学文网金属基复合材料篇1
【关键词】金属基复合材料 性能 关键技术
一、背景
20世纪60年代，美国航天飞机主舱体的主龙骨的支柱就采用了硼纤维增强铝基复合材料；20世纪80年代初期，逐渐强化对碳纤维增强铝基复合材料制备工艺技术研究力度，如压铸、半固态复合铸造以及喷射沉积和原位金属直接氧化法、反应生成法。80年中期开始加强对金属基复合材料界面稳定性研究。
二、金属基复合材料特征性能内容
高强度、高模量、低密度的增强纤维的加入，使MMC的比强度和比模量成倍地提高；良好的高温稳定性和热冲击性。金属基体的高温性能比聚合物高很多，加上增强材料主要为无机物，在高温下具有很高的强度和模量，因此MMC比基体金属具有更高的高温性能；热膨胀系数小、尺寸稳定性好；良好的导热性；不吸潮、不老化、气密性好。
三、MMC的制备工艺和制备方法研究
金属基复合材料的制备工艺研究主要包含以下几个方面：金属基体和增强物的结合方式和结合性；增强物在金属基体中的混合分布情况；降低成本，复合材料硬度、稳定性的提升；避免连续性纤维在制作中的出现伤损状况。
目前制备方法有固态法，液态法，喷涂喷射沉积，原位复合等。
（一）固态法。固态法指在制备过程中把纤维、颗粒等与金属基体按照原始设计要求，通过低温、高压条件将二者复合粘结，最终形成金属基复合材料。该制备方法整个工艺保持在低温环境下、且金属材料和纤维、颗粒等增强物状态呈现为固态、界面反应不严重。固态法制备工艺包含以下两个方面：
1.扩散结合。扩散结合是指金属材料在一定温度和压强下，把新鲜清洁表面的金属和增强材料，通过表面原子的互相扩散而连接在一起的固态化焊接技术。如***
2.粉末冶金。粉末冶金（Powder Metallurgy）适应范围广，对于长纤维、短纤维、颗粒性金属基增强材料的制备都适合，粉末冶金制作工艺是将金属材料和增强物（颗粒、纤维等）按照一定要求混合，并经过压制、烧结及后期一系列处理工艺制成金属基复合材料。在制备过程中，为提升该方法产品的压制性和烧制收缩率，可根据实际需要加入液相烧结组元，通过这种工艺制备的金属基复合材料可有效增强其室、常温条件下材料的硬度、耐磨度的部分。[1]粉末冶金法工艺过程如下***
（二）液态法。液态法包含压铸、半固态的符合铸造、搅拌法和无压渗透法等，根据其内容划分又称之为“熔铸法”。这些方法的共同持点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。这种方法优点显著，成本低、基础设施要求不高，且只需要一次性即可完成，它的这些优势决定其可批量大规模进行生产。其中日本松下润二 采用离心铸造法制造出AlSi 基石墨增强复合材料[2]。
（三）喷涂与喷射沉积。喷涂沉积主要应用于纤维增强金属基复合材料的预制层的制备，亦可以作为获取层状复合材料坯料的方法。该工艺主要用作颗粒型金属复合材料的制作，其最大的优势在于对增强材料、金属润湿要求不高，接触时间较短且界面反应量少。
（四）原位复合。解决了增强材料与金属基体之间的相容性问题、即增强材料与金属基体的润湿性要求。解决了高温下的界面反应等。例如：
四、技术关键以及难点
主要是加工温度高，性能波动，成本高以及制造工艺中的金属基复合材料中的金属与增强物的相容性。
五、应用前景
金属基复合材料独特优势，决定其必然在将来得到广泛利用，并得到规模生产，且伴随着科技发展，其成本亦会变得越来越低。当前就工艺技术而言，铸造法和原位复合法得到广泛应用，前者工艺流程简易、且成本廉价，而后者具备优良工艺特征，具备极强发展前景。若将来可综合二者，金属基复合材料将会取得更为显著的成果。
参考文献：
金属基复合材料篇2
关键词：材料成型；控制工程；金属材料；加工工艺
0引言
对于我国制造业而言，材料成型与控制工程是其实现长期健康发展的根本保障，不仅如此，材料成型与控制工程也是我国机械制造业的关键环境，因此，相关企业必须对其给予高度重视。无论是电力机械制造，还是船只等交通工具制造，均离不开材料成型与控制工程，材料成型与控制技术的水平与质量将会直接决定机械制造水平与质量。因此，对材料成型与控制工程中的金属材料加工技术进行细化分析，具有非常重要的现实意义。
1金属材料选材原则
在金属复合材料成型加工过程中，将适量的增强物添加于金属复合材料中，可以在很大程度上高材料的强度，优化材料的耐磨性，但与此同时，也会在一定程度上扩大材料二次加工的难度系数，正因此，不同种类的金属复合材料，拥有不同的加工工艺以及加工方法。例如，连续纤维增强金属基复合材料构件等金属复合材料便可以通过复合成型；而部分金属复合材料却需要经过多重技术手段，才能成型，这些成型技术的实践，需要相关工作人员长期不断加以科研以及探究，才能正式投入使用，促使金属复合材料成型加工技术水平与质量实现不断发展与完善。由于成型加工过程中，如果技术手段存在细小纰漏，或是个别细节存在问题，均会给金属基复合材料结构造成一定的影响，导致其与实际需求出现差异，最终为实际工程预埋巨大的风险隐患，诱发难以估量的后果。所以，相关工作人员在对金属复合材料进行选材过程中，必须准确把握金属材料的本质以及复合材料可塑性，只有这样，才能保证其可以顺利成型，并保证使用安全。
2金属材料加工方法
2.1机械加工成型
当前，金属材料成型与控制工程中，应用最为广泛的金属切割刀具便是金刚石刀具，以金刚石刀具对铝基复合材料进行精加工，与其他金属基复合材料，例如，钻、铣以及车等，均是现代社会中广而易见的。铝基复合材料的金刚石刀具加工形式可以细化为三种：其一，车削形式；其二，铣削形式；其三，钻削形式。其中，钻削即通过镶片麻花钻头对铝基复合材料进行加工，常见的有B4C以及SiC颗粒钻削，然后添加适量的外切削液，可以有效强化铝基复合材料。铣削即通过1.5%-2.0%（W+C）粘结剂，8.0%-8.5%PCD的端面铣刀对铝基复合材料进行加工，常见的有SiC颗粒铣削增强铝基复合材料，然后添加适量的切削液进行冷却。车削以硬合金刀具为主要的切割工具，例如，A1/SiC车削符合材料，并添加适量的***化液对其进行冷却处理。
2.2挤压与锻模塑性成型
金属材料实际成型加工过程中，相关工作人员可以通过模具表面涂层以及添加剂等技术手段，对实践操作过程中的压力进行有效改善，降低加工操作过程中的摩擦阻力，据相关数据统计，这样可以促使加工过程中的挤压力缩减25%-35%左右，甚至更多。降低加工挤压力，可以有效弱化增强颗粒给模具造成的损伤程度，削弱金属材料塑性，有利于降低金属材料的变形阻力，提高其成型的成功率。除此之外，相关工作人员还可以增加挤压温度，以此促使金属基材料更具可塑性。在金属基材料中添加适量的增强颗粒，可以促使金属基材料的可塑性得到弱化，进而变形抗力得以大幅度提升，此时提高挤压温度，可以加快增强颗粒与金属基材料的溶合速率，优化二者的溶合效果。普遍来说，增强颗粒含量会直接影响挤压速度，由此可见，只有金属基复合材料中的增强物含量较低，才能提高挤压速度，如果金属基复合材料中的增强物含量较高，相关人员必须严格控制挤压速度。不过，挤压速度超高的话，也会导致金属材料成型后，便面出现横向裂纹。综上，相关人员在应用挤压与锻模塑性成型加工技术时，不仅要在金属复合材料表面进行涂层或是剂处理，还要对挤压温度进行严格控制，并结合实际，对挤压速度进行有效调控，只有这样，才能保证成品质量符合要求。
2.3铸造成型
复合材料生产过程中，应用最广泛的加工技术便是铸造成型技术，实际铸造过程中，金属基复合材料中添加增强颗粒后，熔体的粘度以及流动性均会显著提升，加之增强颗粒与熔体在高温下的化学反应作用，便会改变基础材料本质，此时相关工作人员必须在熔化金属基复合材料的过程中，对其熔化温度以及保温时间进行严格管控。高温时，添加的增强颗粒，尤其是碳化硅颗粒，极易产生界面反应，例如，3SiCA1-A14C3+3Si等。进而导致熔体粘度过大，难以浇筑，影响材料本质。此时相关工作热暖可以采取精炼方法，然后添加适量变质剂造渣。但这种操作方法并不适用于颗粒增强铝基复合材料。
2.4粉末冶金成型
粉末冶金成型技术是最早期的制造晶须以及颗粒符合材料零部件、金数基复合材料的手段，具有非常丰厚的实践检验，不仅如此，该技术手段还适用于尺寸较小、形状简单但是具有较高精密性要求的零部件。粉末冶金成型技术具有组织细密、增强相分布均匀、增强相可调节以及界面反应较少等特点，DWA公司现阶段，应经将粉末冶金成型技术延展到多种产品的制造工程中，例如，SiCp增强铝合金基体、管材、自行车零件、自行车支撑设备架以及自行车架等。由于粉末冶金成型技术加工的产品具有非常显著的耐磨性、比模量以及比强度，因此，也受到了航天器材、飞机以及汽车的广泛推崇。
3结语
金属材料在材料成型与控制工程中，属于加工难点，而且极具重要性，发展前景非常广阔，随着科学技术的快速发展，其将受到更多行业领域的青睐以及注重，我国必须给予高度重视，通过不断科研，促使自身的技术水平实现突破与创新，这对提高我国的国际竞争力至关重要。
参考文献：
[1]张文华.材料成型与控制工程模具制造技术分析初探[J].黑龙江科技信息,2015(15).
