在過(guò)去的二十幾年中, 金屬基復(fù)合材料逐漸地從軍事國(guó)防向民用領(lǐng)域滲透, 如今已在陸上運(yùn)輸(汽車(chē)和火車(chē))、熱管理、民航、工業(yè)和體育休閑產(chǎn)業(yè)等諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化的應(yīng)用, 形成年產(chǎn)量近5000 t、年產(chǎn)值近20億美元的工業(yè)部門(mén), 這種擴(kuò)張歸功于非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的發(fā)展。

相比于長(zhǎng)纖維連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料, 顆粒、晶須等非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料雖然在性能方面自嘆弗如, 但是卻提供了更好的性?xún)r(jià)比和可加工性能, 而這恰恰是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的前提條件。受商業(yè)利益驅(qū)動(dòng), 許多企業(yè)參與到非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研發(fā)進(jìn)程中, 攻克了一系列具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題, 其中包括基體與增強(qiáng)體之間的相容性問(wèn)題、界面表征與控制問(wèn)題、可調(diào)控增強(qiáng)體空間分布的復(fù)合技術(shù)與二次加工技術(shù)等。這一切幫助確立了金屬基復(fù)合材料作為新材料和新技術(shù)的地位。但是, 金屬基復(fù)合材料的未來(lái)發(fā)展仍然面臨很大的不確定性, 既有可能持續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)規(guī)模, 也有可能在其它材料和技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)下停滯甚至萎縮。

金屬基復(fù)合材料的范疇界定

這是一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)存在爭(zhēng)議的話(huà)題。從復(fù)合材料的定義出發(fā), 凡是包含金屬相在內(nèi)的雙相和多相材料都可歸于金屬基復(fù)合材料, 通常包括定向凝固共晶層片或纖維組織(如Al3Ni-Al, Al-CuAl, Ni-TaC, Ni-W)、雙相金屬間化合物層片組織(如γ-TiAl)、珠光體鋼、高硅鋁合金(Al-Si)等。以上材料習(xí)慣上被看作是金屬合金, 而不是金屬基復(fù)合材料。

然而最近出現(xiàn)并頗受關(guān)注的非晶/初晶復(fù)合組織(如Zr基非晶合金), 有望幫助人們沖破傳統(tǒng)觀念的束縛---通過(guò)控制凝固和固態(tài)相變?cè)诜蔷Щw中原位(in-situ)形成的晶相可以發(fā)揮增韌/增塑的作用, 從而為本征脆性的非晶合金開(kāi)辟了實(shí)用化途徑。總之, 采用復(fù)合的思想發(fā)展金屬材料具有巨大潛力, 值得我們給以足夠的重視, 而合金與復(fù)合材料的爭(zhēng)議本身卻無(wú)關(guān)緊要。本文涉及的仍然是比較狹義的金屬基復(fù)合材料, 其增強(qiáng)體要么是從外部引入到金屬基體當(dāng)中(Ex-situ),要么是在金屬基體內(nèi)部由一至多種始終獨(dú)立存在的反應(yīng)物原位生成(In-situ)。通常, 金屬基復(fù)合材料都是以包括顆粒、晶須、纖維等形態(tài)的陶瓷相作為增強(qiáng)體, 但是作為特例, 也有一些金屬基復(fù)合材料是以金屬相作為增強(qiáng)體, 例如Cu-Mo和Cu-W材料。

MMCs在陸上運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著能源和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻, 世界各國(guó)實(shí)行越來(lái)越嚴(yán)格的燃油效率標(biāo)準(zhǔn)和尾氣排放標(biāo)準(zhǔn), 這迫使各汽車(chē)生產(chǎn)商采用輕質(zhì)的MMCs取代目前的鑄鐵和鋼, 實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的目的。一般認(rèn)為, 汽車(chē)質(zhì)量每降低10%,燃油經(jīng)濟(jì)性就提高5%。而對(duì)于成本極端計(jì)較的汽車(chē)市場(chǎng), 唯一能接受的只有鋁基MMCs。

