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金属基复合材料述评摘要本文探讨了金属基复合材料发展所面临的主要问题。首先讨论常用基体材料和常用增强体。前者限于铝和钛合金,所讨论的增强体包括颗粒、晶须和纤维。然后评述基本的设计原则,着重于设计者面临的关于最佳基体化学性质、界面反应、不同的热膨胀和主要变形机理的效应等方面的选择问题。对于钛基复合材料,除非它们的使用温度范围增加到750℃以上,否则这些材料就不能和高温合金相竞争。然而,目前的合金工艺表明,如果没有足够的涂层保护,还没有一种钛合金能在空气中680℃以上维持下去。然后评述金属基复合材料的固化法,包括最近在欧洲实验室的研究工作。1前言开始于三十年以前的金属基复合材料在世界范围内广泛研究和发展的主要原因在于它的低密度,高弹性模量和大大改善的高温蠕变和疲劳强度,而这些正是民用工业和军事、航空、航天领域应用的关键因素[1～5]。结构复合材料体系如图1所示。功能复合材料发展的科学和工程原则也示于图1中。图中第一行是四种常用的基体,或用颗粒、晶须或陶瓷长纤维增强的连续相。复合材料性能由每一组元随时间保留它自身特性的程度来控制。温度-时间引起的界面反应是金属基复合材料中大多数承载体不能发挥最佳性能的主要原因之一。图1中每种基体材料框图下面指的是目前存在的问题,通过这些问题的解决就能实现性能上特定的最佳增强。本文我们仅评述金属基复合材料,即MMC。可接受的复合材料应表现出低的密度和能与当前工程材料相比的力学性能。成功的复合材料将表现出低的密度和明显的温度优势下具有相当的力学性能。正是这些原因,大部分研究成果在与当前的材料如先进的铝合金、钛合金和高温合金比较时,总是按照密度归一化的性能来表示。金属基复合材料中,目前广泛发展的是SiC、TiC、Al2O3和C颗粒、晶须或纤维增强的铝基和钛基复合材料。典型的颗粒直径小于100􀀁m,添加量达到35vol%。晶须的直径为几个微米,具有几千倍的长径比(l/d)。纤维是连续的,直径为10～100􀀁m,l/d值在10000以上,可添加到45vol%。2基体合金典型的金属基复合材料开发者将从选择工业上可应用的基体合金和增强体开始。近年的研究已表明,最佳的结构合金未必是基体合金的最佳选择。这是因为,已应用的工业铝或钛合金是根据应力、温度和环境条件为特别的应用而发展和优化形成的,而并不是优化作为MMC基体材料的。大量的研究工作已表明,环境效应、界面反应和相的稳定性强烈地影响复合材料的行为,这些因素与各组元物理性能、化学性质、温度和时间密切相关[3,6～8]。表1～3中,我们总结了普通基体合金的物理性能和化学性质。现在,铝基复合材料能从有限的商家买到。钛基复合材料仍在深入研究和发展之中。应该注意的是,对于所有合金,尤其是钛合金,力学性能强烈地依赖于通过复杂的热机械过程而变化的微观结构。复合材料设计者所面临的挑战是,如何在复合材料中发展这些最佳的性能。相反,MMC的研究者也应注意到,已列出的性能数据不适用于复合材料的基体。另一重要性能是热膨胀系数(CTE).由于基体和增强体之间CTE的差别,在热循环过程中界面上可产生应力。在一定情况下,这些应力值能超过界面剪切强度[4,9]。表1普通Al合金基体化学成分钛合金的氧化行为将其使用温度限制在700℃以下。显然,这一限制也适用于钛基复合材料。当选择TiC作为Ti基复合材料的增强纤维时,还存在TiC环境反应问题。在目前的钛基合金材料中,Timet21S显示出最好的抗腐蚀能力[2]。不过,在考虑钛基复合材料能作为高温合金替代材料之前,还应发展800℃以上、且与钛合金相容的结合牢固的涂层。表3常用基体合金的性能3通用增强体陶瓷增强体能以三种形式使用,即颗粒、晶须和纤维。目前多数工业应用的Al基复合材料使用TiC、SiC和Al2O3颗粒。有关用于铝基复合材料的连续C纤维的研究工作,已经有了大量的报导。需要克服的问题是Al和C之间的反应,以及在纤维和基体界面脆性相Al4C3的形成。我们将在下一部分再讨论这一问题。目前选择的Ti基复合材料增强体SiC纤维,可使用的有两种形式:PSCSiC,通过熔喷有机硅化碳树脂,300℃下固化,然后在惰性气体中1300℃下热解而制成。该纤维的商业品名是Hi-Nicalon-S,由日本的Nippon公司生产。该纤维新的...