金属基复合材料制原位反应制备

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1、1金属基复合材料原位反应制备金属基复合材料原位反应制备2复合材料复合材料由两种或两种以上异质、异形、异性由两种或两种以上异质、异形、异性原材料组合而成原材料组合而成保留原组分特性保留原组分特性新性能、新性能、 可设计性可设计性基体、增强体、界面基体、增强体、界面13金属基复合材料金属基复合材料铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基金属间化合物基结构复合材料：结构复合材料： 高比强度、高比模量、尺寸稳定、耐热性能。高比强度、高比模量、尺寸稳定、耐热性能。 航空、航天、电子、汽车、先进武器等高性能结构件。航空、航天、电子、汽车

2、、先进武器等高性能结构件。功能复合材料：功能复合材料： 电、磁、热、声、阻尼、摩擦等性能。电、磁、热、声、阻尼、摩擦等性能。 电子、仪器、汽车、航空、航天、武器等领域。电子、仪器、汽车、航空、航天、武器等领域。24金属基复合材料性能特点金属基复合材料性能特点高比强度、比模量：高比强度、比模量：高强度、高模量、低密度的纤维、晶须或颗粒增强高强度、高模量、低密度的纤维、晶须或颗粒增强 构件质轻、刚性好、强度高，航空航天技术理想的结构材料。构件质轻、刚性好、强度高，航空航天技术理想的结构材料。导电、导热性好：导电、导热性好：降低膨胀系数的同时保持金属特有的导电、导热性降低膨胀系数的同时保持金属特有的

3、导电、导热性 减小构件受热后温度梯度，保证高集成度的电子器件尺寸稳定、可靠性（超减小构件受热后温度梯度，保证高集成度的电子器件尺寸稳定、可靠性（超高模量石墨纤维、金刚石纤维增强铝基、铜基复合材料热导率比铝、铜还高；良高模量石墨纤维、金刚石纤维增强铝基、铜基复合材料热导率比铝、铜还高；良好的导电性防止飞行器构件产生静电聚集。好的导电性防止飞行器构件产生静电聚集。 膨胀系数小、尺寸稳定性好：膨胀系数小、尺寸稳定性好：采用膨胀系数小的纤维、晶须、颗粒增强采用膨胀系数小的纤维、晶须、颗粒增强 如石墨纤维具有超高模量、负的热膨胀系数；如石墨纤维具有超高模量、负的热膨胀系数； 选择不同增强物及含量，可选择

4、不同增强物及含量，可得到不同膨胀系数的复合材料。如零膨胀系数复合材料不发生热变形，对人造卫得到不同膨胀系数的复合材料。如零膨胀系数复合材料不发生热变形，对人造卫星构件特别重要。星构件特别重要。 35良好的高温性能：良好的高温性能：金属基体本身高温性能较好、高温性能更好的增强体金属基体本身高温性能较好、高温性能更好的增强体 如钨丝增强耐如钨丝增强耐热合金热合金1100100h高温持久强度可达高温持久强度可达207MPa；石墨增强铝；石墨增强铝合金合金500 强度强度600MPa。 用于发动机等高温零部件，可大幅度提高发动机性能和效率。用于发动机等高温零部件，可大幅度提高发动机性能和效率。耐磨性好

5、：耐磨性好：耐磨性好的陶瓷颗粒复合金属材料。耐磨性好的陶瓷颗粒复合金属材料。 如如SiCP/Al用作汽车发动机、刹车盘、活塞等，显著提高性能、寿命。用作汽车发动机、刹车盘、活塞等，显著提高性能、寿命。 良好的疲劳性能和断裂韧性：良好的疲劳性能和断裂韧性：良好界面有效传递载荷、阻止裂纹扩展良好界面有效传递载荷、阻止裂纹扩展 如如C/Al疲劳强度与拉伸强度比可达疲劳强度与拉伸强度比可达0.7。 不吸潮、不老化、气密性好：不吸潮、不老化、气密性好：金属基体本身性能金属基体本身性能 空间使用不会分解出低分子物质，污染仪器和环境。空间使用不会分解出低分子物质，污染仪器和环境。 46一、原位反应合成及特点

6、一、原位反应合成及特点 根据材料设计要求，选择适当反应剂（气、液或粉末固相），在制根据材料设计要求，选择适当反应剂（气、液或粉末固相），在制备过程中通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体备过程中通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种增强体。内原位生成一种或几种增强体。 增强体在金属基体中原位形核、长大，增强体表面无污染，与基体增强体在金属基体中原位形核、长大，增强体表面无污染，与基体相容性好，结合好。相容性好，结合好。工艺特点工艺特点通过合理选择反应元素（或化合物）的成分、含量，可有效控制增通过合理选择反应元素（或化合物）的成分、含量，可有效控制

