金屬基復合材料制原位反應制備

1、1金屬基復合材料原位反應制備金屬基復合材料原位反應制備2復合材料復合材料由兩種或兩種以上異質、異形、異性由兩種或兩種以上異質、異形、異性原材料組合而成原材料組合而成保留原組分特性保留原組分特性新性能、新性能、 可設計性可設計性基體、增強體、界面基體、增強體、界面13金屬基復合材料金屬基復合材料鋁基、鎂基、鋅基、銅基、鈦基、鎳基、耐熱金屬基、鋁基、鎂基、鋅基、銅基、鈦基、鎳基、耐熱金屬基、金屬間化合物基金屬間化合物基結構復合材料：結構復合材料： 高比強度、高比模量、尺寸穩(wěn)定、耐熱性能。高比強度、高比模量、尺寸穩(wěn)定、耐熱性能。 航空、航天、電子、汽車、先進武器等高性能結構件。航空、航天、電子、汽車

2、、先進武器等高性能結構件。功能復合材料：功能復合材料： 電、磁、熱、聲、阻尼、摩擦等性能。電、磁、熱、聲、阻尼、摩擦等性能。 電子、儀器、汽車、航空、航天、武器等領域。電子、儀器、汽車、航空、航天、武器等領域。24金屬基復合材料性能特點金屬基復合材料性能特點高比強度、比模量：高比強度、比模量：高強度、高模量、低密度的纖維、晶須或顆粒增強高強度、高模量、低密度的纖維、晶須或顆粒增強 構件質輕、剛性好、強度高，航空航天技術理想的結構材料。構件質輕、剛性好、強度高，航空航天技術理想的結構材料。導電、導熱性好：導電、導熱性好：降低膨脹系數的同時保持金屬特有的導電、導熱性降低膨脹系數的同時保持金屬特有的

3、導電、導熱性 減小構件受熱后溫度梯度，保證高集成度的電子器件尺寸穩(wěn)定、可靠性（超減小構件受熱后溫度梯度，保證高集成度的電子器件尺寸穩(wěn)定、可靠性（超高模量石墨纖維、金剛石纖維增強鋁基、銅基復合材料熱導率比鋁、銅還高；良高模量石墨纖維、金剛石纖維增強鋁基、銅基復合材料熱導率比鋁、銅還高；良好的導電性防止飛行器構件產生靜電聚集。好的導電性防止飛行器構件產生靜電聚集。 膨脹系數小、尺寸穩(wěn)定性好：膨脹系數小、尺寸穩(wěn)定性好：采用膨脹系數小的纖維、晶須、顆粒增強采用膨脹系數小的纖維、晶須、顆粒增強 如石墨纖維具有超高模量、負的熱膨脹系數；如石墨纖維具有超高模量、負的熱膨脹系數； 選擇不同增強物及含量，可選擇

4、不同增強物及含量，可得到不同膨脹系數的復合材料。如零膨脹系數復合材料不發(fā)生熱變形，對人造衛(wèi)得到不同膨脹系數的復合材料。如零膨脹系數復合材料不發(fā)生熱變形，對人造衛(wèi)星構件特別重要。星構件特別重要。 35良好的高溫性能：良好的高溫性能：金屬基體本身高溫性能較好、高溫性能更好的增強體金屬基體本身高溫性能較好、高溫性能更好的增強體 如鎢絲增強耐如鎢絲增強耐熱合金熱合金1100100h高溫持久強度可達高溫持久強度可達207MPa；石墨增強鋁；石墨增強鋁合金合金500 強度強度600MPa。 用于發(fā)動機等高溫零部件，可大幅度提高發(fā)動機性能和效率。用于發(fā)動機等高溫零部件，可大幅度提高發(fā)動機性能和效率。耐磨性好

5、：耐磨性好：耐磨性好的陶瓷顆粒復合金屬材料。耐磨性好的陶瓷顆粒復合金屬材料。 如如SiCP/Al用作汽車發(fā)動機、剎車盤、活塞等，顯著提高性能、壽命。用作汽車發(fā)動機、剎車盤、活塞等，顯著提高性能、壽命。 良好的疲勞性能和斷裂韌性：良好的疲勞性能和斷裂韌性：良好界面有效傳遞載荷、阻止裂紋擴展良好界面有效傳遞載荷、阻止裂紋擴展 如如C/Al疲勞強度與拉伸強度比可達疲勞強度與拉伸強度比可達0.7。 不吸潮、不老化、氣密性好：不吸潮、不老化、氣密性好：金屬基體本身性能金屬基體本身性能 空間使用不會分解出低分子物質，污染儀器和環(huán)境。空間使用不會分解出低分子物質，污染儀器和環(huán)境。 46一、原位反應合成及特點

