金属基复合材料

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金属基复合材料范文第1篇

关键词：金属基复合材料；网状陶瓷增强体；润湿性；泡沫陶瓷；铸造方法 文献标识码：A

中图分类号：TB331 文章编号：1009-2374（2015）23-0070-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.23.036

网状陶瓷增强金属基复合材料的制备是采用铸造方法，以金属作为基体，以网络结构陶瓷骨架作为增强相，将金属液浇注到网络陶瓷的孔隙内部形成复合材料。此法制备的复合材料具有高耐磨性、高耐蚀性、高强度和高硬度等特点，是研究新型复合材料的一个新突破点。

1 研究现状

国内对网状陶瓷增强金属基复合材料的研究主要集中在Al和Mg等轻金属方面，而对钢铁等重金属的研究较少。耿浩然等制备了Si3N4网络结构陶瓷预制体骨架，然后利用无压浸渗理论制备出Si3N4/Mg复合材料、Si3N4/Al复合材料和Al2O3/Mg复合材料。以上网状陶瓷增强金属基复合材料的研究仅限于轻金属。邢宏伟等用挤压铸造法制备了三维网络SiC/铜合金基复合材料，结果发现，骨架孔径的减小有细化晶粒、减轻偏析和抑制铅的偏聚等作用。骨架的存在使锡均匀分散于复合材料网孔边缘SiC骨架表层附近的微小区域。张友寿等通过铸造法使金属液渗入粗颗粒陶瓷预制体间隙来获得金属陶瓷复合材料，但是对陶瓷颗粒的尺寸要求极为严格。李祖来等利用V-EPC法以陶瓷WC颗粒作为增强体，使用高碳铬铁粉末来调节WC颗粒的体积分数，制备出了表面质量好、尺寸精度高、耐磨性能高的表面复合材料。

由于连续网状陶瓷增强金属基复合材料的研究目前还处于起步阶段，国内外的相关报道比较少，如何将二者结合制成复合材料，开发具有良好的强韧性能和高的抗磨损性能的新型金属基复合材料是我们下一步工作研究的重点。

2 网状陶瓷的性能要求

作为金属基复合材料增强体的网状陶瓷预制体必须具有以下特点：陶瓷通孔率要高、强度要高、与金属基体要有良好的润湿性。

只有满足上述要求的泡沫陶瓷预制体才能用于金属基复合材料的制备。因此通常采用有机泡沫浸渍方法制备网状泡沫陶瓷该工艺，这是因为此制备方法工艺简单、成本低，而制得的泡沫陶瓷具有高气孔率和高通

孔率。

3 网状陶瓷增强金属基复合材料的制备方法

3.1 挤压铸造法

挤压铸造法是将一定量的液态金属直接浇入敞开的金属型型腔内，在一定时间内凸型以一定的压力和速度作用于液态金属上，使熔融或半熔融态的金属塑性流动和凝固结晶成形的加工过程。其优点是工艺简单、金属液易于填充到陶瓷网络内部、易于成型、成本低、复合材料性能好。

3.2 负压实型铸造法

此方法也叫消失模铸造法。即采用聚苯乙烯泡沫材料（EPC）把增强体网络陶瓷表面包围后，刷上涂料，晾干后待用。然后将模型埋入干砂中，震实后在负压状态下浇铸的一种新工艺，它可以获得精度高、质量好的铸件。这是因为浇铸过程中有负压的存在，保证了聚苯乙烯泡沫在真空下气化，使其在高温下气化产生的气体及时排放出去，避免了聚苯乙烯泡沫在铸渗工艺中产生的气孔和夹渣等缺陷，不仅显著改善了铸渗层的质量，而且提高了复合材料的结合强度。

4 影响复合材料制备工艺的因素

4.1 金属浇注温度

金属液最佳浇铸温度应高于液相线温度50℃左右。若过低的浇注温度会使金属液迅速降温、凝固，渗透能力变差，不能顺利进入陶瓷孔内，严重影响液态金属的充型和补缩。浇铸温度过高将导致金属熔液严重氧化，在陶瓷骨架内出现缩孔或疏松的缺陷，以至无法形成良好的复合材料。