金属基复合材料篇3
【关键词】不锈钢/碳钢复合板；爆炸复合；热轧复合；冷轧复合；粘接复合；扩散退火
MANUFACTURING TECHNIQUE OF STAINLESS
STEEL/CARBON STEEL LAMINATED COMPOSITE PLATES
HUANG WEI
（Beijing Metallurgical Equipment Research & Design Institute Beijing 100711）
ABSTRACT： The four main types manufacturing technique are Introduced of stainlesssteel/carbon steel laminated composite plates： explosive composite， compound hot rolling， cold rolling composite， adhesive composite. Their respective characteristics are analysed， as well as their market adaptability. Which is helpful for engineering and technical personnel to choose different kinds of stainless steel /carbon steel composite material to achieve project aims.
1、基本概念
复合材料是一个极其庞大的产品“家族”体系，本文讨论的仅为其中一个小小的分支。为了便于理解，将本分支有关的“家谱”作一简单介绍。
1.1复合材料[1]
复合材料（Composite materials），是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：（1）纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。（2）夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材（基材）组合而成。通常面材强度高、薄，且价格高；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度，成本相对低。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。（3）细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。（4）混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。
1.2复合板
复合板是夹层复合材料的俗称。除了上面讲到的分为实心夹层和蜂窝夹层两种以外，按复合面的形状，还可以分为层状结构复合板和镶嵌结构复合板。前者，两种材料的结合面呈平面状态，后者两种材料的结合面从横断面看呈各种折线形状（参见***1，***2，***3）。
复合板一般分为金属复合板，金属与非金属复合板，非金属复合板。
1.3金属层状结构复合板
金属层状结构复合板是指在一层金属板上覆以另外一种金属板，以达到在不降低使用效果（防腐性能、机械强度等）的前提下节约资源、降低成本的效果。
根据基材和面材的品种不同，常见的金属层状结构复合板有铜/钢复合，铝/钢复合，钢/钢复合（不同材质的钢材），铜/铝复合等。还有钼/钛、纯银/银合金等贵金属复合板。
1.4不锈钢/碳钢层状结构复合板
不锈钢/碳钢层状结构复合板（以下简称“不锈钢复合板”）是一种以碳钢为基材，不锈钢为敷面的复合板材。常用的基材有08AL，Q315，Q345，45#，锅炉板等，面板有SS304，SS316，00Cr22Ni5Mo3N，1Cr13等。面板厚度占总厚度的比例为10～30%。
不锈钢复合板工业化生产工艺有4种：（1）爆炸复合，（2）热轧复合，（3）冷轧复合，（4）粘接复合。
2、爆炸复合
爆炸复合是爆炸焊接技术在复合板生产中的应用。爆炸焊接是指利用炸药爆炸的能量驱动，把不同金属部件焊接起来的技术。
爆炸复合的基本原理，是利用炸药爆炸产生的超强瞬时力使金属之间发生倾斜碰撞，在碰撞面附近形成几十万个大气压和有效用的热效应，接触面被产生的射流自动清洗的同时，表面质点间有效作用，接触面的温升不超过熔点，形成以波状界面为特征的冶金结合。而且，复合后的板材其各层的化学成分、力学性能、防腐耐蚀性、可焊性能和可加工性能均未改变。
爆炸复合的主要工艺过程：
（1）材料准备。基材需要打磨表面，除去氧化皮和污垢；面板需要矫平和清洁表面。
（2）爆炸作业。分为3个主要步骤：铺板、布炸药、引爆。铺板根据面积大小，可以直接叠放或两板内表面呈一夹角放置。
（3）复合后整理。复合后首先退火，然后对复合板进行矫平，最后超声波检测结合层质量，对产品定级。
***4给出了爆炸复合的工艺流程框***
爆炸复合的特点：爆炸所产生的高温，使接触表面的金属融化，并互相扩散使难复合金属能够结合到一起；易于实现多层复合，复合界面呈波纹状，结合强度高；适合于小批量多品种生产，不适于大批量生产。不锈钢复合层厚度不均，产品精度差；受组配设备和加工设备的限制，其产品尺寸范围小；爆炸烟尘和响声使周围环境恶化。
3、热轧复合
热轧复合是将基材与面材叠在一起，经高温高压轧制，实现两种材料接触面的冶金结合。
热轧复合的基本原理：金属塑性成形时在变形性质上十分类似于粘滞流体，两种金属间接触表面在剪切变形力的作用下趋向于流体特性。一旦有新生金属表面出现，它们便产生粘着摩擦行为，利用接触表面间金属的固着，以固着点为基础（或核心），在高温激活条件下形成较为稳定的热扩散，从而形成良好的复合[2]。
热轧复合的典型工艺过程：
（1）组坯。将表面洁净的两块不锈钢板（面材）叠放在表面经打磨的两块碳钢钢坯中间，两块不锈钢板之间涂有防粘结的材料（隔离剂）。将钢坯四周用钢带密封焊接，抽真空，形成两组复合板坯（参见***5）
（2）复合轧制。按碳钢热轧工艺对复合板组坯进行轧制，达到所需厚度。
（3）分卷（或分板）。将两组复合板分离。
（4）精整。经过退火、矫直、切边等精整工序，使复合板满货条件。
***6给出了热轧复合的工艺流程框***
热轧复合的特点：利用现有热轧设备，实现大规模工业化生产；相比冷轧复合，结合强度高；相比爆炸复合，产品尺寸精度高。组坯时实现表面洁净度要求难度大，真空度要求高，有可能出现单个不结合区超标的现象。
4、冷轧复合
冷轧复合又称为固相复合（Solid Phase Bonding），俗称“冷焊”，是利用较大的轧制压力。使两种以上的不同成分的材料的结合面接近到原子间的距离，形成大量的结合点，经扩散热处理（烧结）形成整个接触面的金属键结合。这是一种在结合面上下不出现液相的结合方法。
冷轧复合工艺过程：
（1）材料准备。不锈钢冷轧复合的材料一般是成卷状态的基板和面板。材料准备分为开卷、表面清洁、合带3个连贯的步骤。
（2）复合轧制。采用一次性60%以上的压下量对合带进行超强度、大压下量轧制。
（3）扩散退火。对复合板进行连续退火。
（4）精整。通过平整或拉矫改善板形、通过裁剪满足供货需要。
***7给出了冷轧复合的工艺流程框***
冷轧复合的主要优点是：在结合面上几乎没有中间合金化层；总厚度和厚度比均匀，尺寸精度高，性能稳定；对熔点或屈服极限相差很大的不同材料也可以实现固相结合；结合可以连续进行，大大地提高生产效率，降低成本。
5、粘接复合和其他复合工艺
粘接复合是将基板和面板用粘接剂结合起来。其工艺过程是：（1）板面清洁，（2）结合面刷涂粘结剂，（3）加温压实。
粘接复合的特点是：工艺简单，材料表面保持原有光亮度，产品平整度好。但不能实施大角度折弯、不能焊接；不能用于高温或温差大的场合。
其他不锈钢/碳钢复合工艺还有铸造轧制法[3]，逆向凝固法[4～7]等。目前尚在实验室研究阶段，无工业化生产产品上市。
6、不同工艺过程形成的不锈钢/碳钢复合板的工程应用
粘接复合板只能用于室内装饰。
爆炸、热轧、冷轧三种复合板具有良好的折弯、焊接性能，可以运用于绝大多数纯不锈钢板工程运用的场合。由于三种工艺复合的机理有差异，一般而言，爆炸复合适合于生产厚板，产品用于高压高温容器，如核反应堆的壳体、化工行业的反应釜等。热轧复合适合于生产中板，产品适应中低压容器和壁厚较大的常压设备，如烟气脱硫装置、中低压反应釜、工业罐槽等；冷轧复合板适合于生产高精度的薄板，用于常压容器和装饰面板，如电梯轿厢、机场行李输送带、食品机械、医药机械、日用橱柜等。冷轧复合板还具有良好的深冲性能，可以用来生产日用器皿，如水壶、炒锅等。这类器皿可以在电磁炉上使用（纯不锈钢制品没有这个功能）。
不锈钢/碳钢复合板目前在建筑领域的应用主要是门窗。随着不锈钢/碳钢复合板的生产能力的提高，成本会进一步下降，其在建筑主结构用钢上的应用也是指日可待。
参考文献
[1]依据百度百科《复合材料》词条摘编.