無(wú)論傳統(tǒng)的燃油汽車(chē), 還是混合動(dòng)力車(chē), MMCs主要被用于那些需要耐熱耐磨的發(fā)動(dòng)機(jī)和剎車(chē)部件(如圖2所示的剎車(chē)件), 如活塞、缸套、剎車(chē)盤(pán)和剎車(chē)鼓等;或者被用于那些需要高強(qiáng)高模量運(yùn)動(dòng)部件, 如驅(qū)動(dòng)軸、連桿等。目前, 在陸上運(yùn)輸領(lǐng)域消耗的MMCs中,驅(qū)動(dòng)軸的用量超過(guò)50%, 汽車(chē)和列車(chē)剎車(chē)件的用量超過(guò)30%。

MMCs驅(qū)動(dòng)軸在大型客車(chē)和卡車(chē)上盡顯優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的鋼或鋁合金驅(qū)動(dòng)軸相比, MMCs驅(qū)動(dòng)軸可承受更高的轉(zhuǎn)速，同時(shí)產(chǎn)生較小的振動(dòng)噪聲。典型的6061 /Al2O3/20p的比模量明顯高于鋼或鋁, 因此大型客車(chē)和卡車(chē)可采用較長(zhǎng)的單根MMCs驅(qū)動(dòng)軸而無(wú)需增大軸徑和重量。 事實(shí)上, 用單根MMCs驅(qū)動(dòng)軸取代傳統(tǒng)的二件式鋼軸總成及所必需的支撐附件, 減重效益高達(dá)9 kg。

剎車(chē)件是MMCs用量增長(zhǎng)最快的部分，年增長(zhǎng)率超過(guò)10%。相對(duì)于鑄鐵和鋼, Al2O3或SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用作剎車(chē)材料的優(yōu)勢(shì)在于高達(dá)50%～60%的減重效益及高耐磨、高導(dǎo)熱等性能特點(diǎn), 可使慣性力、油耗和噪音都得到下降。目前, 美國(guó)汽車(chē)三巨頭克萊斯勒、福特、通用均在新車(chē)型中采用鋁基MMCs剎車(chē)盤(pán)和剎車(chē)鼓, 例如通用在2000年發(fā)布的混合動(dòng)力車(chē)Precept,前后輪均裝配采用Alcan公司鋁基MMCs制造的通風(fēng)式剎車(chē)盤(pán), 該剎車(chē)盤(pán)質(zhì)量不到原來(lái)鑄鐵剎車(chē)盤(pán)的一半, 而熱傳導(dǎo)率卻達(dá)3倍多, 并消除了剎車(chē)盤(pán)和剎車(chē)鼓之間的腐蝕問(wèn)題。

世界范圍內(nèi), 建設(shè)了許多高速鐵路和列車(chē)。其中德國(guó)ICE(InterCityExpress)列車(chē)尤其以第一次應(yīng)用MMCs剎車(chē)盤(pán)而著稱(chēng)。ICE列車(chē)的剎車(chē)系統(tǒng)原來(lái)采用的是4個(gè)鑄鐵剎車(chē)盤(pán), 每個(gè)質(zhì)量達(dá)126 kg。替換為AlSi7Mg/SiCp顆粒增強(qiáng)鋁基MMCs剎車(chē)盤(pán)后, 每個(gè)質(zhì)量?jī)H為76 kg,帶來(lái)重大的減重效益。

MMCs在電子/熱控領(lǐng)域的應(yīng)用

如果以產(chǎn)值排序, 高產(chǎn)品附加值的電子/熱控領(lǐng)域是第一大MMCs市場(chǎng), 產(chǎn)值比例超過(guò)60%。目前, Cu-W和Cu-Mo等第一代熱管理材料仍然占據(jù)著市場(chǎng)主導(dǎo)地位。但是, 微波電子、微電子、光電子和功率半導(dǎo)體器件的微型化及多功能化對(duì)熱管理特性提出了更高要求, 需要低密度、高導(dǎo)熱、與半導(dǎo)體及芯片材料膨脹匹配, 能夠達(dá)到最優(yōu)功率密度的新型基板和熱沉材料。

