晶須增強金屬基複合材料

以金屬或合金為基體，以各種晶須增強的複合材料。這種複合材料的製備方法大體上可分為粉末冶金法和壓鑄法。按晶須的來源不同，又可分為外加晶須增強和內生長晶須增強兩種。這類複合材料具有高的強度和模量，橫向力學性能高，綜合力學性能好，具有良好的高溫性能，還具有導電、導熱、耐磨損、熱膨脹係數小、尺寸穩定性好、阻尼性好等特點。主要套用對象是航天、航空等領域。

基本介紹

• 中文名：晶須增強金屬基複合材料
• 外文名：whisker reinforced metal matrix composite
• 特點：尺寸穩定性和阻尼性好
• 基體：金屬或合金
• 使用的晶須：TiB2、TiC、ZnO等
• 套用：航天、航空

複合機理

1.晶須/基體結合和防止微裂條件

晶須/基體界面結合好時，必須符合基體膨脹係數α_m>α_w晶須膨脹係數；在獲得緻密的溫度範圍內界面無化學反應的生成物，晶須直徑R≤R_c臨界直徑，基體中發生的張應力過大，界面一側產生微裂紋。

2.微觀組織結構

基體合金的晶粒尺寸通常較小，晶須與基體膨脹係數差大，冷卻收縮變形不同，晶須周圍的基體中產生密度很高的位錯，細晶與位錯起複合增強作用，液態金屬在晶須表面結晶，使晶須與基體金屬之間形成了一定晶體位向關係，導致界面以原子匹配方式結合。

材料的製備

晶須增強金屬基複合材料也是目前套用、開發前景最大的一種金屬基複合材料。這類複合材料的金屬基大多數也同樣採用密度較低的鋁、鎂和鈦合金，以便提高複合材料的比強度和比模量，其中較為成熟、套用較多的是鋁基複合材料。這類複合材料所採用的增強材料為碳化矽、碳化硼、氧化鋁晶須，其中以SiC為主。晶須增強金屬基複合材料除了用於軍事工業，如製造輕質裝甲、飛彈飛翼和直升機部件外，主要用於汽車工業，如發動機汽缸活塞、噴油嘴部件、制動裝置等，晶須增強金屬基複合材料的製備工藝與顆粒增強材料一樣基本上也是採用粉末冶金法。鑄造法，半固態液相法等製備方法，也可以進行擠壓，鍛軋二次成型加工。

室溫性能

晶須增強金屬基複合材料具有高的比強度和比剛度。以SiC_w/Al複合材料為例，SiC晶須的密度為3.2g/cm³，因此對晶須體積分數為15%~25%的SiC/Al複合材料來說，其密度為2.8g/cm³左右。 但是SiC_w具有比基體合金高很多的強度和剛度，所以SiC_w/Al複合材料的比強度和比剛度很高。通過測量晶須增強金屬基複合材料的室溫拉伸性能，可以看出晶須增強金屬基複合材料的彈性模量，屈服強度和抗拉強度與基體合金相比均有很大提高，但斷裂延伸率明顯下降。從不同晶須體積分數的SiC/Al和SiC_w/ Al複合材料的拉伸性能可見，隨晶須含量的增加，晶須的增強效果顯著，這表現在複合材料的彈性模量屈服強度和抗拉強度均提高；但晶須對金屬基體的變形阻力增大，這表現在複合材料的斷裂延伸率下降。由於晶須比金屬具有更高的耐高溫性能，因此晶須增強金屬基複合材料具有很好的耐高溫性能。

套用

晶須增強金屬基複合材料還具有很好的耐磨性。SiC/Al 複合材料的耐磨性就高於銅-鉛合金以及銅-鉛-稀土合金。這是由於在基體合金中加入了硬的第二相質點，其磨損機制是滑動初期複合材料表面處於不利位向晶須的剝落和隨後的氧化和磨料磨損。

晶須增強金屬基複合材料最突出的優點是(和顆粒增強一樣)可 以進行二次加工，一般採用熱擠壓、熱軋制和熱旋壓等手段。二次加工可以消除複合材料中的孔洞，提高晶須分布的均勻性，因此可以在提高強度的同時明顯地改善複合材料的塑性。晶須增強金屬基複合材料的二次加工和套用研究，在美國和日本開展較早，發展較成熟，已可將它和金屬材料一樣 進行各種成型加工，並在很多方面得到套用。在航天航空方面用於飛機支架、殼體和加強筋等，直升飛機的構架、擋板和推桿等;在汽車方面用於汽車中的推桿、框架、彈簧和括塞桿、活塞環等；在體育器械方面用作網球拍滑雪板、滑雪台架、釣竿、高爾夫球桿、腳踏車和機車車架等；在紡織業中可用來製造梭子。晶須增強金屬基複合材料以其優異的機械性能和物理性能，正在越來越廣泛的領域得到套用和發揮作用。