[2]吴成.《Q235/304不锈钢复合热轧板有限元模拟研究》
[3]刘耀辉，刘海峰，于思荣.液固结合双金属复合材料界面研究[J].机械工程学报 2000（7）
[4]张健，张立君，王万君.反向凝固钢法生产复合奥氏体不锈钢薄带的研究，2000（05）
[5]赵红亮，齐克敏，高德福，温景林，张健，许中波，王新华.反向凝固复合不锈钢带的轧制工艺及界面结合[期刊论文]-钢铁研究学报 2000（1）
金属基复合材料篇4
【关键词】 纳米增强 制备方法 优缺点
随着科技进步，各个领域对于相关材料的性能要求日益提高。纳米增强技术是改善材料性能的重要方法之一，其在金属材料领域尤其应用广泛。在电子、汽车、船舶、航天和冶金等行业对高性能复合材料需求迫切， 选用最佳制备方法制备出性能更优良的纳米材料是当前复合材料发展的迫切要求。
1 纳米增强技术概述
纳米相增强金属材料是由纳米相分散在金属单质或合金基体中而形成的。由于纳米弥散相具有较大的表面积和强的界面相互作用，纳米相增强金属复合材料在力学、电学、热学、光学和磁学性能方面不同于一般复合材料，其强度、导电性、导热性、耐磨性能等方面均有大幅度的提高[1]。
1.1 机械合金化法
机械合金化法（MA）是一种制备纳米颗粒增强金属复合材料的有效方法。通过长时间在高能球磨机中对不同的金属粉末和纳米弥散颗粒进行球磨，粉末经磨球不断的碰撞、挤压、焊合，最后使原料达到原子级的紧密结合的状态，同时将颗粒增强相嵌入金属颗粒中。由于在球磨过程中引入了大量晶格畸变、位错、晶界等缺陷， 互扩散加强，激活能降低，复合过程的热力学和动力学不同于普通的固态过程，能制备出常规条件下难以制备的新型亚稳态复合材料。
1.2 内氧化法
内氧化法（Internal oxidation）是使合金雾化粉末在高温氧化气氛中发生内氧化，使增强颗粒转化为氧化物，之后在高温氢气气氛中将氧化的金属基体还原出来形成金属基与增强颗粒的混合体，最后在一定的压力下烧结成型。因将材料进行内氧化处理，氧化物在增强颗粒处形核、长大，提高增强粒子的体积分数及材料的整体强度，这样可以提高材料的致密化程度，且可以改善相界面的结合程度，使复合材料的综合力学性能得到提高。
1.3 大塑性变形法
大塑性变形法（Severe plastic deformation）是一种独特的纳米粒子金属及金属合金材料制备工艺。较低的温度环境中， 大的外部压力作用下，金属材料发生严重塑性变形， 使材料的晶粒尺寸细化到纳米量级。大塑性变形法有两种方法：等槽角压法（ECA）和大扭转塑性变形法（SPTS）。
1.4 粉末冶金法
粉末冶金法（PM）是最早制备金属基复合材料的方法，技术相对比较成熟。其工艺为：按一定比例将金属粉末和纳米增强颗粒混和均匀、压制成型后进行烧结。
1.5 液态金属原位生成法
原位反应生成技术[2]（In-situ synthesis）是近年来作为一种突破性的金属基复合材料合成技术而受到国内外学者的普遍重视。其增强的基本原理是在金属液体中加入或通入能生成第二相的形核素，在一定温度下在金属基体中发生原位反应，形成原位复合材料。
除上述几种常用的纳米增强制备方法外，还有真空混合铸造法、纳米复合镀法等[3]。
2 纳米增强制备工艺优缺点比较
对以上几种纳米增强制备技术在工艺及质量性能方面的优缺点进行分析：
2.1 工艺复杂性及成本和产量方面
机械合金法：制备成本低、产量高、工艺简单易行，但是能耗高；内氧化法：制备工艺简单、有利于规模生产，但是生产成本高；大塑性变形法：制备工艺简单、成本低、不可规模生产；粉末冶金法：制备工艺复杂但成熟、生产成本高、效率低；原位生成法：工艺性差、制备成本高、不适于规模化生产。
2.2 制备材料质量和性能
机械合金法：各项性能良好，硬度提高明显，能制备常规条件难以制备的亚稳态复合材料，但增强粒子不够细化，粒径分布宽，易混入杂质；内氧化法：提高增强粒子的体积分数，改善相界面结合程度，综合力学性能得到提高，但内部氧化剂难以消除，易造成裂纹、空洞、夹杂等组织缺陷；大塑性变形法：组织晶粒显著细化，无残留孔洞和夹杂，粒度可控性好，但粒度不均匀，增强粒子产生范围小；粉末冶金法：材料性能好，增强相含量可调，增强相分布均匀，组织细密，但材料界面易受污染；原位生成法：材料热力学稳定，力学性能优良，且界面无杂质污染，但增强颗粒限于特定基体中，增强相颗粒大小、形状受形核、长大过程影响。
上述分析可以得出，粉末冶金法技术最为成熟，机械合金法工艺最为简单易行，内氧化法有利于大规模生产，金属液态原位生成法最具有发展前景。王自东[4]等人应用金属液态原位生成纳米增强技术，使得金属材料强度大幅度提高的同时，塑性也能大幅度提高，解决了增强同时增韧或增强同时塑性不下降这一世界难题。以锡青铜为例：强度从270Mpa提高至535Mpa，延伸率从12%提高至38%，冲击韧性从14提高至39。这项技术成果***于国外，优于国外，为我国原创。
3 结语
纳米增强金属材料在工程方面具有广泛应用领域和前景，例如：我国目前建筑用钢约4亿吨，如采用该技术，至少可节约10%的用量，在节约资源，节能减排，提高效率等方面意义重大！其它主要应用领域有：铁路应用的高铁输电电缆、高铁车轴、轨道、车辆走行部分、车钩等需要满足强度要求又需满足如导电性、韧性、耐疲劳性、减轻结构重量等特殊要求的领域。船舶中大量的铜合金泵、阀和管材，材料大幅增强、增韧后可减少用材10%-20%。轧制低于8μm的铜箔用于柔性印刷电路板的覆铜，减少用铜、减轻重量、降低成本等。武器装备中装甲用钢、舰船壳体钢、飞机起落架用钢，以及航空、航天等领域都有着广泛的应用前景。
我们要继续开发新型的具有高性能价格比、工艺简单、适于大规模生产且符合我国工业现状的纳米增强制备技术。
参考文献：
[1]郝保红，喻强，等.颗粒增强金属基复合材料的研究（一）.北京石油化工学院学报，2003.