以鋁碳化硅(AlSiC)MMCs為代表的第二代熱管理材料,密度僅為Cu-W和Cu-Mo的1/5, 可提供高熱導(dǎo)率(180～200 W/mK)及可調(diào)的低熱膨脹系數(shù)(CTE), 為電子封裝提供了高度可靠且成本經(jīng)濟(jì)的熱管理解決方案。因此, AlSiC雖然進(jìn)入市場(chǎng)不久, 但用量比例已經(jīng)突破10%, 并仍將保持超過(guò)10%的年增長(zhǎng)率。AlSiC主要用作微處理器蓋板/熱沉、倒裝焊蓋板、微波及光電器件外殼/基座、高功率襯底、IGBT基板、柱狀散熱鰭片等。其中, 無(wú)線(xiàn)通訊與雷達(dá)系統(tǒng)中的射頻與微波器件封裝構(gòu)成AlSiC目前最大的應(yīng)用領(lǐng)域, 其第二大應(yīng)用領(lǐng)域則是高端微處理器的各種熱管理組件, 包括功率放大器熱沉、集成電路熱沉、印刷電路板芯板和冷卻板、芯片載體、散熱器、整流器封裝等(如圖3所示)。

AlSiC采用溶滲工藝制造, 因?yàn)樘蓟桀w粒預(yù)制塊和溶滲鑄模都可針對(duì)最終產(chǎn)品形狀而設(shè)計(jì), 因此可以實(shí)現(xiàn)低成本的凈成形(net-shape)或近凈成形制造, 所得產(chǎn)品不需要進(jìn)一步加工, 或只需要很少的加工。并且近凈成形工藝可方便地增加功能選項(xiàng), 從而滿(mǎn)足定制設(shè)計(jì)要求, 例如微波封裝組件可將好的氣密性和熱管理特性集于一身。

MMCs在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

MMCs最初發(fā)展的原動(dòng)力來(lái)自于航空工業(yè)領(lǐng)域。目前已用于軍機(jī)和民機(jī)的MMCs主要是鋁基和鈦基復(fù)合材料。DWA公司最早發(fā)展了粉末冶金制備MMCs的技術(shù)路線(xiàn)并保持領(lǐng)先地位至今。DWA量產(chǎn)的第一個(gè)產(chǎn)品是洛克希德公司的機(jī)載電氣設(shè)備支架, 該擠壓態(tài)復(fù)合材料由6061/SiC/25p, 替代原有的7075 T6態(tài)鋁合金擠壓件, 減重達(dá)17%。總計(jì)有超過(guò)3000m的該種復(fù)合材料型材在各種洛克希德飛機(jī)上服役。DWA公司鋁基MMCs的后續(xù)應(yīng)用案例包括F-16戰(zhàn)隼輕型戰(zhàn)斗機(jī)的腹鰭和加油口蓋板, Boeing777客機(jī)Pratt＆ Whitney4084、4090和4098發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇導(dǎo)向葉片, AC-130武裝直升機(jī)的武器掛架, V-22魚(yú)鷹式傾斜旋翼直升機(jī)和F/A-18E/F超級(jí)大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī)的液壓系統(tǒng)分路閥箱。此外, SiC鋁基MMCs在航天領(lǐng)域也已經(jīng)過(guò)實(shí)用驗(yàn)證, 例如波導(dǎo)天線(xiàn)、支撐框架及配件、熱沉等。以上應(yīng)用不但克服了原有材料的重大缺陷, 同時(shí)也帶來(lái)明顯的減重效益。