6、一、原位反應合成及特點 根據材料設計要求，選擇適當反應劑（氣、液或粉末固相），在制根據材料設計要求，選擇適當反應劑（氣、液或粉末固相），在制備過程中通過元素之間或元素與化合物之間的化學反應，在金屬基體備過程中通過元素之間或元素與化合物之間的化學反應，在金屬基體內原位生成一種或幾種增強體。內原位生成一種或幾種增強體。 增強體在金屬基體中原位形核、長大，增強體表面無污染，與基體增強體在金屬基體中原位形核、長大，增強體表面無污染，與基體相容性好，結合好。相容性好，結合好。工藝特點工藝特點通過合理選擇反應元素（或化合物）的成分、含量，可有效控制增通過合理選擇反應元素（或化合物）的成分、含量，可有效控制

7、增強體種類、大小、分布和數量。強體種類、大小、分布和數量。工藝簡單、成本低；工藝簡單、成本低；復合材料強度、彈性模量可大幅度提高。復合材料強度、彈性模量可大幅度提高。57二、原位鋁基復合材料的制備二、原位鋁基復合材料的制備1. 氣氣-液復合技術液復合技術 利用氣體與鋁熔體直接反應，生成所需的增強體。如利用利用氣體與鋁熔體直接反應，生成所需的增強體。如利用O2、N2或含或含氮氣體與鋁反應，生成氮氣體與鋁反應，生成Al2O3、AlN等等陶瓷顆粒。增強顆粒細小，分布均陶瓷顆粒。增強顆粒細小，分布均勻，與基體結合牢固。但此法難以控制增強體含量，且易形成加渣和氣孔。勻，與基體結合牢固。但此法難以控制增強

8、體含量，且易形成加渣和氣孔。2. 固固-液復合技術液復合技術 將反應物粉末與鋁合金熔體混合，使加入的粉末與鋁合金中的成分反應將反應物粉末與鋁合金熔體混合，使加入的粉末與鋁合金中的成分反應或自行分解，形成均勻彌散的增強體。成本低，復合材料組織細密?；蜃孕蟹纸猓纬删鶆驈浬⒌脑鰪婓w。成本低，復合材料組織細密。 固體粉末加入鋁熔體、鋁液滲透到固態(tài)預制件中。固體粉末加入鋁熔體、鋁液滲透到固態(tài)預制件中。 形成：鋁化合物形成：鋁化合物(Al2O3等等)、金屬間化合物、金屬間化合物(Al-Ti、Al-Ni、Al-Zr、 Al-Fe等等) 如如：將：將Al2(SO4)3粉體加入鋁熔體，粉末分解形成粉體加入鋁熔

9、體，粉末分解形成Al2O3增強相，生成的增強相，生成的SO3 起精煉、除氣作用；起精煉、除氣作用； 將將Fe3O4粉末加入粉末加入Al-5%Mg合金液中，合金液中， Fe3O4與與Al反應生成反應生成Al-Fe金屬間金屬間 化合物增強體，伴生形成的化合物增強體，伴生形成的Al2O3微粒起彌散強化作用。微粒起彌散強化作用。 683. 固固-固復合技術固復合技術 將一種或幾種粉末與鋁合金粉末在保護性氣氛或真空中將一種或幾種粉末與鋁合金粉末在保護性氣氛或真空中機械合金化機械合金化，反應，反應形成含有增強相的復合粉末，然后采用粉末冶金方法壓制、燒結，或再經塑形成含有增強相的復合粉末，然后采用粉末冶金方

10、法壓制、燒結，或再經塑性變形，制備鋁基復合材料產品或零部件。性變形，制備鋁基復合材料產品或零部件。 如如：將純：將純Fe粉與粉與Al合金粉末混合，進行機械合金化，制備合金粉末混合，進行機械合金化，制備Fe3Al與與Al合金合金 混合粉末，然后壓制燒結或擠壓成復合材料。混合粉末，然后壓制燒結或擠壓成復合材料。 79三、原位銅基復合材料的制備三、原位銅基復合材料的制備 航空、航天、微電子等高技術的迅速發(fā)展，要求銅材不航空、航天、微電子等高技術的迅速發(fā)展，要求銅材不僅具有良好的導電性、導熱性、彈性極限和韌性，而且還僅具有良好的導電性、導熱性、彈性極限和韌性，而且還要求具有較好的耐磨性、高溫強度、較低