[2]王庆平，姚明，陈刚.反应生成金属基复合材料制备方法的研究进展[J].江苏大学学报，2003.
金属基复合材料篇5
关键词：复合材料
材料是科学技术发展的基础，复合材料作为最新发展起来的一大类新型材料，对科学技术的发展产生了极大的推动作用。对航空航天事业的影响尤为显著。复合材料（Composite materials），是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
一、复合材料的性能特点
1.比强度和比模量高
复合材料的优点是比强度和比模量（即强度、模量与密度之比）高.比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。
2.抗疲劳性好
复合材料中基体与增强纤维间的界面可有效地阻止疲劳裂纹的扩展，同时基体中密布着大量纤维，疲劳断裂时，裂纹的扩展要经历很曲折和复杂的路径，所以疲劳强度高。金属材料的疲劳破坏是由里向外突然发展的，事先没有任何征兆；而纤维复合材料的疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆。
3.减振性能强
结构的自振频率除与结构本身形状、质量有关，还与材料的比模量的平方根成正比。纤维增强复合材料的比模量大，自振频率高，避免了工作状态下因共振而引起的早期破坏。同时，复合材料中纤维与基体界面具有吸振能力，因此振动阻尼很高，即使产生了共振也会很快衰减。
4.减摩、耐磨、自性好
在热塑性塑料中掺入少量短切碳纤维可大大提高它的耐磨性，其增加的倍数为聚氯乙烯本身的3.8倍：聚四氟乙烯本身的3倍。碳纤维增强塑料还可以降低塑料的摩擦系数并具有良好的自性能，因此可以用于制造无油活塞环、轴承和齿轮。
5.耐热性高
碳纤维增强树脂复合材料的耐热性比树脂基体有明显提高，而金属基复合材料在耐热性方面更显示出其优越性，碳化硅纤维、氧化铝纤维与陶瓷复合，在空气中能耐1200-1400℃高温，要比所有超高温合金的耐热性高出100℃以上。用于柴油发动机，可取消原来的散热器、水泵等冷却系统，减轻重量约100kgo
6.复合材料构件制造工艺简单，适合整体成型。在制造复合材料的同时，也就获得了制件，从而减少零部件、紧固件和接头的数目，并可节省原材料和工时。
7.断裂安全性高
纤维增强复合材料中有大量***的纤维，过载时会使其部分纤维断裂，但随即会迅速进行应力的重新分配，而由未断纤维承担全部载荷，不致造成构件在瞬间丧失承载能力而断裂，所以工作安全性高。
二、复合材料的分类与应用
复合材料按结构特点分为以下四类：
1.纤维增强复合材料
由增强纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等，与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。根据增强材料的不同，常见的纤维增强复合材料分为玻璃纤维增强复合材料（GFRP）；碳纤维增强复合材料（CFRP）以及芳纶纤维增强复合材料（AFRP）。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合， 使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。
纤维增强复合材料被越来越广泛地应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水工结构以及地下结构等领域中。
2.夹层复合材料
由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。它已用机上的天线罩隔板、机翼以及火车车厢、运输容器等方面。
3.细粒复合材料
将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。颗粒复合材料可以在汽车上使用，用碳化硅粒子材料做汽车的制动器，减少汽车制动器的逐渐失灵现象。还可用它来做汽车的气缸套，可改进耐磨性。
4.混杂复合材料
由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。
三、发展前景
现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料有复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。现阶段，我国玻璃钢、复合材料行业面临一个新的大发展时期，如城市化进程中大规模的市***建设、新能源的利用和大规模开发、环境保护***策的出台、汽车工业的发展、大规模的铁路建设、大飞机项目等。在巨大的市场需求牵引下，复合材料产业的发展将有很广阔的发展空间。复合材料也正向智能化方向发展，材料、结构和电子互相融合而构成的智能材料与结构， 是当今材料与结构高新技术发展的方向。随着智能材料与结构的发展还将出现一批新的学科与技术。包括：综合材料学、精细工艺学、材料仿生学、生物工艺学、分子电子学、自适应力学以及神经元网络和人工智能学等。智能材料与结构已被许多国家确认为必须重点发展的一门新技术，成为21世纪复合材料一个重要发展方向。
参考文献：
金属基复合材料篇6
关键词：TiAl3；原位合成；强韧化
0 引言
TiAl3金属间化合物具有低密度、高熔点、高比强度以及高温抗氧化性能优异等特点，被认为是一种很有发展前景的轻质高温结构材料，在航空航天等领域有重要的应用价值[1～3]。但是TiAl3金属间化合物作为一种线性化合物，其室温塑性太低、高温蠕变性能较差，这些都严重制约了其工业应用。通过复合强韧化设计制备出的TiAl3金属间化合物基复合材料，能够改善基体的塑韧性，同时提高材料的高温蠕变性能[4]。本研究采用原位反应热压工艺，分别制备出Al2O3和Al2O3+Ti3AlC2增强的TiAl3基复合材料，并与原位反应制备的TiAl3金属间化合物进行对比研究，分析了材料的强韧化机制，为TiAl3基材料的工程应用提供一定的支持。
1 试验
试验选用Al粉、Ti粉、TiO2粉和TiC粉作为原材料。根据公式（1）-（3）按摩尔计量比配制粉末。将混合粉末湿磨50h后过筛、烘干。然后在真空热压炉中进行烧结成型，采用石墨模具，烧结压力为50MPa。采用三点抗弯实验测试不同材料的断裂韧性和抗弯强度，试样数量为3-5个，取测试结果的平均值。
2 结果与讨论
表1给出了三种不同材料的断裂韧性和三点弯曲强度的对比。从表中可以看出，原位反应热压制备的TiAl3金属间化合物的抗弯强度为188.2MPa，这比文献[5]报道的提高了约16.2%，但是材料的断裂韧性却相当。这一方面是因为采用原位反应热压工艺制备出的TiAl3材料成分均匀，能够满足TiAl3作为线性化合物的成分需求，因而晶间存在的残余Al很少；另一方面，由于存在瞬间的液相及加压致密过程，极大地弥补了材料原位反应过程产生的体积收缩，因而利用反应热压制备的TiAl3材料组织更为致密细小。因此，原位反应热压制备的TiAl3材料其强度得到了一定的提高，但是并不能改变其本征脆性。
采用复合强韧化设计能够兼顾材料的强度和断裂韧性。如附表所示，通过引入增强相，TiAl3基复合材料的三点抗弯强度和断裂韧性相对TiAl3基体都有了大幅度的提高。单相Al2O3增强的复合材料，其断裂韧性提高了126%，三点抗弯强度提高了174%。在此基础上，再引入Ti3AlC2相则能够获得协同复合强韧化效果：相对于Al2O3单相增强的TiAl3基复合材料，其断裂韧性提高了51.9%，三点弯曲强度提高了27.8%。
附***给出了TiAl3及其复合材料的断口形貌。从附***（a）中可以看出，TiAl3金属间化合物的断口存在大量光滑平面及少量的解理台阶，表明其产生了明显的沿晶脆性断裂，同时存在少量的穿晶断裂。此外，在晶界边缘存在极少量的残余Al，这主要是由于部分区域偏离化合物的线性成分所致。从附***（b）和（c）可以看出，除了存在较多的沿晶脆断平面外，还存在很多Al2O3颗粒剥离所产生的孔洞，这就吸收了部分断裂能量，提高了材料的强度和断裂韧性。增强相的引入还极大地细化了材料的晶粒，从而起到强韧化的效果。进一步引入Ti3AlC2相后，在断口上除了观察到Al2O3颗粒的剥离现象，还能观察到Ti3AlC2相的扭折、层裂等准塑性变形。从附***（d）的裂纹扩展形貌可以看出，裂纹在穿越Ti3AlC2颗粒时发生了明显的偏转，裂纹尾迹区内存在未开裂的Ti3AlC2颗粒，这说明在断裂过程中Ti3AlC2颗粒能够实现裂纹的偏转及桥接，进而吸收裂纹扩展能量，实现复合材料的进一步强韧化。
3 结论
（1） 原位反应热压能够获得均匀致密的TiAl3基复合材料，其强度和断裂韧性相对TiAl3基体有大幅提高。
（2） Al2O3+Ti3AlC2两相协同增强效果显著，能够进一步提高TiAl3基复合材料的力学性能。
参考文献：
[1] 惠林海，耿浩然，王守仁，等. Al3Ti金属间化合物的研究进展[J]. 机械工程材料， 2007， 31（9） ： 1-6.
