[科普中国]-晶须增强金属基复合材料

以金属或合金为基体，以各种晶须增强的复合材料。这种复合材料的制备方法大体上可分为粉末冶金法和压铸法。按晶须的来源不同，又可分为外加晶须增强和内生长晶须增强两种。这类复合材料具有高的强度和模量，横向力学性能高，综合力学性能好，具有良好的高温性能，还具有导电、导热、耐磨损、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、阻尼性好等特点。主要应用对象是航天、航空等领域。

复合机理1.晶须/基体结合和防止微裂条件

晶须/基体界面结合好时，必须符合基体膨胀系数αm>αw晶须膨胀系数；在获得致密的温度范围内界面无化学反应的生成物，晶须直径R≤Rc临界直径，基体中发生的张应力过大，界面一侧产生微裂纹。

2.微观组织结构

基体合金的晶粒尺寸通常较小，晶须与基体膨胀系数差大，冷却收缩变形不同，晶须周围的基体中产生密度很高的位错，细晶与位错起复合增强作用，液态金属在晶须表面结晶，使晶须与基体金属之间形成了一定晶体位向关系，导致界面以原子匹配方式结合。1

材料的制备晶须增强金属基复合材料也是目前应用、开发前景最大的一种金属基复合材料。这类复合材料的金属基大多数也同样采用密度较低的铝、镁和钛合金，以便提高复合材料的比强度和比模量，其中较为成熟、应用较多的是铝基复合材料。这类复合材料所采用的增强材料为碳化硅、碳化硼、氧化铝晶须，其中以SiC为主。品须增强金属基复合材料除了用于军事工业，如制造轻质装甲、导弹飞翼和直升机部件外，主要用于汽车工业，如发动机汽缸活塞、喷油嘴部件、制动装置等，晶须增强金属基复合材料的制备工艺与颗粒增强材料一样基本上也是采用粉末冶金法。铸造法，半固态液相法等制备方法，也可以进行挤压，锻轧二次成型加工。2

室温性能晶须增强金属基复合材料具有高的比强度和比刚度。以SiCw/Al复合材料为例，SiC晶须的密度为3.2g/cm3，因此对晶须体积分数为15%~25%的SiC/Al复合材料来说，其密度为2.8g/cm3左右。 但是SiCw具有比基体合金高很多的强度和刚度，所以SiCw/Al复合材料的比强度和比刚度很高。通过测量晶须增强金属基复合材料的室温拉伸性能，可以看出晶须增强金属基复合材料的弹性模量，屈服强度和抗拉强度与基体合金相比均有很大提高，但断裂延伸率明显下降。从不同晶须体积分数的SiC/Al和SiCw/ Al复合材料的拉伸性能可见，随晶须含量的增加，晶须的增强效果显著，这表现在复合材料的弹性模量屈服强度和抗拉强度均提高；但晶须对金属基体的变形阻力增大，这表现在复合材料的断裂延伸率下降。由于晶须比金属具有更高的耐高温性能，因此晶须增强金属基复合材料具有很好的耐高温性能。2

应用晶须增强金属基复合材料还具有很好的耐磨性。SiC/Al 复合材料的耐磨性就高于铜-铅合金以及铜-铅-稀土合金。这是由于在基体合金中加入了硬的第二相质点，其磨损机制是滑动初期复合材料表面处于不利位向晶须的剥落和随后的氧化和磨料磨损。

晶须增强金属基复合材料最突出的优点是(和颗粒增强一样)可 以进行二次加工，一般采用热挤压、热轧制和热旋压等手段。二次加工可以消除复合材料中的孔洞，提高晶须分布的均匀性，因此可以在提高强度的同时明显地改善复合材料的塑性。晶须增强金属基复合材料的二次加工和应用研究，在美国和日本开展较早，发展较成熟，已可将它和金属材料一样 进行各种成型加工，并在很多方面得到应用。在航天航空方面用于飞机支架、壳体和加强筋等，直升飞机的构架、挡板和推杆等;在汽车方面用于汽车中的推杆、框架、弹簧和括塞杆、活塞环等；在体育器械方面用作网球拍滑雪板、滑雪台架、钓竿、高尔夫球杆、自行车和摩托车车架等；在纺织业中可用来制造梭子。晶须增强金属基复合材料以其优异的机械性能和物理性能，正在越来越广泛的领域得到应用和发挥作用。2

本词条内容贡献者为:

杨晓红 - 副教授 - 西南大学