、 金屬基複合材料的沿革與發展
現代金屬基複合材料是從 20 世紀 60 年代初發展起來的。60 年代初分別以美蘇為首的兩大陣營在宇宙空間開展的競爭推動了航空航天技術的發展，促進了定向凝固複合材料、難熔金屬絲增強高溫合金材料的研究與開發。由於硼纖維的研製成功，並應用於環氧樹脂基複合材料，因此出現了硼纖維增強鋁基複合材料，並得到成功的應用。
在 70 年代中期，由於**低於硼纖維的碳纖維的開發和迅速發展，使金屬基複合材料的研究工作主要集中於碳纖維增強鋁基複合材料，雖然碳或石墨纖維與鋁的潤濕性不好，但由於在碳或石墨纖維表面塗覆與浸漬塗層的液鈉法和 ti-b 工藝的研究成功，解決了纖維與鋁液的浸潤問題，從而使纖
維增強鋁基複合材料的研製及應用取得了較大進展。
自 70 年代末開始，對金屬基和增強材料的研究不斷深化，先後出現了碳化矽單根粗纖維（cvdsic 纖維）、束絲細纖維（nicalon sic 纖維）、晶須、顆粒和氧化鋁長纖維（fp al2o3 纖維）、短纖維（saffil 纖維）增強鋁、增強鈦等多種金屬基複合材料，並且開始向不同金屬基體與不同型別的形態的增強材料與增強形式的多樣化發展，也促進了金屬基複合材料向多品種發展，逐漸形成了金屬基複合材料體系。由於金屬基複合材料製備成本高，除航空航天
等高技術領域之外不易得到廣泛應用，因此人們自80 年代初開始重視對其製備工藝技術的研究。各種液態法製備顆粒和晶須增強金屬基複合材料工藝相繼問世，促進了顆粒、晶須增強金屬基複合材料的發展，使複合材料的成本不斷下降，從而使金屬基複合材料從面向航空航天工業與軍工逐漸也轉向民用，如在****的應用，進而又促進了金屬基複合材料的發展。
近年來，由於材料成本的降低，製備工藝的逐步完善，金屬基複合材料尤其是顆粒增強鋁基複合材料呈現出非常樂觀的商業前景。毫無疑問，複合材料已經成為當代材料領域中乙個重要發展方向，地位越來越重要。到 20 世紀90 年代初，先進複合材料的世界總產量已經達到300 萬噸，在許多領域特別是航空航天領域顯示了極其重要的地位。
西方國家把先進複合材料列為戰略材料列入為數有限的國家重點研究和發展專案，列入不准許輸出的新材料。[1~3]
、 顆粒增強金屬基複合材料的研究概況
顆粒增強金屬基複合材料是金屬基複合材料的重要組成部分。金屬基複合材料由於具有優異的物理和力學效能而成為近年來高技術新材料研究開發的重要領域。金屬基複合材料的研究與開發主要集中在以下方面：
（1）同金屬基體與不同種類、形態的增強材料的復合效果，複合材料的效能；
（2）型增強材料的開發，包括金屬與非金屬纖維、顆粒、晶須、晶元等；
（3）金屬基複合材料的製備工藝，包括固態法、液態法、噴塗與噴射沉積和原位復合法等，提高複合材料的效能和降低成本；
（4）增強相/基體介面優化的研究，包括各種金屬基複合材料的介面結構、介面穩定性、介面結合與反應、介面反應的控制等；
（5）擴大金屬基複合材料的應用領域和範圍。金屬基複合材料研究、開發的基礎是金屬材料。輕金屬鋁、鎂、鈦及其合金由於其比強度、比模量的優勢，作為結構材料在航空航天工業得到廣泛的應用，常作為金屬基複合材料的首選金屬基體。
從國內外目前的研究和應用狀況來看，其中鋁及其合金應用最為廣泛。顆粒增強金屬基複合材料是金屬基複合材料的重要組成部分。顆粒增強金屬基複合材料的顆粒增強體的效能、尺寸、分布、體積比等，對複合材料的效能很重要。
選擇顆粒增強相的引數包括：彈性模量、拉伸強度、密度、熔點、熱穩定性、熱膨脹係數、尺寸及形狀、與基體材料的相容性、成本等。具體選擇增強相要將其複合材料用途、生產工藝、以及成本等因素綜合起來考慮。
目前應用最廣泛的增強材料有：碳化物，如 sic、tic、b4c；氮化物，如 si3n4、aln；氧化物，如 al2o3、sio2；以及 c、si 等。對目前國內外的大多數金屬基複合材料製造公司和研究機構來說，以 sic 顆粒增強的金屬基複合材料佔絕大多數。
、 金屬基複合材料發展趨勢及最新進展[2]
金屬基複合材料一直處於快速發展之中，老品種的工藝不斷改進，**不斷降低，新品種與術不斷湧現，應用範圍不斷拓展。其發展趨勢及最新進展主要表現在如在幾個方面：