[2] 张津徐，傅云义，孙坚，等. 复相Al3Ti基合金的高温强化[J]. 材料工程，2000， 11：26-31.
[3] 张永刚， 韩雅芳， 陈国良， 等. 金属间化合物结构材料 [M]. 北京， 国防工业出版社， 2001.
[4] 姜国庆，武高辉，刘艳梅. 连续纤维增强钛铝金属间化合物基复合材料的研究进展[J]. 材料导报，2008，S1：404-408.
金属基复合材料篇7
关键词 碳纳米管/铜基复合材料；制备工艺；显微组织
中***分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）13-0050-02
将增强纤维、颗粒等与铜制备成铜基复合材料，可以提高其强度、耐磨性以及保持较优良的导电导热性能。SiC作为一种陶瓷颗粒，具有弹性模量高及抗氧化性能好等优良性能。由于金属具有优良的力学机械性能，使得金属基复合材料可以按机械零件的结构和性能要求，设计成合理组织和性能分布，从而工程技术人员对材料的性能进行最佳设计。由于能够根据不同的力学性能要求来选择相应的金属基体和不同的增强体，使得复合材料中的各组成材料之间既能保持各自的最佳性能特点，又可以进行性能上的相互补充，功能上的取长补短，甚至满足一定的特殊性能，所以纳米复合材料是一类具有结构和功能极佳的材料。另外，纳米复合材料由于具有特有的的纳米表面效应、特有的纳米量子尺寸效应，能够对其光学特性产生影响。按照复合材料基体的性能特点特，人们将纳米复合材料通常分三大类：纳米树脂基复合材料、纳米陶瓷基复合材料和纳米金属基复合材料。纳米金属基复合材料不仅具有强度高、韧性高的特点，纳米金属基复合材料还具有耐高温、高耐磨及高的热稳定性等性能。纳米金属基复合材料应用表明：在功能方面具有高比电阻性能、高透磁率性能，以及高磁性阻力等物理性能。本文采用球磨混料方法，通过真空热压法工艺，制备出碳纳米管增强铜基复合材料，研究铜基纳米复合材料的制备工艺，分析相应的材料性能。
1 试验材料及方法
1.1 试验材料
试验用原材料是上海九凌冶炼有限公司生产的电解铜粉，铜粉纯度是99.8%，铜粉粒度为-300目，铜粉松装密度是1.2～1.7。碳纳米管（CNTs）选用深圳纳米港有限公司产品。选用哈尔滨化工化学试剂厂的十二烷基硫酸钠（化学纯），以及该厂生产的酒精（分析纯）。
1.2 试验方法
试验采用行星式球磨机进行湿磨混合配料，选择的球磨机转速参数为300 r/min，球磨时间为2.5小时，试验球料比选择为1：1。试验的热压温度参数选择在800℃进行烧结，热压压力参数为3.9吨，烧结时间参数为3小时。使用光学显微镜分析复合材料的显微组织特点，用新鲜配制的三氯化铁盐酸酒精溶液腐蚀复合材料组织，腐蚀时间选为15 s。
2 试验结果与分析
2.1 碳纳米管/铜基复合材料显微组织
2.2 CNTs/Cu复合材料的硬度
2.3 CNTs添加量对复合材料相对密度的影响
试验结果表明，纯铜试样致密度最高，但是，随着碳纳米管含量的增加，纳米复合材料的相对密度下降。复合材料材料相对密度随着碳纳米管含量的增加而逐渐降低，原因主要是碳纳米管和铜的润湿性较差，致使强化相CNTs不能均匀分布，引起复合材料的缺陷，材料中产生孔隙，呈现出相对密度的下降的特点。
3 结论
1）采用球磨混料方法，真空热压法工艺，制备出碳纳米管增强铜基复合材料。
2）随着CNTs的增加，复合材料的硬度呈现降低的趋势，CNTs含量与硬度之间关系为曲线关系。
3）纯铜试样致相对密度最高，随着碳纳米管含量的增加，复合材料的相对密度下降。
参考文献
[1]解念锁，李春月，艾桃桃，等.SiCp尺寸对铜基复合材料抗氧化性及磨损性的影响[J].热加工工艺，2010，39（8）：
74-77.
[2]王瑾，解念锁，冯小明，等.SiCp/Cu梯度复合材料的压缩性能研究[J].热加工工艺，2011，40（8）：106-107.
[3]王艳，解念锁.原位自生Sip/ZA40复合材料的组织及性能研究[J].陕西理工学院学报（自然科学版），2011，27（1）：1-4.
[4]董树荣，涂江平，张孝彬.碳纳米管增强铜基复合材料的力学性能和物理性能[J].材料研究学报，2000，14（Sl）：132-136.
[5]王浪云，涂江平，杨友志.多壁碳纳米管/Cu基复合材料的摩擦磨损特性[J].中国有色金属学报，2001，11（3）：367-371.
金属基复合材料篇8
随着自动化技术和智能技术的不断发展，未来的装甲装备将在更加复杂、恶劣的环境中作战，在这种环境中，装甲装备若要克敌制胜，提高生存力，在考虑基本设计之外，应综合运用各种先进技术，其中装甲防护是装甲装备获得生存力的主要手段之一，装甲装备单纯依靠增加装甲厚度等传统防御手段已难以抵御。这对各种装甲装备如坦克、装甲战车等***用平台的生存能力、机动能力、可部署能力以及经济可承受性提出了更高的要求，这些要求集中反映在装甲装备的重量、机动灵活性、隐身与防护能力和制造工艺上。传统的金属结构材料（如装甲钢、装甲铝等）由于重量重、功能单一、全寿命周期成本较高，已难以满足新一代先进地面武器平台的迫切需求。
以先进树脂基复合材料等为主体的新型抗弹/隐身/结构复合材料是近年来迅速崛起的一类装甲车辆用材料，美国、英国等西方国家已广泛开展了复合材料炮塔、车体、负重轮、火炮身管的研究并已部分装备应用。与传统的金属结构材料和装甲材料相比，该类材料具备以下突出特点：
1.重量轻
复合材料结构可在所承受的最大负载方向上得到最佳性能，这是复合材料与金属材料的最大区别。据计算，采用复合材料的装甲车装甲重量将减少35%～40%。采用复合材料装甲能减轻重量、降低成本，提高战场生存能力。
2.防护性能好
在一定的重量下，复合材料具有高强度、高刚度、抗冲击性能好的特点，因此将其用于装甲装备装甲材料可进一步提高坦克的防护能力，提高武器系统的生存能力。
3.隐身性能好
复合材料对光波和雷达波反射比金属弱，并可吸收部分雷达波，具有材料性能和结构外形的可设计性，以制成具有最佳隐形结构外形。
4.人机环境好
非金属复合材料能够有效抑制和吸收装甲车辆产生的噪声与振动，绝热隔热效果好，可以改善人机环境，保障和提高乘员的持续战斗力。
5.抗腐蚀能力强
复合材料的一个突出优点是抗盐水腐蚀，环氧树脂基复合材料可以抵御装甲战车上使用的大多数化学物质的腐蚀。可以显著减少因腐蚀问题而产生的维修费用。
6.制造工艺简单、效率高、成本低 ‘
可一次性成型炮塔、车体等大型部件，生产效率高、产品质量一致性好；批量生产条件下，工艺成本降低。
由此可见，开展非金属基复合材料装甲战车（含主战坦克）的研制和应用技术开发，对于我***未来新一代地面武器平台的设计和研制具有重要意义。
二、美***研究、应用情况及发展趋势
