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技術文章
TECHNICAL ARTICLES
時間：2020-12-15
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近些年來，科技的不斷發展和進步，使得傳統材料已無法滿足多種產業對其比強度、比剛度等性能的要求。高性能材料的研發是現今新科技發展的重要方向，而復合材料的出現在較大程度上解決了材料所面臨的問題，促進了材料的發展。復合材料是由２種或２種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀（微觀）上組成的具有新性能的材料。由于具備較高的比強度和比剛度，金屬基復合材料的研究和發展受到了眾多行業尤其是重工業的密切關注，然而加工困難是限制其工業應用的瓶頸問題，成本控制問題也并沒有得到完*，所以更多應用于航空航天、軍事科技等科技領域。
近年來，人們通過研究金屬基體與增強體之間界面反應的規律、控制界面反應的方法等開發出了多種有效制備金屬基復合材料的方法，大大推動金屬基復合材料的發展和應用。目前，金屬基復合材料的制備方法根據增強相產生的方式不同可分為第二相外加法、原位復合法兩類。
第二相外加法就是將增強相加入到基體內來制備復合材料的方法，應用廣泛。常見的第二相外加法包括粉末冶金法、鑄造凝固成型法和噴射成型法。
1、粉末冶金法
粉末冶金法制備復合材料是指將金屬基體與增強體粉末混合均勻后壓制成型，在低于金屬液相線溫度下進行燒結，利用原子擴散使金屬基體與增強體粉末結合在一起的制備復合材料的方法。粉末冶金法制備復合材料一般包括篩選粉末，基體粉末與增強顆粒混合、粉末預壓、熱壓、二次加工４個步驟。粉末冶金法常見的二次加工方法有擠壓，軋制等，二次加工可實現對制件的致密化處理并達到終成型的目的。其優點在于：可以自由選擇基體金屬成分和強化顆粒的種類、尺寸；復合溫度低，基體金屬不易與強化顆粒進行反應，充分發揮各原料特性；顆粒強化均勻，強化顆粒添加范圍大，還可實現多種顆粒共同強化。
圖1.我司生產的（左）sps燒結爐（右）真空燒結爐
2、鑄造凝固成型法
鑄造凝固成型法是將基體金屬加熱到熔融狀態，再使其與增強相進行復合從而得到金屬基復合材料的方法。利用鑄造凝固成型法制備金屬基復合材料，所需成本低，工藝過程簡單易于控制，得到的制件質量好，應用較為廣泛。常用的方法有攪拌鑄造法和擠壓鑄造法。攪拌鑄造法是一種常見的制備金屬基復合材料方法，它通過機械攪拌的方法使處于熔融狀態的金屬基體與增強相混合，來制取復合材料。攪拌鑄造法由于較低的成本和簡單的工藝流程而受到了廣泛關注，其設備投入少，制件進行二次加工來作為超塑性變形的預處理工藝，可進一步提高其性能。攪拌鑄造法可用于生產大體積制件，便于進行大規模生產，不論是在先進科技的航空航天領域，還是在汽車、機械工業等民用領域，都有大量的應用實例。擠壓鑄造是一種利用高壓作用，使液態金屬或半固態金屬充型凝固的 準確鑄造方法。利用液態模鍛來制備金屬基復合材料，就是將增強相預成型、加熱后澆入金屬液或熔體，將模具壓下后加壓，冷卻得到金屬基復合材料制件。
圖2. 鑄造成型生產的零件
3、噴射成型法
噴射成型法是一種新型的金屬成型工藝，利用金屬快速凝固技術，將熔融金屬霧化噴射，沉積后直接得到金屬坯件，又稱為噴射沉積。噴射成型法在２０世紀８０年代被引入制備復合材料，由于其普遍的適應性而得到快速發展。利用噴射成型技術制備金屬基復合材料，是利用稀有氣體將熔融金屬霧化進行噴射，與另一端由稀有氣體輸送的增強相混合，在水冷襯底平臺沉積，形成復合材料制件。
原位復合法也稱反應合成技術，是一種制備金屬基復合材料的新型方法。不同于一些傳統制備復合材料工藝，原位復合法并不需要外加增強相，而是利用一些特殊反應使增強相在金屬基體中自己生成，從而避免了增強相在復合材料中的偏聚現象。在原位復合法制備復合材料的過程中，增強相可以共晶形式凝固析出，得到的復合材料稱為定向凝固共晶復合材料；也可通過金屬基體、合金熔體中相應元素和加入的元素進行反應得到，稱為反應自生成復合材料。由于增強相的形核和長大都是在基體內完成的，因此增強相與基體之間不存在物理、化學性質不相容的現象，相互之間潤濕效果好，結合強度高，不需要對增強相進行預處理，保證了它的純凈度。
圖3. 原位復合法制備金屬—有機骨架材料示意圖
目前，越來越多的金屬基復合材料的制備方法正在被研發出來。除了文中提到的幾種常見的方法外，還包括含浸凝固法、熱浸鍍與反向凝固法、疊層復合法等多種復合方法，但由于其技術以及成本的限制，還并沒有被廣泛應用。隨著進一步的研究，相信更多的復合材料制備方法將問世，必將促進金屬基復合材料的普及和發展。相對于傳統的金屬或合金材料，金屬基復合材料的制造成本偏高且工藝比較復雜。對于民用工業企業來說，高昂的生產研發成本是制約金屬基復合材料進行規模化應用生產的大問題。因此，若要使其實現產業化、規模化，就需要進一步研究制備方法，開發新型的制備工藝，以此降低成本，增強金屬基復合材料在材料市場上的競爭力。
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