3．1 微結構的優化
可設計性好或者說是設計自由度大，是複合材料最大的特點也是最大的優勢所在，金屬基複合材料自然也不例外。因此，通過微結構的優化設計從而進一步發掘金屬基複合材料的效能潛力、或根據特定應用背景實現其效能指標的最優化配置，是金屬基複合材料的研究發展的重要方向，這方面的例項主要包括：
（1）金屬基梯度複合材料。將梯度功能材料的設計思想引入到金屬基複合材料中，就產生了金屬基梯度複合材料。最為常見的是陶瓷顆粒增強體含量呈梯度分布的顆粒增強金屬基複合材料。
（2）微結構韌化金屬基複合材料。在非連續增強金屬基複合材料中出現一定數量、一定尺寸的均勻分布的未被增強基體合金區域。這些小區域作為韌化相將會具有阻止裂紋擴充套件、吸收能量的作用，從而使複合材料的損傷容限得到提高。
（3）雙連續金屬基複合材料。為了更有效地發揮陶瓷增強體的高剛度、低膨脹等的特性，除了提高金屬基複合材料中的陶瓷增強體含量外，另一種有效的作法是使陶瓷增強體在基體合金中成為連續的三維骨架結構，從而以雙連續的微結構設計來達到這一目的。
（4）超細顆粒增強金屬基複合材料。在高質量製備工藝的前提下，隨著顆粒尺寸的減小，金屬基複合材料往往可以呈現出更為理想的力學及加工效能。
3．2 結構-功能一體化
在金屬基複合材料研究開發的初期，增強是復合的主要目的，甚至常常是唯一目的。所以人們將基體合金中的新增相統稱為「增強相」，這一術語延用至今。後來特別是近幾年來，人們認識到：
增強並不總是唯一目的，有時甚至根本不是主要目的。增強體的加入還將帶來對複合材料熱膨脹係數、導熱及導電等物理效能的影響，從而賦予基體合金以特定的功能特性，使傳統的金屬結構材料功能化或實現其結構－功能一體化。
3．3 製備與成型加工一體化
成型和加工技術難度大、成本高始終是困擾金屬基複合材料工程應用的最大障礙之一。特別是當陶瓷顆粒增強體含量高到一定程度時（如體分超過50％），傳統的鑄造及塑性加工成形幾乎是不可能的，機械加工也十分困難。因此，開發製備與成型加工一體化工藝是具有重大工程意義的。
基於熔體無壓浸滲的近凈形製備工藝，是實現高陶瓷含量金屬基複合材料製備與成型加工一體化的最有效技術途徑。
3．4 工藝技術的低成本化
低成本化是 21 世紀初金屬基複合材料的最重要的發展趨勢之一。在金屬基複合材料的成本構成中，工藝成本往往比原材料本身的成本高得多。所以，研究開發低成本的製備工藝、熱加工工藝及冷加工藝勢在必行。
3．5 生產的規模化與應用的擴大化隨著技術的成熟與進步，金屬基複合材料的生產已日漸呈現出規模化趨勢，應用則呈現擴大化趨勢。除早在 20 世紀 80 年末就十分著名的 alcan、dwa、acmc 等金屬基複合材料專業公司外，近五年來又迅速興起了一批以高新技術為依託的lanxide、lec 等金屬基複合材料專業公司，而且很快就開啟了市場局面。此外，20 世紀 90 年末，美國還專門成立了由 20 家製造商組成的鋁基複合材料聯合體（almmc），該聯合體發揮集體優勢、共建應用技術平台，進一步促進顆粒增強鋁基複合材料的應用。
從金屬基複合材料工程應用的程序來看，最初階段是從連續纖維增強金屬基複合材料用作最尖端的太空梭構件開始，隨後經受了成本壁壘和挫折，直到最近幾年顆粒增強鋁基複合材料異軍突起，終於實現了在先進飛機（包括大型客機）上作為主承載構件的成功應用，並迅速將其應用範圍擴大到微電子產品、交通運輸工具、運動器械等民用領域。
、常用的金屬基體與增強體
4．1 常用的金屬基體
當今，作為金屬基複合材料的基體有鋁基、鎂基、銅基、鐵基、鈦基、鎳基、高溫合金基、金屬間化合物及難熔金屬基等，目前，國內外學者研究的金屬基複合材料基體主要集中在鋁和鎂兩個合金系上。本文重點介紹鋁、鎂基複合材料研究發展的現狀。
4．2 常用的增強體