1998年, 鈦基復(fù)合材料進(jìn)入航空市場(chǎng), 當(dāng)時(shí)大西洋研究公司(AtlanticResearchCorporation)的鈦基MMCs接力器活塞出現(xiàn)在Pratt＆ WhitneyF119燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的材料采購(gòu)單上。F119發(fā)動(dòng)機(jī)為洛克希德/波音聯(lián)合研制的F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)提供動(dòng)力。

MMCs在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

MMCs的其它應(yīng)用涵蓋制造業(yè)、體育休閑及基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域, 既包括硬質(zhì)合金、電鍍及燒結(jié)金剛石工具、Cu基及Ag基電觸頭材料等成熟市場(chǎng), 也包括TiC增強(qiáng)鐵基耐磨材料、Saffil纖維增強(qiáng)鋁基輸電線(xiàn)纜、B4C增強(qiáng)鋁基中子吸收材料等新興市場(chǎng)。這些新興市場(chǎng)的表現(xiàn)在很大程度上決定著MMCs的未來(lái)增長(zhǎng)點(diǎn)。鐵基復(fù)合材料的制備和應(yīng)用是提高鋼鐵材料性能的重要研究方向。低密度、高剛度和高強(qiáng)度的增強(qiáng)體顆粒加入到鋼鐵基體中, 在降低材料密度的同時(shí), 提高了它的彈性模量、硬度、耐磨性和高溫性能, 可應(yīng)用于切削、軋制、噴丸、沖壓、穿孔、拉拔、模壓成型等工業(yè)領(lǐng)域。目前應(yīng)用最多的是TiC顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料，例如注冊(cè)商標(biāo)為Ferro-TiC,Alloy-TiC和Ferro-Titanit的鋼基硬質(zhì)合金, 用作抗磨材料和高溫結(jié)構(gòu)材料, 性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的工具鋼(如圖4所示的材料)。

為支撐傳統(tǒng)的高架輸電用鋼芯鋁絞線(xiàn)的質(zhì)量, 需要造昂貴的輸電塔, 這促使人們開(kāi)發(fā)高強(qiáng)、低密度導(dǎo)線(xiàn)。據(jù)報(bào)道, 3M公司開(kāi)發(fā)的氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基MMCs(Al/Saffil)導(dǎo)線(xiàn), 用于取代現(xiàn)有鋁絞線(xiàn)的鋼芯, 經(jīng)測(cè)試比強(qiáng)度提高2～3倍, 電導(dǎo)提高4倍, 熱膨脹降低一半,腐蝕性也降低。雖然新型MMCs導(dǎo)線(xiàn)的價(jià)格較貴, 但是可以降低建造支撐塔成本的15%～20%, 并且可以提高輸電能力并降低電耗(如圖5)。

核能是世界各國(guó)應(yīng)對(duì)能源和環(huán)境壓力的必然選擇。為確保安全, 貯存及運(yùn)輸高放射性廢核燃料的容器在核防護(hù)的同時(shí)還必須具有耐久可靠的機(jī)械性能。B4Cp/Al是一種新型MMCs, 具有優(yōu)異的中子吸收性能, 是唯一可用于廢核燃料貯存和運(yùn)輸?shù)慕饘倩鶑?fù)合材料(如圖6)。目前, 已有BorTecTM , metaMICTM和Talbor等多種B4Cp/Al材料獲得美國(guó)核能管理委員會(huì)(NRC)核準(zhǔn), 可以用于制造核廢料貯存桶的中子吸收內(nèi)膽、廢燃料棒貯存水池的隔板等。

實(shí)際上, MMCs應(yīng)用廣度、生產(chǎn)發(fā)展的速度和規(guī)模, 已成為衡量一個(gè)國(guó)家材料科技水平的重要標(biāo)志之一。以用量計(jì)算, 美國(guó)、歐洲、日本是位列前三的MMCs消費(fèi)大國(guó), 超過(guò)總質(zhì)量2/3 的MMCs為其所用,這與它們作為發(fā)達(dá)國(guó)家的地位相符。

