金属基复合材料制备技术的进展

引言

本文以金属基复合材料制备技术为研究核心，选题范围涵盖主要制备技术及进展、面临的问题和发展趋势。现有研究多针对单一制备技术展开，对各技术进展的系统梳理、问题的综合分析及趋势的全面展望有所欠缺。

一、金属基复合材料主要制备技术及进展

1.1 粉末冶金法

金属基复合材料的粉末冶金法历史悠久，基本过程包括粉末的混合、整形和热处理3 个步骤。粉末混合、整形和烧结，将金属粉末和增强相粉体按照一定的比例混合均匀后，在一定的压力下压制成为坯体，进行高温处理粉末烧结为坯体材料。粉末冶金法近十几年的发展主要是混合方法和热处理方法的改进。在混合工艺中，高能球磨使粉末混合更加均匀，通过球磨使增强相颗粒更均匀地分散在金属基体粉体中，减少团聚效应；热处理过程中使用微波烧结降低了烧结时间，节约了电能，与传统烧结相比避免了烧结时出现的过度反应，可减小界面反应，有利于保持增强相的完整性，使复合材料的性能更加稳定。

1.2 铸造法

铸造法由于操作简单、成本低等，在金属基复合材料的大规模生产中得到了广泛的应用，主要有搅拌铸造法、挤压铸造法、半固态铸造法等。搅拌铸造法是把增强相颗粒加入熔化的金属基体并由搅拌机进行机械搅拌，将增强相颗粒搅拌均匀后进行浇注成形；挤压铸造法是将金属的熔体置于具有增强相的模具型腔内，在一定的压力作用下压铸成型，并通过一定的方法促进界面的结合。半固态铸造法是利用熔体的半固态可剪切性质，将金属与增强体分散混合进行成形。近几年，铸造法主要在增强体的均匀分散和界面反应控制方面进行了研究。

1.3 原位合成法

原位合成是使增强相在金属基体内部原位发生反应，不采用外加增强相的方法，避免了因采用外加增强相所带来的界面相容性问题，是制备高性能金属基复合材料的又一种重要方法。其原理由金属基体及添加的反应剂在较高的温度下，原位反应形成一种热力学较稳定的增强相颗粒、晶须或纤维，增强相与基体之间具有良好界面结合及热力学相容性。近年来，原位合成法的研究进展主要体现在反应体系设计和工艺控制上。

1.4 其他制备技术

除了以上 3 种主要的制备技术，在金属基复合材料制备过程中，还出现了如喷射沉积法、电沉积法、3D 打印技术等的金属基复合材料制备技术。其中喷射沉积法是将金属熔体通过雾化变为液滴，然后与增强相颗粒混合后沉积于基板上获得复合材料坯体的制备方法。因为喷射沉积制备时冷却速度较快，可以抑制晶粒长大及界面反应，可以制备高体积分数增强相的复合材料。电沉积法是利用电解的方法，同时在金属基体上进行沉积金属和引入增强相颗粒，可制备具有某些特殊功能的复合材料的涂层。近年来在功能性复合材料的制备方面应用较多，并且可以控制制备涂层中增强相的含量及分布。

二、金属基复合材料制备技术面临的问题

2.1 界面结合问题

界面结合是影响金属基复合材料性能的关键因素，当前制备技术中普遍存在界面结合强度不足或界面反应过度的问题。当增强相与金属基体的界面相容性较差时，两者之间难以形成有效的冶金结合，导致复合材料在受力时易从界面处发生断裂，降低材料的力学性能。在高温制备过程中，部分增强相与金属基体可能发生过度化学反应，生成脆性相，这些脆性相在界面处聚集，成为裂纹扩展的起点，同样会恶化复合材料的性能。

2.2 增强相分散均匀性问题

增强相在金属基体中的分散均匀性直接关系到复合材料性能的一致性和稳定性，目前多数制备技术在这方面仍存在不足。在粉末冶金法中，若混合工艺控制不当，增强相粉末易发生团聚，导致局部区域增强相含量过高或过低，使材料性能出现波动；铸造法中，增强相在熔融金属中的密度差异可能导致其沉降或上浮，尤其在大型构件制备中，这种现象更为明显，难以保证增强相的均匀分布。增强相的尺寸和形态也会影响分散效果，纳米级增强相由于表面能高，更易团聚，而纤维状增强相在成型过程中易出现取向不均的问题。

2.3 规模化生产与成本问题

金属基复合材料制备技术在规模化生产和成本控制方面面临诸多挑战，制约了其广泛应用。多数高性能制备技术，如原位合成法、放电等离子烧结技术等，工艺复杂，设备投资大，生产效率较低，难以实现大规模工业化生产，仅适用于小批量、高附加值产品的制备。原材料成本也是影响因素之一，高性能增强相材料价格较高，且部分制备工艺中需要使用昂贵的反应剂或进行复杂的表面处理，进一步增加了材料的制备成本。

三、金属基复合材料制备技术的发展趋势

3.1 新型制备技术的研发

新型制备技术的研发是推动金属基复合材料发展的重要动力，其中 3D 打印技术展现出巨大潜力。3D 打印通过层层堆积的方式可直接制备复杂形状的复合材料构件，能够精确控制增强相的分布和含量，实现材料的结构与性能一体化设计，尤其适用于航空航天领域中复杂零部件的个性化制造。激光熔覆技术与原位合成技术的结合，可在金属基体表面快速制备高性能复合材料涂层，涂层与基体结合牢固，且能根据需求调整增强相组成，在表面改性和修复领域应用前景广阔。

3.2 性能优化与功能化发展

性能优化与功能化是金属基复合材料制备技术的重要发展方向，通过多尺度增强相协同作用可实现材料性能的全面提升。功能化发展方面，开发具有特殊功能的金属基复合材料成为研究热点，如具有导电、导热、电磁屏蔽、阻尼减震等功能的复合材料。

3.3 绿色环保制备工艺的探索

绿色环保是金属基复合材料制备技术可持续发展的必然要求，未来将重点发展低能耗、低污染、资源循环利用的制备工艺。在能源消耗方面，研发低温制备技术，如低温烧结、室温成型等，减少对高温加热的依赖，降低能源消耗和碳排放。在污染物控制方面，优化反应体系，减少有毒有害气体和废弃物的产生，采用环保型表面处理剂替代传统的有毒试剂，降低对环境的污染。资源循环利用方面，推动废弃金属基复合材料的回收再利用技术研究，通过分离、提纯等工艺回收金属基体和增强相，实现资源的循环利用，降低原材料消耗。

结语

金属基复合材料制备技术在近年来取得了显著进展，粉末冶金法、铸造法、原位合成法等技术不断优化，为材料性能提升和应用拓展奠定了基础。然而，界面结合、增强相分散均匀性、规模化生产与成本等问题仍制约着其发展。随着新型制备技术的研发、性能优化与功能化发展及绿色环保工艺的探索，金属基复合材料制备技术将不断突破瓶颈。

参考文献

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[2]张昕楠,姜伊辉.喷射沉积技术在制备金属基复合材料中的研究进展[J].铸造技术,2017,38(05):981-985.