7、增强体种类、大小、分布和数量。强体种类、大小、分布和数量。工艺简单、成本低；工艺简单、成本低；复合材料强度、弹性模量可大幅度提高。复合材料强度、弹性模量可大幅度提高。57二、原位铝基复合材料的制备二、原位铝基复合材料的制备1. 气气-液复合技术液复合技术 利用气体与铝熔体直接反应，生成所需的增强体。如利用利用气体与铝熔体直接反应，生成所需的增强体。如利用O2、N2或含或含氮气体与铝反应，生成氮气体与铝反应，生成Al2O3、AlN等等陶瓷颗粒。增强颗粒细小，分布均陶瓷颗粒。增强颗粒细小，分布均匀，与基体结合牢固。但此法难以控制增强体含量，且易形成加渣和气孔。匀，与基体结合牢固。但此法难以控制增强

8、体含量，且易形成加渣和气孔。2. 固固-液复合技术液复合技术 将反应物粉末与铝合金熔体混合，使加入的粉末与铝合金中的成分反应将反应物粉末与铝合金熔体混合，使加入的粉末与铝合金中的成分反应或自行分解，形成均匀弥散的增强体。成本低，复合材料组织细密。或自行分解，形成均匀弥散的增强体。成本低，复合材料组织细密。 固体粉末加入铝熔体、铝液渗透到固态预制件中。固体粉末加入铝熔体、铝液渗透到固态预制件中。 形成：铝化合物形成：铝化合物(Al2O3等等)、金属间化合物、金属间化合物(Al-Ti、Al-Ni、Al-Zr、 Al-Fe等等) 如如：将：将Al2(SO4)3粉体加入铝熔体，粉末分解形成粉体加入铝熔

9、体，粉末分解形成Al2O3增强相，生成的增强相，生成的SO3 起精炼、除气作用；起精炼、除气作用； 将将Fe3O4粉末加入粉末加入Al-5%Mg合金液中，合金液中， Fe3O4与与Al反应生成反应生成Al-Fe金属间金属间 化合物增强体，伴生形成的化合物增强体，伴生形成的Al2O3微粒起弥散强化作用。微粒起弥散强化作用。 683. 固固-固复合技术固复合技术 将一种或几种粉末与铝合金粉末在保护性气氛或真空中将一种或几种粉末与铝合金粉末在保护性气氛或真空中机械合金化机械合金化，反应，反应形成含有增强相的复合粉末，然后采用粉末冶金方法压制、烧结，或再经塑形成含有增强相的复合粉末，然后采用粉末冶金方

10、法压制、烧结，或再经塑性变形，制备铝基复合材料产品或零部件。性变形，制备铝基复合材料产品或零部件。 如如：将纯：将纯Fe粉与粉与Al合金粉末混合，进行机械合金化，制备合金粉末混合，进行机械合金化，制备Fe3Al与与Al合金合金 混合粉末，然后压制烧结或挤压成复合材料。混合粉末，然后压制烧结或挤压成复合材料。 79三、原位铜基复合材料的制备三、原位铜基复合材料的制备 航空、航天、微电子等高技术的迅速发展，要求铜材不航空、航天、微电子等高技术的迅速发展，要求铜材不仅具有良好的导电性、导热性、弹性极限和韧性，而且还仅具有良好的导电性、导热性、弹性极限和韧性，而且还要求具有较好的耐磨性、高温强度、较低

11、的膨胀系数，铜要求具有较好的耐磨性、高温强度、较低的膨胀系数，铜合金难以兼顾，满足这些条件需采用铜基复合材料。合金难以兼顾，满足这些条件需采用铜基复合材料。 8101. 液相反应原位生成法液相反应原位生成法 将两种或两种以上的金属流以涡流状混合，产生将两种或两种以上的金属流以涡流状混合，产生化学反应形成弥散相，弥散相颗粒可细化至化学反应形成弥散相，弥散相颗粒可细化至50nm。由于第二相在凝固过程中形成，避免了表面污染和由于第二相在凝固过程中形成，避免了表面污染和氧化，不存在人工复合中界面润湿和化学反应问题。氧化，不存在人工复合中界面润湿和化学反应问题。 易于同连续铸造等技术结合，性能好，成本低