11、的膨脹系數，銅要求具有較好的耐磨性、高溫強度、較低的膨脹系數，銅合金難以兼顧，滿足這些條件需采用銅基復合材料。合金難以兼顧，滿足這些條件需采用銅基復合材料。 8101. 液相反應原位生成法液相反應原位生成法 將兩種或兩種以上的金屬流以渦流狀混合，產生將兩種或兩種以上的金屬流以渦流狀混合，產生化學反應形成彌散相，彌散相顆?？杉毣粱瘜W反應形成彌散相，彌散相顆?？杉毣?0nm。由于第二相在凝固過程中形成，避免了表面污染和由于第二相在凝固過程中形成，避免了表面污染和氧化，不存在人工復合中界面潤濕和化學反應問題。氧化，不存在人工復合中界面潤濕和化學反應問題。 易于同連續(xù)鑄造等技術結合，性能好，成本低

12、。易于同連續(xù)鑄造等技術結合，性能好，成本低。 如如：采用：采用Cu-Ti、Cu-B雙熔體混合，制備雙熔體混合，制備5%TiB2銅基復合材料。銅基復合材料。TiB2 熔點高、硬度高、彈性模量熔點高、硬度高、彈性模量高、化學穩(wěn)定性好、抗腐蝕性能好，導電、導熱。高、化學穩(wěn)定性好、抗腐蝕性能好，導電、導熱。9112. 固相反應生成法固相反應生成法 局部引燃粉末體，燃燒波通過粉體自蔓延合成；局部引燃粉末體，燃燒波通過粉體自蔓延合成； 迅速加熱粉末體，合成反應在整個粉末體內同時發(fā)生迅速加熱粉末體，合成反應在整個粉末體內同時發(fā)生。 NoImage常先制得顆粒含量很高的中間復合材料，然后與金屬混合重熔，常先制

13、得顆粒含量很高的中間復合材料，然后與金屬混合重熔，得到需要顆粒含量的復合材料。得到需要顆粒含量的復合材料。 采用此種方法制備的銅基復合材料還有采用此種方法制備的銅基復合材料還有Cu-ZrB2- ZrN、 Cu-TiB2 等。等。 10123. 反應噴射沉積法反應噴射沉積法 液態(tài)銅合金通過特殊的噴嘴霧化，在高溫下與氣氛中成分發(fā)生化學反液態(tài)銅合金通過特殊的噴嘴霧化，在高溫下與氣氛中成分發(fā)生化學反應，生成增強體，與合金共同沉積到襯底上，凝固得到銅基復合材料。應，生成增強體，與合金共同沉積到襯底上，凝固得到銅基復合材料。 增強體細小、分布均勻、無宏觀偏析，工藝簡單，效率高，可繼續(xù)塑增強體細小、分布均勻

14、、無宏觀偏析，工藝簡單，效率高，可繼續(xù)塑性加工?？芍苽浒簟鍘?、管材等。性加工?？芍苽浒簟鍘?、管材等。 可制備可制備SiC、Al2O3、TiC、Cr2O3、石墨等增、石墨等增強的銅基復合材料。強的銅基復合材料。如如：用含用含O2 氣的氣的N2 氣進行氣氛保護，利用氣進行氣氛保護，利用N2 氣中的氣中的O2 使使Al 擇優(yōu)氧化反應生成擇優(yōu)氧化反應生成Al2O3 增強增強顆粒顆粒, 在基底上沉積冷卻后形成在基底上沉積冷卻后形成Cu-Al2O3 復合復合材料。材料。11134. 反應機械合金化反應機械合金化 利用機械合金化誘發(fā)各種化學反應，制備銅基復合粉末，再經固結利用機械合金化誘發(fā)各種化學反應，

15、制備銅基復合粉末，再經固結成形和熱加工制備所需的銅基復合材料。成形和熱加工制備所需的銅基復合材料?？傻眉{米級難熔增強可得納米級難熔增強體（體（NbC、TiC、MoC、NbB、TiB2、ZrN）；）；體系儲能高、降低致密化溫度；體系儲能高、降低致密化溫度；超細的增強體抑制基體相再結晶和晶粒長大。超細的增強體抑制基體相再結晶和晶粒長大。如如：利用此法制備出了利用此法制備出了5-15nm TiC、TiB2增強的銅基復合材料，在保增強的銅基復合材料，在保 持高導電性能的同時，具有優(yōu)異的力學性能和熱穩(wěn)定性；持高導電性能的同時，具有優(yōu)異的力學性能和熱穩(wěn)定性； 將將TiO2+B2O3+Cu粉粉+Al粉機械合

16、金化、熱壓成形制備的（粉機械合金化、熱壓成形制備的（ TiB2+ Al2O3）增強銅基復合材料，在電焊電極（強大電流、高溫性能、導）增強銅基復合材料，在電焊電極（強大電流、高溫性能、導熱）上已投入使用；熱）上已投入使用； 將將ZnO+ CuO+Cu粉粉+Al粉機械合金化可制備納米粉機械合金化可制備納米Al2O3增強的黃增強的黃銅合金。銅合金。1214四、原位鎂基復合材料的制備四、原位鎂基復合材料的制備鎂合金：鎂合金： 高比模量、比強度，良好的阻尼性能、電磁屏蔽性能。高比模量、比強度，良好的阻尼性能、電磁屏蔽性能。 航天、航空、電子等領域應用前景廣闊。航天、航空、電子等領域應用前景廣闊。 強度、