我國(guó)尚未形成金屬基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與軍用標(biāo)準(zhǔn)。目前僅少數(shù)研制單位具有小批量的配套能力,雖然品種、規(guī)格單一, 但仍然為國(guó)防和軍工建設(shè)提供有力的支撐。輕質(zhì)高強(qiáng)多功能金屬基復(fù)合材料在航天、航空、國(guó)防先進(jìn)武器等軍事領(lǐng)域的應(yīng)用具有不可替代性,是典型的軍民兩用新材料。也正是由于金屬基復(fù)合材料特殊的國(guó)防應(yīng)用背景, 國(guó)外對(duì)核心技術(shù)和產(chǎn)品嚴(yán)格保密。隨著我國(guó)在空間技術(shù)、航天航空、高速交通、通訊電子等領(lǐng)域的綜合實(shí)力的提升, 對(duì)高性能金屬基復(fù)合材料的需求日益增加, 例如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、高速列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)、電子封裝及核廢燃料輻射防護(hù)等。近年來(lái),覷覦中國(guó)的MMCs巨大的市場(chǎng)空間, 西方一些MMCs公司在中國(guó)建立了若干合資或獨(dú)資企業(yè), 但是并沒(méi)有、也不可能轉(zhuǎn)移相關(guān)技術(shù)。為了避免受制于人, 必須盡快提升我國(guó)自主的MMCs生產(chǎn)和應(yīng)用水平。

當(dāng)代MMCs的結(jié)構(gòu)和功能都相對(duì)簡(jiǎn)單, 而高科技發(fā)展日益要求MMCs能夠滿(mǎn)足高性能化和多功能化的挑戰(zhàn), 因此新一代MMCs必然朝著“結(jié)構(gòu)復(fù)雜化”的方向發(fā)展。 

金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

金屬基復(fù)合材料的性能不僅取決于基體和增強(qiáng)體的種類(lèi)和配比, 更取決于增強(qiáng)體在基體中的空間配置模式(形狀、尺寸、連接形式和對(duì)稱(chēng)性)。傳統(tǒng)上增強(qiáng)體均勻分布的復(fù)合結(jié)構(gòu)只是最簡(jiǎn)單的空間配置模式, 而近年來(lái)理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明, 在中間或介觀尺度上人為調(diào)控的有序非均勻分布更有利于發(fā)揮設(shè)計(jì)自由度, 從而進(jìn)一步發(fā)掘MMCs的性能潛力、實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的最優(yōu)化配置, 是MMCs研究發(fā)展的重要方向。

多元/多尺度MMCs

多元復(fù)合強(qiáng)化(混雜增強(qiáng))的研究理念逐漸引起研究者的更大興趣。通過(guò)引入不同種類(lèi)(例如TiB和TiC混雜增強(qiáng)鈦基MMCs)、不同形態(tài)(例如晶須和顆粒混雜增強(qiáng)鎂基基MMCs)、不同尺度(雙峰SiC顆粒增強(qiáng)鋁基MMCs)的增強(qiáng)相, 利用多元增強(qiáng)體本身物性參數(shù)不同, 通過(guò)相與相、以及相界面與界面之間的耦合作用呈現(xiàn)出比單一增強(qiáng)相復(fù)合條件下更好的優(yōu)越性能。 

微結(jié)構(gòu)韌化MMCs

隨增強(qiáng)體含量些微增大, MMCs的強(qiáng)度和韌性/塑性存在著相互倒置關(guān)系, 即強(qiáng)度的提高伴隨韌性/塑性的降低。通過(guò)將非連續(xù)增強(qiáng)MMCs分化區(qū)隔為增強(qiáng)體顆粒富集區(qū)(脆性)和一定數(shù)量、一定尺寸、不含增強(qiáng)體基體區(qū)(韌性), 這些純基體區(qū)域作為韌化相將會(huì)具有阻止裂紋擴(kuò)展、吸收能量的作用, 從而使MMCs的損傷容限得到提高。與傳統(tǒng)的均勻分散的MMCs相比, 這種新型的復(fù)合材料具有更好的塑性和韌性。 