4.2 铸造成型压力

金属液与网络陶瓷复合时，必须选择适宜的铸造压力。若铸造压力过小，则会出现渗透能力不足的现象，不能使金属液顺利填充到陶瓷网络的每个边角处；若铸造压力过大，金属液的渗透能力就增强，易出现黏砂的缺陷。另外，虽然在模样表面涂有涂料以防止黏砂，但如果负压过大，易使涂料脱落，导致铸件黏砂现象，因次必须选择合适的负压。

4.3 陶瓷孔径

由于钢液浇铸温度较高，所以对泡沫陶瓷的强度要求也高，避免浇铸过程中发生坍塌现象。对于制备的泡沫陶瓷，如果盲孔太多，所得开放连通孔隙率也不足以满足浸渍足够多的金属以制备金属基复合材料的需要。一般来说，为满足随后浸渍成金属基复合材料，要求连通孔率在80%～90%。如果孔隙率较小，金属液来不及扩散到陶瓷孔内部就凝固，得不到组织均匀的复合材料。

4.4 界面润湿性

界面是复合材料中普遍存在且非常重要的组成部分，是影响复合材料行为的关键因素之一。金属基复合材料性能的高低取决于基体和增强体之间的界面结合情况。在网状陶瓷增强的金属基复合材料中，基体和增强体都是承载体，要求强界面结合以充分发挥陶瓷的增强效果。

当前改善金属陶瓷界面润湿性的方法有很多种，常用的简要叙述如下：

4.4.1 添加合金元素。在复合材料中加入Li、Mg、Ca等与氧亲和力高的合金元素，可以明显提高金属液体与陶瓷增强相的润湿性。添加的合金元素起到两个作用：一是降低金属液和陶瓷增强体之间的表面张力；二是可发生有利的界面反应以增加润湿性。

4.4.2 化学镀铜。采用涂装工艺，将网络陶瓷表面电镀一层铜金属以增加陶瓷与金属基体的润湿性。陶瓷表面铜镀层可以提高固体的表面能，用新形成的金属/陶瓷界面代替原来结合性较差的界面，可以提高润湿性，增强界面结合强度。化学镀铜层的厚度也会对复合材料的性能产生一定的影响，因此对镀层厚度应控制在2～4μm。

此外，超声波清洗、对固体陶瓷进行加热处理、固体陶瓷表面覆膜等也是改善增强体与金属液润湿性的有效措施。

5 应用及展望

陶瓷增强金属基复合材料的耐磨性、耐高温性较强，而比弹性模量较低、零件重量较大，因此在耐磨材料、高温合金及工具材料等方面得到广泛的应用。而具有三维空间网络拓扑结构复合材料自身的优越性，使得具备优良高温性能、环保节能、高耐磨性、高强度的三维网络陶瓷增强金属基复合材料必将成为未来的发展

趋势。

参考文献

[1] 尧军平，王薇薇.网络陶瓷增强铝基复合材料的摩擦磨损特性[J].南昌航空工业学院学报（自然科学版），2002，16（2）.

[2] 董盼，汤涛，汤文明，等.双连续相SiC/Al复合材料压渗工艺初探[J].合肥工业大学学报，2001，24（2）.

[3] 耿浩然，王守仁，崔峰，等.网络结构陶瓷增强金属基复合材料的制备[J].济南大学学报，2005，19（2）.

[4] 邢宏伟，曹小明，胡宛平，等.三维网络SiC/Cu金属基复合材料的凝固显微组织[J].材料研究学报，2004，18（6）.

[5] 张友寿，夏露，黄晋.金属液渗流法制造铸铁/陶瓷复合材料的研究[J].Hot Working Technology，2005，（12）.

[6] 邢宏伟，曹小明，胡宛平，等.三维网络SiC/Cu金属基复合材料的凝固显微组织[J].材料研究学报，2004，18（6）.

