非连续增强金属基复合材料

出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第701页（1722字）

非连续增强金属基复合材料既保持了连续纤维增强金属基复合材料的优良性能，又具有价格低廉、生产工艺和设备简单、各向同性等优点，而且可采用传统的金属二次加工技术和热处理强化技术进行加工。因此在民用工业中比纤维增强金属基复合材料具有更大的竞争力。因此，目前这种材料发展迅速，应用较为广泛。

非连续增强金属基复合材料包括晶须增强金属基复合材料、颗粒增强金属基复合材料、短纤维增强金属基复合材料等几种。其增强相包括单质元素(如石墨、硼、硅等)、氧化物(如Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、ZrO₂等)、碳化物(SiC、B₄C、TiC、VC、ZrC等)、氮化物(Si₃N₄、BN、AIN等)的颗粒、晶须及短纤维(分别以下标p、w、sf表示)。常用的增强颗粒及晶须的性能见表2－10－4。

表2－10－4 常用增强颗粒及晶须的性能

非连续增强金属基复合材料的基体金属包括Al、Mg、Ti等轻金属，Cu、Zn、Ni、Fe等重金属及金属间化合物，用得最多的是轻金属(主要是Al)，这是因为轻金属基复合材料的性能更能体现复合材料的高比强度、高比模量的性能特点。

非连续增强金属基复合材料的制备方法有：粉末冶金法、铸造法(又分为半固态铸造法、浸渗铸造法、液态搅拌铸造法)及喷射雾化共沉积法等。

粉末冶金法的工艺流程是：

(1)将增强相颗粒与金属粉末混合均匀后封装除气。

(2)利用热等静压或真空热压制造成锭坯。

(3)对锭坯进行机械热加工。

该方法的特点是可任意改变增强相与基体的配比，所得到的复合材料非常致密，增强相分布均匀，力学性能好。但是合金粉末较贵，制造成本高，因此不适合大批量生产。此外，这种方法生产的复合材料的含氢量大，焊接时易产生大量的气孔。

喷射雾化共沉积法的工艺流程是：液态金属在高压气体(通常为N₂)作用下从坩埚底部喷出并雾化，形成熔融的金属喷射流，同时将增强颗粒从另一喷嘴中喷入金属流中，使两相混合均匀并共同沉积在经预处理的基板上，最终凝固得到所需要的复合材料。这种方法的工艺及设备也较简单、而且生产率较高，适合于大批量生产。

铸造法是一种应用最广的方法，特别是美国Duralcan开发的一种新型液态搅拌法一Dural法，该方法是在真空或惰性气氛保护下将增强相颗粒加入到被高速搅拌的基体金属溶液中，使增强相与金属溶液直接接触，实现颗粒在金属溶液中的均匀分布，然后进行浇铸。Dural法的特点是所制备的复合材料具有良好的重熔性，并能通过二次加工及热处理进行进一步强化。其焊接性也比其他方法制备的复合材料好。

非纤维增强金属基复合材料中发展最早、研究最多和应用最广的是Al基复合材料，如SiC_p／Al(SiC颗粒增强铝)、SiC_w／Al(SiC晶须增强铝)、Al₂O_3sf／Al(Al₂O₃短纤维增强Al)、Al₂O_3p／Al(Al₂O₃颗粒增强Al)、B₄C_p／Al(B₄C颗粒增强铝)。短纤维增强的复合材料及晶须增强的复合材料的二次加工性能介于颗粒增强金属基复合材料和连续纤维增强金属基复合材料之间。晶须在操作时对健康有潜在的危险，因此，目前发展的重点为颗粒增强的复合材料。表2－10－5给出了几种非连续增强金属基复合材料的性能。

表2－10－5 典型非连续增强金属基复合材料的性能(Dural法制造，T6状态)^［3］