增強體的選擇要求與複合材料基體結合時的潤濕性較好，並且增強體的物理、化學相容性好，載荷承受能力強，盡量避免增強體與基體合金之間產生介面反應等。常用的增強體主要有c纖維、ti纖維、b纖維、al203、短纖維、sic晶須、b、c顆粒、sic顆粒、b4c顆粒、si3n4顆粒、wc顆粒、mo2c顆粒、zro2顆粒、zrb2顆粒、a1203顆粒、碳奈米管和石墨等。增強相的選擇並不是隨意的，選擇乙個合適的增強體需要從複合材料應用情況、製備方法以及增強體的成本等諸多方面綜合考慮。
、金屬基複合材料的製備方法金屬基複合材料的效能、特點、應用和製造成本等在很大的程度上取決於金屬基複合材料的製備工藝和方法。目前，金屬基複合材料的製備工藝和方法可分為:攪拌鑄造法、粉末冶金法、原位生成法、擠壓鑄造法和噴射成形法等。
5．1 攪拌鑄造法[4~6]
攪拌鑄造法(圖1)
製備金屬基複合材料最早起源於2023年，由s·ray在熔化的鋁液中加入氧化鋁，並通過攪拌含有陶瓷粉末的熔化狀態的鋁合金而來的。攪拌鑄造法根據鑄造時加熱溫度的不同可分為全液態攪拌鑄造(即在液相線以上液態金屬中加入增強體，攪拌一定時間後冷卻)、半固態攪拌鑄造(在固液相溫度之間加入增強體攪拌一定時間後冷卻)和攪熔鑄造(在在固液相溫度之間加入增強體，攪拌一定時間後公升溫至基體合金液相線溫度以上，並攪拌一定時間後冷卻) 3種。攪拌鑄造法的特點是:
工藝簡單，操作方便，可以生產大體積的複合材料(可到達500kg)，裝置投入少，生產成本低，適宜大規模生產。但加入的增強相體積分數受到限制，一般不超過20%，並且攪拌後產生的負壓使複合材料很容易吸氣而形成氣孔，同時增強顆粒與基體合金的密度不同易造成顆粒沉積和微細顆粒的團聚等現象。攪拌溫度、顆粒體積分數和顆粒大小對氣孔率有影響，攪拌溫度越高和增強顆粒體積分數增加氣孔率上公升。
並且攪熔鑄造法製備的複合材料在顆粒分布及氣孔含量方面均優於半固態攪拌鑄造法和全液態攪拌鑄造法。另外，可以針對攪拌鑄造法得到的複合材料通過擠壓工序使得其氣孔率減少，組織細化和增強相分布更均勻。
5．2 粉末冶金法
粉末冶金法(圖2)是指將基體金屬合金與增強體粉末混合均勻後在模中冷壓，除氣後在真空中加熱至固液兩相區進行熱壓，最後燒結制得金屬基複合材料的方法。粉末冶金法特點:可以製備出增強相非常高體積分數的金屬基複合材料，並且不受基體合金種類與增強體型別的限制，通過粉末混合工藝可以使增強相在金屬基體中達到分布均勻。
但此工藝裝置複雜、成本偏高，不易製備形狀複雜的零件，而且在生產過程中存在粉末燃燒和**等危險，不易進行大規模工業化生產，特別是對於製備體積偏大的金屬基複合材料粉末冶金法不是一種理想的製備方法。因此粉末冶金法主要應用於實驗室研究，沒有得到推廣。採用粉末冶金方法製備奈米顆粒增強的鎂基複合材料，能較大地提高其力學效能，材料經330℃熱擠壓後巨集觀組織清晰，材料的蠕變效能也得到相應提高。
採用合適的烘粉處理後， mg粉的新舊程度對複合材料的效能無明顯影響;熱壓工序可以使鎂基複合材料的效能更趨穩定。sic顆粒和晶須能顯著提高鎂合金的室溫強度和彈性模量，且sic晶須的作用比sic顆粒更明顯。
金屬基複合材料介面
華東理工大學2012 2013學年第二學期 金屬基複合材料 課程 2013.6 班級複材101 學號 10103638 姓名溫樂斐 開課學院材料學院任課教師陳麒成績 金屬基複合材料介面特點 形成原理及控制方法 摘要金屬基複合材料都要在基體合金熔點附近的高溫下製備，在製備過程中纖維 晶須 顆粒等增強體...
金屬基複合材料基體材料
姓名 xx 班級 xx 學號 xx 學院 xx 金屬基複合材料是上世紀60年代發展起來的一門相對較新的材料科學，是複合材料的乙個分支。隨著航天 航空 電子 汽車以及先進 系統的迅速發展對材料提出了日益增高的效能要求，除了要求材料具有一些特殊的效能外，還要具有優良的綜合性能，這些都有力地促進了先進複合...
陶瓷基複合材料
學號 071055053 姓名 鐘啟華 摘要 在高技術，尤其是航天航空技術領域內，對結構材料要求具有輕質高強 耐高溫 抗氧化 耐腐蝕和高韌性的特點。陶瓷具有優良的綜合機械效能 耐磨性好 硬度高 以及耐熱性和耐腐蝕性好等特點。但是它最大缺點是脆性大，使用時會產生不可 的突然性斷裂。近年來，通過往陶瓷中...