復合材料的種類，改變金屬基復合物傳統的制造方法，將金屬基復合材料更多地應用于汽車、機械、合金和建材等方面，不斷深入各個領域。同時，根據不同金屬基復合材料選擇不同的增強物質，能夠提高金屬基復合材料的性能，提升我國金屬基復合材料的質量。62605759-557A-4ADE-BE17-7E9964D177DA