美国是最早系统开展复合材料战车及其典型构件应用研究的国家。1985年～1987年，美国FMC公司与Owens Corning公司合作，研制开发成功基于S-2高强玻璃纤维/聚酯树脂复合材料体系。该材料的抗弹性能明显优于MIL-12560装甲钢、5083铝、E-玻璃纤维复合材料及Kevlar-29复合材料。1987年～1989年期间，FMC公司采用该类材料和热压罐成型方法分别为***方研制开发了布雷德利（Bradley）步兵战车复合材料炮塔和M113装甲输送车复合材料原理样车，减重效率达到15～20%。
1989年～1992年，FMC公司成功地获得了由美国***用材料实验室资助的“复合材料步兵战车计划CIFV——（Composite Infantry Fighting Vehicle）”。这项研究计划采用上述复合材料设计、制造了五种复合材料步兵战车的演示验证车车体，并通过了严格的野外测试，获得的最大减重效率达27%，并且降低了信号特征，提高了隐身特性。
根据CIFV计划的研究成果以及存在的问题，1994～1998年，美国***方研究实验室（ARL）与多家单位合作进行了“复合材料装甲车辆先进技术验证车辆计划”—— CAV-ATD）。该项计划研制成功了新型抗弹/隐身/结构/电磁屏蔽等多功能复合材料体系。1997年，CAV计划采用上述材料完成了复合材料装甲战车先进技术验证车——CAV-ATD的设计和制造，并通过了6000英里以上的野外跑车实验，其减重效率达到了33%以上、且隐身性能十分突出——项目获得了巨大成功。
随着树脂基复合材料、高性能工程塑料及其成型加工技术的日趋成熟和完善，美***除了轻型装甲车辆，开展了在70吨级主战坦克上使用复合材料的原理及概念研究，并已将CAV的该类材料技术成功应用于其最先进的“‘十字***’155mm先进野战火炮系统”和“AAAV2000型先进两栖攻击车辆”的车体及炮塔上。美国利用高性能树脂基复合材料制造负重轮的研究方面已取得了突破性进展。
为了充分研究装甲车辆减重和提高可靠性的途径，美国已成功地将带式橡胶履带应用到重量12吨的M113车上，其使用寿命达到3000千米；美国Goodyear轮胎和橡胶公司为装备美国海***陆战队的AAAV先进两栖突击车而研制的履带是一种轻型橡胶带式履带，比钢制履带减重40%，比铝基履带板减重近100kg。
综上所述，美国在复合材料战车的研究历程中进行了十余项应用研究项目，在材料基本体系和复合结构优化、典型构件设计、制造技术以及其它应用技术方面进行了大量的试验，在CAV计划中使该类材料的应用技术基本成熟，能够支持未来先进武器平台的设计与制造。这对于我国在复合材料或塑料战车的研制和开发上具有重要的借鉴价值。
三、国内研究与应用现状
国内开展非金属复合材料在装甲车辆上的应用研究始于九十年代中期。中国跟踪国外S-2玻璃纤维抗弹复合材料的应用研究，研制成功基于国产高强2号玻璃纤维的环氧酚醛抗弹复合材料体系，具有优良的结构性能、抗弹性能和良好的成型工艺性，可以采用RTM技术实现大尺寸部件的高效、低成本制造。并进行该类材料在步兵战车的车门、舱盖等次承力件上的应用研究和验证工作。
在上世纪末，开始了坦克车辆树脂基复合材料应用科研项目的研究，开展了树脂基复合材料负重轮的可行性研究，并以二代步兵战车为对象，进行了复合材料负重轮的研制。经台架试验表明，单片复合材料负重轮的静压强度达到180KN，可满足二代步兵战车对复合材料负重轮的强度要求，比铝负重轮减重27%，整车24片负重轮可实现总减重180Kg。为继续开展高性能树脂基复合材料负重轮应用研究奠定了基础。
后来，又开展了复合结构的火炮身管技术研究，采用CF/PI复合材料缠绕成型了25mm高膛压火炮复合身管，实现减重14.6%，通过实弹射击试验的考核，连续射击时最高温度达到282℃，证明复合炮管能够承受火炮射击时产生的高压、高温动态载荷。
由于在复合材料及其加工工艺技术水平上的差距，也由于在我国地面武器装备总体设计中对材料特别是非金属复合材料的认识不足，因此，国内在整体复合材料战车的研究方面上属起步阶段。
四、我国开展装甲车辆非金属材料应用研究工作的建议
国外装甲车辆结构材料经历了由装甲钢装甲铝复合材料的三代演化模式，我国目前的先进武器平台的研制中正在处于由装甲钢向装甲铝的演变过程中。由于复合材料相对于装甲铝仍可获得15%～20%的减重效率，并且具有隐身、耐腐蚀等多功能特性，因此，应加强非金属材料在装甲车辆的应用研究工作，推动我国未来先进武器平台设计技术和作战效能实现跨越式发展。
参考文献:
金属基复合材料篇9
【关键词】陶瓷；刀具；赛阿龙；立方氮化硼
0 引言
随着工业水平的提升，科学技术的不断发展，随着数控机床的迅速升级，出现了各种各样传统的硬质合金刀具难以加工的高硬度、高强度、耐磨、耐高温等特性的具有高难度的新型加工材料。而陶瓷刀具作为新型的切削刀具材料，由于其不但拥有良好的高速切削性能，还能进行干切削，满足了实际的生产需求，使得陶瓷刀具在切削加工中起到了越来越重要的作用。陶瓷刀具的大量应用也印证了新技术的不断进步。
1 氧化铝基陶瓷
氧化铝基陶瓷是目前市面上应用最广的陶瓷刀具材料。该系列刀具以氧化铝为主体，通过添加的成分不同可分为纯氧化铝陶瓷、氧化铝-碳化物系陶瓷、氧化铝-金属系陶瓷和氧化铝-碳化物-金属系陶瓷。其中的纯氧化铝陶瓷由于性能较差，切削时易崩刃，已逐渐被其他氧化铝复合陶瓷取代。氧化铝-碳化物系陶瓷是一种发展速度快、使用性能好的陶瓷刀具材料，具有相当高的硬度和抗弯强度，而氧化铝-金属系陶瓷由于其抗氧化性差所以极少被采用。氧化铝基陶瓷具有良好的耐高温性和耐磨性，在高温下仍可保持稳定的化学性能，具有良好的抗粘结能力，工件表面粗糙度低。但是由于氧化铝基陶瓷中含有大量铝元素，使其与金属铝有较强的亲和力，在加工铝合金工件时会出现较大的磨损，故氧化铝基陶瓷刀具不适合加工切削铝合金工件。[1]
2 氮化硅基陶瓷
氮化硅基陶瓷刀具是从20世纪80年展起来的非氧化物工程陶瓷刀具材料。它是以高纯度的氮化硅为原料，添加MgO、AL2O3，Y2O3等为助烧结剂，通过热压成型烧结而成。具有较高的强度和抗弯强度、良好的耐磨性、耐热性、化学稳定性和耐热冲击性，相对于以往陶瓷刀具要搞的疲劳强度，以及良好的断裂韧性。在许多方面其性能都超过了氧化铝陶瓷，但是在切削钢材方面不如氧化铝陶瓷效果好，因此不适合加工钢材。现阶段应用较为广泛的氮化硅基陶瓷种类有单一氮化硅陶瓷及氮化硅复合陶瓷。[1，4]
3 复合氮化硅―氧化铝陶瓷
Si3N4-Al2O3-Y2O3复合陶瓷叫赛阿龙（Sialon）。最初由英国研制成功，是将氧化铝和氮化硅热压烧结产生的固溶体。相比于氮化硅陶瓷，具有更好的耐热性、耐磨性、化学稳定性、抗蠕变能力、抗塑性变形和抗氧化性。赛阿龙陶瓷刀具适合进行高速切削、强力切削、断续切削，而且不仅适合于干切削，也适合于湿切削。赛阿龙陶瓷是加工铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的理想道具。因为与钢的化学亲和力大，赛阿龙陶瓷刀具不适合加工钢材。目前国际上对于该陶瓷刀具的研究非常活跃，在各个方面的研制都取得了良好的成果。[2-5]
4 钛基金属陶瓷