金属基复合材料范文第2篇

关键词：超薄；金属内衬；轻量化；复合材料；压力容器；设计制备；研究

近年来，随着新技术以及新设备的不断发展与应用，工业生产与加工制造中对于携带液体燃料以及高压气体的压力容器提出了高气密、轻质量以及长寿命等更高的设计与制造要求，使得高结构效率的轻量化复合材料压力容器成为一个热点问题。下文将结合这一背景条件，根据带金属内衬复合材料压力容器中内衬的作用以及复合材料结构层进行承担荷载的特征，提出一种含超薄金属内衬轻量化复合材料压力容器的设计与制备技术，具体报道如下。

1.复合材料结构层的刚度优化设计方法分析

进行含超薄金属内衬轻量化复合材料压力容器的设计与制备实现，主要就是以减薄金属内衬的厚度和实现复合材料结构层的刚度优化为主，以实现超薄、轻量化、高强复合材料结构层刚度的设计与制备目的。首先，在进行复合材料结构层的刚度优化设计中，本文主要采用一种基于稳定缠绕理论的结构刚度优化设计方法，对于复合材料结构层的刚度实现优化设计。工业生产与加工制造中，对于复合材料压力容器的结构层刚度优化设计，多是使用网格理论进行复合材料压力容器强度设计实现的，它主要应用经验进行滑线系数取值确定后，通常对于一般湿法缠绕取值多为0.15到0.2之间，而干法缠绕取值多为0.39，然后应用公式对于可缠绕范围进行求解，并给定初始缠绕角，通过在缠绕机上进行大量的工艺试验后，对于初始缠绕角进行排线修改，以找出能够满足缠绕工艺稳定性要求的线型和缠绕角，最终根据这个缠绕角进行设计制备压力容器的刚度校核，以完成对于复合材料压力容器的结构刚度优化设计。

（1）

上述公式（1）中，a表示的是缠绕角，λ表示的是滑线系数，r表示的是芯模母线方程， 、 表示的是芯模母线方程的一阶和二阶导数，其中 。

上文所述的这种基于试错试验的复合材料结构层刚度优化设计方式，在优化设计过程中，难以对实际的稳定缠绕范围进行获取，因此也就无法进行复合材料压力容器结构的刚度优化实现，在实际设计制造中就不能够最大化的实现纤维强度发挥，难以实现复合材料压力容器减重与轻量化的目的。

根据这种设计方法的缺陷与局限性，本文通过进行一种基于稳定缠绕理论的结构刚度优化设计方法的设计构建，来实现对于复合材料压力容器的结构刚度优化设计。基于稳定缠绕理论的结构刚度优化设计，主要通过对缠绕纤维和芯模表面间滑线系数的精确表征，对于真实可靠的滑线系数进行测量求得，同时在获取滑线系数和缠绕角的连续对应关系后，通过上述公式（1）对于可稳定缠绕范围进行准确求得，同时通过对于可稳定缠绕范围内每一缠绕角对应的纤维轨迹厚度、刚度等进行预测计算，以实现在稳定缠绕范围内，对于复合材料压力容器结构刚度的优化设计，使得复合材料结构能够最大效率的发挥纤维强度，提高结构效率，实现复合材料压力容器设计制备中减重与轻量化的目的。

在基于稳定缠绕理论的结构刚度优化设计方法中，对于缠绕纤维以及芯模表面间滑线系数的精确表征以及可稳定缠绕范围的求解实现，主要是根据一般曲面稳定缠绕原理，通过对芯模表面上落纱点的力学分析，在进行一种具有自主知识产权标定模型设计基础上，实现对于缠绕纤维以及芯模表面间滑线系数的精确表征和可稳定缠绕范围求解。值得注意的是，设计建立的具有自主知识产权的标定模型，在固定缠绕角情况下，沿其母线方向任意点的纬度圆半径和该点的滑线系数之间满足线性关系。其中，该模型的母线方程为下式（2）所示。

（2）

在上示公式中，R表示芯模直线段处的半径，C是一个常数。通过该标定模型能够精确对于缠绕纤维和芯模表面间滑线系数值进行表征，能够为稳定缠绕范围以及复合材料压力容器结构刚度优化进行参数提供。

2.大尺寸超薄金属内衬的成型设计方法分析

本文主要以铝合金材料为主，对于大尺寸超薄铝合金内衬的设计成型方法进行分析。在压力容器设计制造中，由于铝合金材料本身具有气密性高以及密度小、介质相容性突出等特征优势，是轻量化复合材料压力容器设计制备中金属内衬的首先材料，并且该材料在压力容器的整个设计制备中占有比例达到1/3以上。此外，应用铝合金作为金属内衬材料进行轻量化复合材料压力容器设计制备中，如果铝合金的内衬厚度每减薄0.1毫米，复合材料压力容器的重量将减轻3%到6%，能够满足材料压力容器设计制备中实现减重的目的。