層狀MMCs

層狀金屬基復(fù)合材料在現(xiàn)代航空工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛, 如用作飛機(jī)蒙皮的GLARE層板是由玻纖增強(qiáng)樹(shù)脂層與鋁箔構(gòu)成的層狀鋁基復(fù)合材料, 在A380上的用量達(dá)機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的3%以上。在微米尺度上, 受自然界生物疊層結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)、韌最佳配合的啟發(fā), 韌脆交替的微疊層MMCs研究越來(lái)越引起關(guān)注, 主要包括金屬/金屬、金屬/陶瓷、金屬/MMCs微疊層材料, 主要目的是通過(guò)微疊層來(lái)補(bǔ)償單層材料內(nèi)在性能的不足, 以滿(mǎn)足各種各樣的特殊應(yīng)用需求, 如耐高溫材料、硬度材料、熱障涂層材料等。

泡沫MMCs

多孔金屬泡沫是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種結(jié)構(gòu)功能材料, 作為結(jié)構(gòu)材料, 它具有輕質(zhì)和高比強(qiáng)度的特點(diǎn);作為功能材料, 它具有多孔、減振、阻尼、吸音、散熱、吸收沖擊能、電磁屏蔽等多種物理性能, 由于其滿(mǎn)足了結(jié)構(gòu)材料輕質(zhì)多功能化及眾多高技術(shù)的需求, 已經(jīng)成為交通、建筑及航空航天等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前研究較多的是泡沫鋁基復(fù)合材料, 大致可分為兩個(gè)范疇:一是泡沫本身是含有增強(qiáng)體的鋁基復(fù)合材料, 二是泡沫雖然由純鋁基體構(gòu)成, 但在其孔洞中引入粘彈性體、吸波涂料等功能組分。 

雙連續(xù)/互穿網(wǎng)絡(luò)MMCs

為了更有效地發(fā)揮陶瓷增強(qiáng)體的高剛度、低膨脹等的特性, 除了提高金屬基復(fù)合材料中的陶瓷增強(qiáng)體含量外, 另一種有效的作法是使陶瓷增強(qiáng)體在基體合金中成為連續(xù)的三維骨架結(jié)構(gòu), 從而以雙連續(xù)的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到這一目的。 

結(jié)構(gòu)功能一體化

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 對(duì)金屬材料的使用要求不再局限于機(jī)械性能, 而是要求在多場(chǎng)合服役條件下具有結(jié)構(gòu)功能一體化和多功能響應(yīng)的特性。在金屬基體中引入的顆粒、晶須、纖維等異質(zhì)材料, 既可以作為增強(qiáng)體提高金屬材料的機(jī)械性能, 也可以作為功能體賦予金屬材料本身不具備的物理和功能特性。 

高效熱管理MMCs

隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展, 微處理器及半導(dǎo)體器件的最高功率密度已經(jīng)逼近1000W/cm2 , 在應(yīng)用中常常因?yàn)檫^(guò)熱而無(wú)法正常工作。散熱問(wèn)題已成為電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。新一代電子封裝材料的研發(fā)主要以高熱導(dǎo)率的碳納米管、金剛石、高定向熱解石墨作增強(qiáng)相。其中, 金剛石可以人工合成且不存在各向異性, 將金剛石與Cu, Al等高導(dǎo)熱金屬?gòu)?fù)合可以克服各自的不足, 可望獲得高導(dǎo)熱、低膨脹、低密度的理想電子封裝材料。