17、耐高溫性能不足，限制了進一步應用。強度、耐高溫性能不足，限制了進一步應用。鎂基復合材料：鎂基復合材料： 比強度、比高度更高；耐磨性、耐高溫性能好，應用潛力更大。比強度、比高度更高；耐磨性、耐高溫性能好，應用潛力更大。原位復合鎂合金：原位復合鎂合金： 顆粒小、表面清潔、相容性好、強化更強。顆粒小、表面清潔、相容性好、強化更強。 已原位合成已原位合成TiC/Mg、Mg2Si/Mg 、（、（MgO Mg2Si）/Mg等等增強體：增強體： 尺寸、形狀、彈性模量、強度、密度、熱穩(wěn)定性、膨脹系數、相容性等尺寸、形狀、彈性模量、強度、密度、熱穩(wěn)定性、膨脹系數、相容性等 TiC、TiB2、Mg2Si 、MgO

18、13151. 機械合金化法機械合金化法 將反應物粉末置于高能球磨機，球磨過程中粉末受到強烈沖擊，變將反應物粉末置于高能球磨機，球磨過程中粉末受到強烈沖擊，變形、破碎、反應，得到含有增強體的粉末體，真空脫氣、熱壓成形。形、破碎、反應，得到含有增強體的粉末體，真空脫氣、熱壓成形。如：如：以以Mg、Al、Si粉作為原料粉末可制備粉作為原料粉末可制備Mg2Si/Mg鎂基復合材料，并鎂基復合材料，并 且高能球磨中形成且高能球磨中形成Al17Mg12相；相； 以以Mg、Al、Ti、B粉作為原料粉末，制備的粉作為原料粉末，制備的TiN、MgB12顆粒增強顆粒增強 的鎂基復合材料，抗彎強度達的鎂基復合材料，抗

19、彎強度達900MPa。2. 混合鹽反應法混合鹽反應法 將將KBF4和和K2BF6混合鹽加入鎂熔體，混合鹽加入鎂熔體，B、Ti被鎂還原出來進而在鎂被鎂還原出來進而在鎂熔體中生成熔體中生成TiB2，形成的副產物進入熔劑，澆鑄可得，形成的副產物進入熔劑，澆鑄可得TiB2顆粒增強的顆粒增強的鎂基復合材料。熱力學計算表明混合鹽之間不自發(fā)鎂基復合材料。熱力學計算表明混合鹽之間不自發(fā)TiB2形成。形成。14163. 反應浸滲法反應浸滲法 將將Ti、C粉末壓制成坯，置于鎂錠下方，之后一起加熱至鎂熔點以粉末壓制成坯，置于鎂錠下方，之后一起加熱至鎂熔點以上某溫度，鎂熔體浸滲到多孔預制塊中，同時原位反應生成上某溫度

20、，鎂熔體浸滲到多孔預制塊中，同時原位反應生成TiC顆粒。顆粒。 此法適于制備高體積分數增強體（此法適于制備高體積分數增強體（50%）的鎂基復合材料。）的鎂基復合材料。4. 固固-液反應法液反應法 將將SiO2加入鎂或鎂合金熔體，制備加入鎂或鎂合金熔體，制備Mg2Si顆粒增強的鎂基復合材料；顆粒增強的鎂基復合材料； 將將B2O3加入加入Mg-Li熔體，制備熔體，制備MgO增強的鎂基復合材料。增強的鎂基復合材料。1517五、原位鈦基復合材料的制備五、原位鈦基復合材料的制備鈦及鈦合金：鈦及鈦合金： 高比強度、比模量，耐腐蝕、耐高溫、無磁性、膨脹系數低。高比強度、比模量，耐腐蝕、耐高溫、無磁性、膨脹系數低。 航天、航空、船舶、能源、醫(yī)療、化工等領域應用前景廣闊。航天、航空、船舶、能源、醫(yī)療、化工等領域應用前景廣闊。鈦基復合材料：鈦基復合材料： 進一步提高比強度、比高度、耐高溫性能好。進一步提高比強度、比高度、耐高溫性能好。原位復合鈦合金：原位復合鈦合金： 防止表面污染、相容性好、強化更強。防止表面污染、相容性好、強化更強。 超高音速宇航飛行器、先進航空發(fā)動機材料；超高音速宇航飛行器、先進航空發(fā)動