由于轻量化复合材料压力容器直径的越来越大，实现大尺寸超薄铝合金内衬的成型设计具有较为突出的难度。针对这一情况，通过在封头部分使用旋压工艺，然后与筒身进行焊接成型的设计制备方法，实现大尺寸超薄铝合金内衬的成型设计，制备出了封头和筒身厚度在0.8毫米以下，直径在745毫米以上的系列超薄铝合金内衬，很好的满足和实现了轻量化复合材料压力容器设计与制备。

在进行含超薄金属内衬轻量化复合材料压力容器设计制备中，完成减薄金属内衬厚度与复合材料结构层的刚度优化设计后，要想完整的实现对于含超薄金属内衬轻量化复合材料压力容器的设计制备，还需要进行超波金属内衬和复合材料变形的协调控制，同时对于轻量化复合材料压力容器的设计制备进行自动修复，以保证设计制备质量和效果。

3.结束语

总之，含超薄金属内衬轻量化复合材料压力容器的设计制备实现，能够满足压力容器设计制备的高气密以及轻质量、长寿命的要求，对于推动压力容器设计制备技术水平的发展提升有着积极作用和意义。

参考文献：

[1]王霞，宋文轩.大型煤制甲醇装置压力容器的设计与制造研究[J].化学工业.2010（9）.

金属基复合材料范文第3篇

Composite reinforced with natural fibers is a significant topic for technical textiles industry. Due to its recyclable raw materials with few environment effects, along with good processability and acoustic characteristic, this kind of material has got a rapid development in some developed regions. This article primarily introduced components with several bast fibers and leaf fibers, in terms of process technology, features, performances and cost advantages, and researched the feasibility of developing biocomposites as well.

天然植物纤维是增强复合材料可选择的原料之一，自2005年以来一直保持着 10% ～ 15% 的年增长率。植物纤维密度较低，仅有 1.5 g/cm3左右，具有节省物料消耗的潜力。以平均值计算，天然纤维增强复合材料的能源消耗比玻璃纤维要低 60%。

天然纤维复合材料具有优良的加工性能和声学特性，并在很多方面超越玻璃纤维增强材料，如很好的生命循环特征等。近来，欧洲植物纤维复合材料的研究取得了很大进展，产品已在汽车内装饰、车厢材料等方面使用。可以说利用可再生纤维资源做原料，是技术纺织品持续增长的一个重要方向。

1天然纤维在增强复合材料上的应用

聚合物纤维可广泛用于工程领域，但在相当多的使用条件下，其性能并不能完全满足要求，这给纤维增强复合材料的开发提供了空间。强度是纤维复合材料的重要评价指标之一。通常复合材料的结构、机械性能及热性能等可依据纤维添加量、纤维取向程度和长度的变化而改善。目前，优化复合材料的性能/重量比，提高制品强力、刚性与重量比，降低成本及加工过程对环境的冲击，改善可用性和安全性正成为复合材料技术进步的主流趋势。

用作增强的纤维材料包括有机及无机纤维材料。除高性能聚合物纤维、玻璃纤维外，天然植物纤维也具有加工增强复合材料的鲜明特点。大量研究结果显示，环氧树脂/亚麻、木浆纤维/PE、剑麻/PE、黄麻/PE、棉纤维/PP、苎麻/PP、黄麻/PP、剑麻/PP、黄麻/PET等的研究和开发都取得了可喜进展。由于生物高分子技术的进步，目前已有可能制得生物聚合物复合材料。在种植、加工、制品成型及使用中，其明显的低碳经济特征，具有引领转变生产模式、改变人们高碳消费倾向和碳偏好的可能，因而正形成产业用纺织品一个新的开发领域。表 1 为几种主要的纤维增强复合材料的性能特征比较。