低膨脹MMCs

低熱膨脹MMCs具有優(yōu)異的抗熱沖擊性能, 在變溫場(chǎng)合使用時(shí)能夠保持尺寸穩(wěn)定性, 因此在航天結(jié)構(gòu)件、測(cè)量?jī)x表、光學(xué)器件、衛(wèi)星天線(xiàn)等工程領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。據(jù)研究報(bào)道, 在金屬基體中添加具有較低熱膨脹系數(shù)、甚至負(fù)熱膨脹系數(shù)的增強(qiáng)體作為調(diào)節(jié)MMCs熱膨脹系數(shù)的功能組元, 例如β -鋰霞石(Li2O·Al2O3·2SiO2 )、鎢酸鋯(ZrW2O8 )、準(zhǔn)晶(Al65Cu20Cr15)等,可以有效地降低復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。相信隨著研究的逐漸深入和完善, 這種近零膨脹的金屬基復(fù)合材料很快將成功應(yīng)用于實(shí)踐。 

高阻尼MMCs

在實(shí)際應(yīng)用中, 不但要求高阻尼材料具有優(yōu)異的減振與降噪性能, 而且要求輕質(zhì)、高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性能。然而, 二者在金屬及其合金中通常是不兼容的。因此MMCs成為發(fā)展高阻尼材料的重要途徑, 即通過(guò)引入具有高阻尼性能的增強(qiáng)體, 使增強(qiáng)體和金屬基體分別承擔(dān)提供阻尼與強(qiáng)度的任務(wù)。目前關(guān)注較多的高阻尼增強(qiáng)體包括粉煤灰空心微球(flyash)、形狀記憶合金(TiNi,Cu-Al-Ni)、鐵磁性合金、壓電陶瓷(PbTiO)、高阻尼多元氧化物(Li5La3Ta2O12 )、碳納米管等。

碳納米管增強(qiáng)金屬基納米復(fù)合材料

在金屬基體中引入均勻彌散納米級(jí)增強(qiáng)體粒子, 所得MMCs往往可以呈現(xiàn)出更為理想的力學(xué)性能以及導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化等性能。目前, 金屬基納米復(fù)合材料的研究重點(diǎn)主要集中在納米結(jié)構(gòu)材料和納米涂層。碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性能, 是制備MMCs的最為理想的增強(qiáng)體之一,特別是隨著碳納米管的宏量制備及其價(jià)格的一路降低,碳納米管增強(qiáng)MMCs日漸成為研究的焦點(diǎn),Al,Cu,Mg,Ti,Fe等基體雖都有涉及, 但是關(guān)于Al基和Cu基的研究相對(duì)集中。然而, 一則由于碳納米管很難均勻分散, 二則由于碳納米管很難與金屬基體形成有效的界面結(jié)合, 所以所制備的MMCs的性能提高并不是很大, 遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到理想值,特別是在力學(xué)性能方面。

經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展, MMCs已經(jīng)成功地從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng), 并在諸多應(yīng)用領(lǐng)域站穩(wěn)了腳跟, 這受益于廣泛而深入的基礎(chǔ)研究工作, 為低成本、高效率生產(chǎn)MMCs提供有力的技術(shù)支撐 。今后的研發(fā)工作主要應(yīng)著眼于兩個(gè)方面, 即在進(jìn)一步完善已有MMCs材料和技術(shù)的同時(shí), 尋求新一代MMCs設(shè)計(jì)與制備的突破口, 從而為MMCs的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。目前MMCs研發(fā)工作呈現(xiàn)3個(gè)趨勢(shì)：①?gòu)?fù)合構(gòu)型設(shè)計(jì)將受到更多重視, 重點(diǎn)是通過(guò)調(diào)控增強(qiáng)體的空間分布實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化;②結(jié)構(gòu)功能一體化、多功能化將成為未來(lái)MMCs高性能化的必然途徑;③盡管備受爭(zhēng)議, 以碳納米管為代表的金屬基納米復(fù)合材料終將登上歷史的舞臺(tái)。