钛基金属陶瓷是陶瓷和金属的复合材料。作为以TiC为主要成分的合金，拥有和陶瓷相近的硬度和耐热性，但有着比陶瓷更高的抗弯强度和断裂韧性，而且化学稳定性好，具有良好的抗氧化性及抗月牙洼磨损和抗粘结能力。其中的80%是作为硬质相的金属碳化物，其余为作为粘结剂的铁、钴、镍等金属相。主要应用于数控领域中，其可加工范围覆盖了大部分的种类的铸铁、金属和非金属材料，以及各种钢材和耐热合金等。为了配合生产可以制作成各种机类可转位刀具或各种尺寸较小的整体复杂刀具使用。现在有着巨大潜力的钛基金属陶瓷，在将来也是数控领域中重要的刀具品种。[6]
5 氧化锆基陶瓷
选择二氧化锆作为提高陶瓷性能的原因是二氧化锆具有耐热，耐磨，耐高温，耐腐蚀，稳定性高，导电性好，热膨胀系数大等特点。氧化锆基陶瓷种类繁多，这是由于氧化锆具有多种相态，而以不同的形态存在时具有不同的性能造成的。目前应用最多有四方氧化锆多晶体（TZP）、部分稳定氧化锆（PSZ）、以TZP或PSZ为基体的增韧陶瓷和以氧化锆为分散相的复相陶瓷。这些不同种类的氧化锆基陶瓷因为其各异的优良性能在相应的场合有着广泛的应用。而氧化锆基陶瓷的优异性能使得其成为应用面最广的氧化物陶瓷之一。[7，9-10]
6 纳米陶瓷刀具
纳米复合材料陶瓷是以陶瓷为基体把纳米颗粒、纳米晶须及纤维扩散到其中来起到强化的作用，强化后的纳米复合材料它力学性能、蠕变强度、抗弯强度、断裂韧性和耐高温性能都得到了显著的提高。在切削性能方面纳米复合陶瓷刀具的耐磨性和切削速度显著增强。目前使用纳米技术制备的陶瓷刀具有：纳米复合陶瓷刀具材料和纳米涂层陶瓷刀具材料。其中纳米涂层陶瓷刀具的涂层方法可以采用多种材料的不同组合来满足不同的功能和性能的需求[11]。
7 涂层金属陶瓷刀具
涂层金属陶瓷刀具的涂层分为硬涂层和软涂层，目前硬涂层包括TiN、TiC、Ti（CN）、TiALN、CrN等一系列金属氮化物。其中TiN的应用最广泛。硬涂层是提高刀具的硬度和耐磨性。并且在一般情况下可进行多层复合涂层。软涂层主要以MoS为基的涂层。其作用是降低摩擦系数，且软硬涂层还能复合使用。涂层刀具的出现，使刀具的切削性能得到了很大的增强。应用领域不断扩大，特别应用于数控加工领域。目前涂层金属陶瓷刀具发展迅速，在陶瓷涂层的研究中，为了得到较厚的涂层，现在工业的一般做法是按照涂层的组分按一定的比例梯度配比进行涂层，来消除金属和陶瓷因为膨胀系数的不同而产生的应力，这样既能加厚了涂层还能保证涂层与金属的紧密结合以保证使用的可靠和稳定性。目前这类陶瓷也有了成果如山东大学机械工程学院已开发成功了陶瓷一硬质合金复合刀片FH-1和FH-2以及复相梯度陶瓷刀具材料FG-1、FG-2等[7]。
8 有机改性陶瓷
有机改性陶瓷又称为聚合陶瓷或有机改性硅酸盐是由无机盐和聚合物以分子和原子为基础聚合而形成的复合材料，它也是以纳米为基础的。它的特点是：复合尺度达到纳米水平，复合材料之间是以化学键相结合的，所以它的性能比起以往的陶瓷刀具可以说是又进了一个台阶。并且制备有机改性陶瓷的温度适中，最终产物的均匀融合度好，性能优良，已普遍得到人们的重视，不过要想得到更加优良的性能开发其潜在的用途还有待于进一步研究[7]。
9 增韧陶瓷刀具
9.1 相变增韧陶瓷
自Garvie首先研制成功高韧性的氧化锆陶瓷， 并提出相变增韧理论， 经过了这么多年的精心研究，在相变增韧方面也取得了不少成果，如Mg（ Ca或 Y）PSZ， Y （ Ce）TZP，ZTA，TTZ ，ZTM，ZDC等。其中TZP 和 PSZ 陶瓷属于高温结构陶瓷；相变增韧氧化锆系（ TTZ） 陶瓷属于耐磨陶瓷；而氧化锆弥散陶瓷（ ZDC）是现在技术中比较经济适用的增韧方法。其增韧机理是通过控制烧结工艺使其内部微观组织产生增韧相以实现增韧的作用[8]。
9.2 纤维（ 晶须）增强陶瓷
陶瓷基体中含有一定长度的晶须以及类晶须状的不连续弹性增韧相时， 断裂过程中纤维的拔出、桥联使裂纹扩展的耗散能量增加， 从而提高了陶瓷的抗冲击韧性。经研究表明用两种或两种以上的增韧补强机理对陶瓷的协同作用有很大的研究价值，这使人们对多组份陶瓷的组成工艺和结构性能的关系有了研究兴趣。据了解SiCw是最普遍的增韧体。目前研究的材料有：SiC/ZrO2，J、SiC。/A12O3、SiCw/Si3N4等用以增强MoSi2， Al2O3，ZrO2， Si3N4， 以及玻璃及微晶玻璃等[8]。
9.3 颗粒弥散强化陶瓷
颗粒弥散复合陶瓷即用第二相颗粒的加入来使材料在外力作用下产生塑性变形时阻碍位错的滑移或产生蠕变去缓解应力集中，来达到增韧的效果，并且因二相粒子的种类数量、含量多少、分布情况、结晶形状及尺寸大小的不同， 对基体材料的增强韧化程度和机理也不相同。目前研究的颗粒弥散陶瓷材料有SiC 弥散 Al2O3， TiC/Ni 复合材料， Al2O3-TiC 陶瓷， B4C 复合Al2O3基陶瓷， TiB2/Al2O3等[7]。
9.4 协同增韧陶瓷
协同增韧陶瓷是通过多种增韧机制的共同作用所引起的协同效应来设计复相陶瓷。研究结果表明：各种增韧机理之间是可以相互作用的，但是不是每种增韧机理的叠加都会产生协同效果，而且协同增韧的效果也不是几种增韧效果的简单相加。
10 立方氮化硼[12]
立方氮化硼（cBN）是一种人工合成的超硬材料，其硬度仅次于金刚石，具有很高的热稳定性，PcBN刀具在1000℃以下不会出现氧化现象，化学稳定性好，导热性好，摩擦系数低。在现代机械加工行业得到了广泛的应用。由于PcBN加工的对象种类繁多，因此刀具材料的选择尤为重要。根据体系中是否加入结合剂，可以分为有结合剂的PcBN，表面镀覆PcBN和纯PcBN。
（1）有结合剂的PcBN
目前PcBN的结合剂有两种类型。第一种，是由金属及其合金组成的结合剂。这种结合剂对增强PcBN的韧性有良好的作用，缺点是在高温条件下这种结合剂会软化，耐磨性降低。第二种，是陶瓷与金属合金组成的结合剂。这种结合剂解决了高温条件下软化的问题，可是抗冲击性变差了，寿命变了短。目前来看，有结合剂的PcBN正朝着高断裂韧性、高耐磨性方向发展。
（2）表面镀覆PcBN
表面镀覆PcBN是指在PcBN的表面，镀覆陶瓷镀层，如TiN，TiC，Tiw等。实验结果表明，镀层能够提高PcBN刀具的切割性能。
（3）纯PcBN
由于有结合剂的PcBN中存在非cBN的组分，降低了硬度和强度，因此就有了纯PcBN的发展，但是纯的PcBN又有一些新的问题，如韧性不足等。
11 结束语
新型陶瓷刀具材料优势明显，发展空间非常巨大。通过对陶瓷刀具的材料、组分、制备工艺、增强机理、材料设计等方面的研究，可以在保持高硬度、高耐磨性的基础上，提高刀具材料的韧性和抗冲击性能，制备出符合现代切削技术要求的材料。陶瓷刀具的研究和发展是一个比较热门的话题，而陶瓷刀具的不断发展和应用必当给机械加工业带来一场新的变革，随着性能更加优良的陶瓷刀具的不断开发和应用，我国的机械制造业定会掀起一场非凡的***。
【参考文献】
[1]闫石，陈爽，张葆青.陶瓷刀具的应用与发展[J].制造技术与机床，2011，7，53-55.