和常用的玻璃纤维相比，作为增强复合材料的植物纤维通常具有以下特点。

（1）植物纤维复合材料的机械特点

一般说来，植物纤维复合材料机械性能的变化，取决于纤维含量、空隙度、纤维取向度、纤维及基质的特性。

以典型的热塑性聚合物PP为例，以其作复合材料基质，单一PP聚合物密度为 1.0 g/cm3，刚性指标 1.5 GPa。实验结果显示，在其他条件设定好的状态下，将植物纤维置于 3 种取向态时，其复合材料刚性的最大值分别为：单取向纤维 20 ～ 30 GPa，两维无序（2D Random）取向纤维 7 ～ 11 GPa，三维无序（3D Random）取向纤维 3 ～ 5 GPa。

（2）植物纤维添加量对复合材料性能的影响

高性能的植物纤维具有优良的机械性能，其密度通常在 1.5 g/cm3，而玻璃纤维的密度是 2.6 g/cm3。即使用同样重量纤维的条件下，植物纤维的复合材料可以获取更高的刚性指标。

（3）植物纤维复合材料具有成本上的优势

工业品生产中，制造成本对企业来说至关重要。尽管植物纤维源于低成本的生物质资源，但仍需投入多项费用，如种植投入、纤维提取加工费用以及纤维转化为适宜复合材料加工的预制品加工费用等。一般来说，两维无序纤维作原料，其预制品成本较低。加工成非织造布毡的形式，其预制品加工费偏高，约 1.8 欧元/kg，而玻璃纤维毡预制品的加工费高达 2.6 欧元/kg。可以认定，植物纤维非织造毡预制品的低成本，可以决定其复合材料在相同成本下的条件下获得更佳的机械性能。表 2 为几种常用的增强复合材料用纤维材料的价格比（以玻璃纤维作为参照）。

2天然植物纤维的结构特征

植物纤维微原纤维角θ呈螺旋状取向，如图 1 所示，其复合材料的弹性和断裂强度指标取决于增强纤维含量及其取向度。同类纤维材料的物理性能同其化学组成、结构、纤维含量、微原纤维角、纤维截面及聚合度变化有关。

玻璃纤维是增强复合材料的主要原料品种。而高性能亚麻、荨麻纤维的抗拉刚性要优于玻璃纤维，机械性能也与玻璃纤维相似。麻纤维与其他天然纤维一样，当处于激烈震荡条件下时易于出现断裂，纤维大分子轻度滑移，表现出一定的减震功能。亚麻膨胀系数趋于零，断裂伸长率1.5%，基本与碳纤维相近，完全可做复合材料增强组分。此外，亚麻密度（1.45 g/cm3）比钢（7.8 g/cm3）、碳纤维（1.70 g/cm3）和玻璃纤维（2.45 g/cm3）均小。表 3 为可用做增强复合材料的麻纤维与玻璃纤维的技术特征比较。

在可用做增强复合材料的麻纤维的评价中，有两个重要数值，即E/d值和δ/d值，前者是纤维的杨氏模量与密度比，后者是纤维的断裂应力与密度比。表 4 为玻璃纤维及几种麻纤维的E/d值和δ/d值比较。

从表 4 可以看出，麻纤维在复合材料上使用具备非常好的机械性能。

3天然植物纤维增强复合材料的技术开发现状

随着全球环保意识的日益增强，自20世纪50年代以来，天然植物纤维增强复合材料开始在乘用车内饰领域使用。在欧洲、北美等市场，热塑性、热固性植物纤维复合材料被用于制做汽车门板、包厢和坐椅等中。如利用 50% 的PP和 50% 的天然纤维制成的增强复合材料，其克重为 450 ～ 2 400 g/m2，产品供给北美汽车市场，用户包括克莱斯勒、奔驰SUV和福特等。

德国Quadrant公司开发的植物纤维增强复合材料在汽车内装饰领域占有重要位置，其“Nafcoform”产品，使用50% 的PP和 50% 的洋麻、大麻或亚麻，产品克重 300 ～ 3 000 g/m2，目前已用于奥迪A8、三菱汽车、BMW 7和伊维柯等中。

克莱斯勒公司2005年开始在A级两门乘用车上使用植物纤维增强复合材料，使用的产品包括瑞士Reiter（立达）公司提供的PP/马尼拉麻天然纤维增强复合材料。目前PP、PE与含量为 25% ～ 75% 的洋麻、大麻或其他纤维素纤维制成的复合材料也已投放市场。

法国Lineo公司开发了亚麻与环氧树脂的增强复合材料，其预浸渍制品的技术特征如表 5 所示。

使用 50% 的亚麻和 50% 的碳纤维制得的亚麻/碳纤维增强复合材料，可用做自行车构架，并已通过公路试验取得了认可。在该复合材料中，碳纤维承载刚性负荷，而亚麻纤维可起到减震作用。近期该纤维增强复合材料正于自行车轮毂上试用。

采用洋麻/亚麻混合组分（混合比 50/50）为增强相，以非织造布形式与环氧树脂制得热固性增强复合材料，产品已用于汽车内装饰。

法国Ralf Schledjewski集团使用洋麻/大麻为混合组分制成的针刺毡，于 20 bar压力下，采用丙烯酸系树脂预浸工艺制得热固性增强复合材料，其机械性能完全可以满足汽车内饰及部件制品的技术要求。

鉴于亚麻纤维的刚性及与碳纤维相似的膨胀系数，可以开发工具类产品系列，即以亚麻纤维复合材料替代部分碳纤维复合增强制品。

随着能源压力和低碳消费呼声的增长，汽车工业面临着巨大的竞争压力，日本市场的动向显示，期望继续改进天然纤维复合材料品质，用以替代或减少玻璃纤维带来的危害。欧洲虽然至今尚未出台限定使用天然纤维复合材料的相关法规，但随着石油资源的不断减少，天然纤维复合材料的市场潜力已被越来越多的人们所认知。美国福特公司分析认为，天然植物纤维可与玻璃纤维混合使用，或制成以天然纤维为芯、玻璃纤维包敷其外的三明治结构产品投放市场。

天然纤维复合材料虽然在阻燃、燃烧状态时无烟和无毒释放性能上不及一些高性能纤维复合材料，当然这些缺陷也限制了其在航空、铁路和高速公路领域中的使用，但在汽车内饰、建筑与装饰材料以及运动和休闲制品领域具有可拓展的空间。

4生物增强复合材料（Biocomposites）的技术进 展

生物增强复合材料是新一代复合材料，近年来受到广泛关注，其中细菌纤维素/PLA、改性剑麻/大豆蛋白质基的生物可降解高分子材料等生物复合材料的研究开发取得了可喜进展。

生物增强复合材料由两个或多个分布区相组成，增强相之一即植物纤维或植物源纤维，主要是棉、麻、再生木材等。其他部分是基质相，多为以植物油脂、淀粉基为原料的聚合物。

英国Wales大学生物复合材料中心认为，传统复合材料的性能形成规律与因素适用于新的生物复合材料，即可指导生物复合材料的合成过程，以获取期望的性能，如纤维分布、多孔性、纤维取向及基体性能等。

法国JRS公司开发出一系列以植物纤维和生物可降解聚合物为原料的复合材料，如以淀粉基聚合物/木纤维为原料的系列产品，即淀粉基聚合物/木纤维分别为 80/20、70/30 和 60/40。木纤维的添加可以使复合材料的杨氏模量提高 6.5 倍。另外，该公司使用植物源聚酯和木纤维制得了“Biofibre”复合材料系列产品，包括PL30E11和PL30E26品种；采用纤维素纤维和PLA成功得到了生物复合增强材料，其中纤维素纤维的添加大大改善了PLA的成型性能，并增强了纤维组分分布的均匀性，产品适用性好，还降低了加工 成本。

法国Alex材料研究中心使用淀粉基聚合物与植物纤维，如棉短绒、大麻、麦杆、纤维素等为原料制得了生物增强复合材料。添加这 4 种植物纤维后，复合材料制品的耐冲击性能明显提高，均超过聚苯乙烯板材（耐冲击强度为 0.7 kJ/m2）。其中纤维素复合材料的E/d值超过了聚苯乙烯，结果如表 6 所示。

澳大利亚Queensland大学使用蓖麻籽为原料，制得了单一生物质原料的生物复合材料。即首先将蓖麻籽转换为蓖麻籽油，进而制得11 氨基十一酸。后配置 30% ～ 40% 的氨基十一酸的水分散液，进行 3 段缩聚形成聚酰胺11（PA11）。以PA11为原料，熔法纺丝成形制得PA11的初生纤维，纤维切断长度 3 ～ 7 mm，纤维直径 30 ～ 35 μm；工业用纤维束切断长度 150 ～ 500 mm，纤维直径 75 ～ 200 μm。纤维密度 1.232 g/cm3，热降解温度 230 ℃。