[2]张慧.新型陶瓷刀具材料及其发展前景[J].机械研究与应用，2006，19，2，1-2，5.
[3]于启勋.现代刀具材料系列讲座（八）新型刀具材料――陶瓷[J].机械工程师，2001，8，67-80.
[4]郭春丽.陶瓷材料在机械工程中的应用[J].陶瓷，2005，12，45-47.
[5]于启勋，朱正芳.刀具材料的历史、进展与展望[J].机械工程学报，2003，39，12，62-66.
[6]孙和.陶瓷刀具研究及应用分析[J].中国科技信息，2012，4：105.
[7]黄传真，孙静，刘大志，刘含莲，邹斌.陶瓷刀具材料的研究现状[J].组合机床与自动化加工技术，2004，10.
[8]徐利华，丁子上，黄勇.高组元陶瓷复合材料的研究与开发[J].硅酸盐通报，1996，6，42.
[9]欧阳胜林.黑色氧化锆陶瓷刀的研制[J].现代技术陶瓷，2008，4：10-12.
[10]余鑫萌，徐宝奎，袁发得.二氧化锆的稳定化及其应用[J].稀有金属快报，2007，26，1：28-32.
金属基复合材料篇10
关键词：复合材料；机械加工；切割
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.09.022
1 引言
复合材料指的是将两种或两种以上的物质经过人工合成过程组成某种具有不同的性能与特征的多相固体材料。在现代工程中，常见的复合材料包括金属复合材料、陶瓷复合材料和树脂复合材料等。由于复合材料普遍具有重量轻、韧性好、耐热性好等优点，因而在航空航天、纺织机械、体育器材、化工设备、建筑工程、船舶重工等重要行业中有着广泛的应用。
在初步成型复合材料之后，大多数情况下要根据实际情况和预计应用目标对其进行进一步的机械加工。在复合材料制品成型前，机械加工是最后一道生产工序，必须得到足够的重视，才能保证复合材料制品的生产质量与工艺合格。常见的复合材料机械加工方法包括常规和非常规两种。根据复合材料的性能的差异，对其机械加工方法进行具体的制定与设计。总的来说，常规方法由于操作简便，有着十分广泛的应用。但是由于其加工精度普遍不高，并且刀具的磨损速度快，不足以加工形状复杂的工件，并且加工过程中会产生大量的粉尘与废料，污染环境的同时，还威胁人体健康。相比之下，非常规方法操作较为复杂，但这种方法能加工形状复杂的工件，且可控性强，对道具的磨损也没那么严重，具有常规方法不可比拟的优势，是复合材料机械加工领域未来发展的主要方向。
2 复合材料的常规机械加工技术
2.1 锯切
对于玻璃纤维增强热固性基体层压板，通常采用手锯或者圆锯进行切割。热塑性树脂基复合材料也是采用手锯或者圆锯切割，但操作时须要加冷却剂。而石墨复合材料就要采用具有硬质合金的刀具切割。碳纤维增强型复合材料一般采用金刚砂刀具切割效果较好。金属基复合材料可以用金刚石线锯切割，但只能沿直线方向进行，且速度较慢。
2.2 铣削、切割、车削和磨削
目前来说，碳纤维增强型复合材料的磨削加工的相关研究还比较少，现有的工作主要集中在对不同的砂轮磨削性能的对比上，磨削技术在碳纤维复合型材料中的应用还有待研究。复合材料层合板可以在标准机床上进行铣削加工。铣削刃一般都非常锋利，常见的有黄铜铣刀、碳化钨铣刀、高速钢铣刀、和金刚石铣刀等。金属基复合材料一般用铣削、切割、车削和磨削均可。
2.3 钻孔和仿形铣
在需要对复合材料进行钻孔和仿型铣时，热固性材料可能会发生收缩，因此，在进行操作时需要注意控制好余量，另外要保证钻头锋利，能够使得工件升温较小，且钻屑快速去除，以免影响加工进行。因为同样的原因，要保证钻头具有特定的螺旋角和退屑槽，并且采用合适的钻速，使得孔较为光滑，具有比较好的加工效果。
2.4 其他常规机械加工方法
部分秃喜牧希如热固性聚合物基层合板也可用其他特殊加工设备（切齿机、自动螺纹切割机、铰孔机、剃齿机、冲孔机和冲床等） 进行加工。另外，这种材料的机械加工还包括剪切、冲切、热割、冲孔、铰孔、抛光、滚光、去毛刺等。其中，冲孔和剪切在标准的金属加工设备上进行，可以加工热的或冷的工件。不过这些方法需要注意工作的温度，必要时可对材料适当加热。
3 复合材料的非常规机械加工技术
3.1 高压水切割和高压水磨砂切割
高压水切割加工技术的原理是高压水在经小孔喷嘴后高速射向材料，将动能转变为对材料的压力，使材料产生应力发生断裂，实现材料的切割。该方法由于加工出来的切口质量好，工件的结构完整性也强于常规的机械切割，而且没有切屑或者粉末飞扬，对环境与人体健康没有危害，展现出了其特有的优势。目前，这种技术已广泛应用在航天和其他很多工业领域中。可用于切割大量非金属基和金属基复合材料。高压水磨砂切割是高压水流中混有磨砂粒子，与高压水切割原理相同，主要用于切割陶瓷材料以及金属基复合材料。
3.2 电子束加工（EBM）和超声波加工（U***）
由高速聚集的高能电子束轰击工件表面，产生局部高热，从而使材料汽化和挥发，完成材料的切割。此过程一般在真空中进行。这种方法属微量切削加工，加工精度很高。金属基复合材料可以用多种能量的电子束进行切割加工。而超声波机械加工适用于对材质硬而脆的材料，例如宝石、陶瓷等材料上开槽和打孔。
3.3 电火花加工（EDM）
如果在被介电材料隔开的工件与电极之间加上电压，电压达到一定程度会击穿电介质，产生电火花，此时，局部温度急剧升高，可达1200℃ ，可以熔融或汽化材料，形成一个材料表面的小火口。该方法适用于金属基复合材料和一些具有良好导电性能的复合材料的加工。但是EDM存在的主要弊端是工具磨损快，增加了加工成本。
3.4 激光束加工
激光加工基于激光相当于强的热源，能使材料局部发生汽化，产生一个极小的高热区，可用于切割各种材料。激光束切割的特点在于实际切缝小、切割速度快、局域能量高，能节省很多原材，并能切割出各种复杂形状。切割复合材料，目前工业上常用的两种激光器是掺钦忆铝石榴石激光器和二氧化碳激光器。
3.5 电化学加工（ECM）
简单的说，电化学加工是用电解质溶解工件上的电化学反应的产物。电解质常用能与工件起化学反应的液体，如NaCl水溶液、NaNO3溶液等。在ECM过程中，工具和工件之间加有一个电场，工具是阴极，工件是阳极。阳极工件所使用的材料随着加压逐渐溶解并转移到阴极，实际相当于电镀的逆过程。由于常规ECM中，电极和工件互相是不接触的，所以加工过程不会对工件造成损伤。
4 结束语
对复合材料的机械加工来说，传统的常规方法工艺上相对来说也较成熟，可是难以加工具有复杂形状的工件。而非常规的特种加工手段，加工的质量高、形状复杂、经济效益高，相比常规机械加工方法具有不可比拟的优点。在机械加工领域，我们要重视加工技术的改进与扩展，并鼓励这方面的开发和研究工作。
参考文献：
转载请注明出处学文网 » 金属基复合材料10篇