PA11纤维成型前需进行水浸集束上浆处理，后与PA11聚合物复合，经压塑成型得到新型生物复合材料。复合材料增强相的纤维分布中，无规分布占 30%，取向部分占 30% ～ 35%。材料密度 1.16 ～ 1.22 g/cm3，具有良好的机械性能，燃烧状态下无烟，无毒性气体释放，其技术特征如表 7 所示。

蓖麻作为原料生长期短，单产 10 t/hm2，高于亚麻和大麻。与传统的复合材料相比，CO2排放量可减少 40%。与环氧树脂复合材料比，影响气候变化的因素可降低 50%。基于其优良的阻燃性能，还可用于航空、运输领域的内装饰材料。目前以蓖麻为原料的单一生物增强复合材料的继续研究和改进主要集中在以下 4 个方面，即：蓖麻生长条件与PA11纤维性能的关系；不同品种蓖麻品质的鉴定；改进水浸和上浆条件；PA11纤维吸湿性与使用性能的关系研究。

5国内可利用的天然植物资源及其增强复合材 料的开发

麻纤维特别是黄麻或亚麻具有极佳的机械性能，从生产规模上看，目前其从种植到纤维加工已形成完整的产业链。因此说，开发麻纤维增强复合材料相对来说要容易许多。

亚麻、大麻、黄麻、洋麻属韧皮纤维，而剑麻、赫纳昆（Henequen）纤维、菠萝纤维、香蕉茎纤维等系叶纤维。大麻已在 40 多个国家和地区种植，加拿大Hempline公司的大麻增强复合材料已于20世纪90年放市场。近 10 年间，洋麻在增强复合材料上的使用正稳步发展，其刚性是亚麻、大麻、黄麻产品的两倍。

我国具有悠久的麻类纤维种植历史，品种较为齐全，主要栽培品种包括苎麻（产区为湖南、湖北、四川、山东与河南）、亚麻/胡麻（黑龙江、吉林、四川/甘肃、内蒙古和宁夏）、大麻（安徽、河南、山东和云南）、黄麻/洋麻（浙江、山东/河南、安徽、湖北、四川）、剑麻（广东、海南、福建、云南）等。此外还有野生的罗布麻（新疆、山东、江苏和内蒙古）等。其中，苎麻、亚麻、黄麻、洋麻已形成较为完整的工业规模。

目前，天然纤维热塑性/热固性增强复合材料正在乘用车市场中使用，在卡车、大型巴士等领域也展现出了市场潜力。近年来我国植物纤维增强复合材料，诸如剑麻纤维/酚醛树脂、苎麻落麻纤维/PVC、黄麻纤维/PP以及仿生哑铃型黄麻纤维增强复合材料等的研究也取得了不小的进步。应该说，加强国内天然植物纤维复合材料的开发力度，是市场、环境和合理地利用资源的需要。

金属基复合材料范文第4篇

随着社会经济的发展，复合材料增强有色金属材料在生产中的实际应用，满足了当下发展需要，更好地促进了相关产业的发展和进步。复合材料增强有色金属材料应用，就是在有色金属材料中添加非金属增强材料，这样一来，可以更好地对原有材料的性能进行改变，形成一种新的复合材料。这种复合材料将比原来的材料具有更好的性能，能够满足更深层次的有色金属材料应用。本文对复合材料增强有色金属材料研究，将注重分析有色金属材料性能的加强分析，希望本文的研究，能够为有色金属材料的发展，提供一些参考和建议。

关键词：

复合材料；有色金属材料；性能分析；

就有色金属材料的发展情况来看，目前在航空航天、机械制造以及交通运输领域，得到了较为广泛的应用。随着社会经济的发展，有色金属材料在相关产业中的应用变得越发广泛，加强有色金属材料性能，对于提升相关产业进步来说，具有着一定的积极意义。科学技术的发展和进步，为提高有色金属材料性能打下了坚实的基础，进一步提升有色金属材料的性能，可以更好地促进机械制造业、航空航天事业的发展，满足当下人们对有色金属材料的实际需要。因此，提升有色金属材料性能，利用复合材料增强其性能的研究，成为当下有色金属材料发展的一个热门议题。本文对有色金属材料性能的研究，主要分析了有色金属材料在添加非金属增强材料后，形成的复合材料效果检测，阐述了复合型的有色金属材料在相关产业中应用的优势，以期更好地促进有色金属材料性能的提升。

1有色金属材料SiC的复合材料增强效果研究

本文对SiC这一有色金属材料的增强性研究，主要探讨了非金属材料ZA22锌基合金的添加。ZA22锌基合金添加到SiC中，可以增强其性能，具有较好的强化效果。

1.1SiC添加ZA22锌基合金的加入量和加入方式分析SiC颗粒是国产a型砂轮磨料，在实际生产过程中得到了广泛的应用。这种有色金属材料的应用，主要是通过添加ZA22锌基合金，增强了其性能，让SiC颗粒能够更好地应用于砂轮磨料当中。在进行SiC增强过程中，ZA22锌基合金的加入量应为复合材料铸锭的5%、10%、20%，在添加过程中，要使ZA22锌基合金形成的合金浆料，均匀地分布在合金之中，并且在加入后，对浆料进行升温浇注，保证加强后的SiC能够具有较好的性能。SiC通过添加ZA22锌基合金后，将形成SiCp/ZA22复合材料，这种材料对于实际生产更具优越的性能，能够更好地满足砂轮磨料实际需要[1]。

1.2SiC增强效果分析SiC在添加ZA22锌基合金后，具有了更加强大的性能，其增强体的性能在基体中均匀分布，使SiC颗粒能够更好地分布在复合材料当中，并且其强度要比复合材料的抗拉强度提升许多。就相关测试数据显示，这种添加了ZA22锌基合金的SiC复合材料，抗拉强度要比原来提升了百分之四十七。同时，SiCp/ZA22复合材料的抗压值为518，ZA22锌基合金的抗压值为352；SiCp/ZA22复合材料的GPa为105E，而ZA22锌基合金的GPa则为66E。除了SiCp/ZA22复合材料的抗拉强度提升之后，其耐磨损性能也得到了显著地提升。ZA22锌基合金添加SiC后，具有了更为强大的耐磨锁性能，能够更好地应用于实际生产当中。关于SiC的耐磨损性能测试数据显示，磨环的淬火数值为GCrl5，磨损测试时间为40分钟，正向压力数值为392N，通过磨损试验后，复合材料会随着SiC的体积分数增加而有所变化，对比ZA22锌基合金的磨损数据，磨损的损失量仅为ZA22锌基合金的一半左右。由此可见，在有色金属材料中添加非有色金属材料，可以更好地提升材料性能，形成一种增强型的复合型材料后，更加有利于实际生产应用。

2关于纳米三氧化二铝（Al2O3）增强铜基材料的应用分析

纳米三氧化二铝的增强型铜基材料，在机械化生产中得到了较为广泛的应用，通过提升纳米三氧化二铝的性能，使其具有更好的硬度和抗弯强度，能够很好地保证有色金属材料性能在实际使用中发挥应有的作用，从而更好地促进我国相关产业的发展和进步[2]。

2.1关于纳米Al2O3加入量以及相应加入方式的分析纳米三氧化二铝在选择试验材料时，主要涉及到铜粉、纳米、石墨等材料。其中铜粉占有试验量的百分之七十，纳米三氧化二铝则为1%~5%，剩余的则为石墨的含量。在进行实际试验过程中，主要进行了摩擦实验，摩擦实验的进行条件如下：设置摩擦的滑动速度为5*10-3m/s，载荷数值为5000N，在实际测试过程中，要注意磨损稳定值，当磨损稳定值的摩擦系数和磨损率保持一致时，对纳米三氧化二铝增强铜基材料进行抗弯强度试验，其试验则在5000N的拉力试验机上进行。纳米三氧化二铝增强铜基材料的实验，主要是为了测试其在拉力试验机上的磨损程度，比较复合材料与单一材料的磨损能力以及相应的硬度、抗弯强度数值[3]。关于纳米三氧化二铝质量分数的磨损值我们可以从图中看出：通过对比磨损值与纳米三氧化二铝的质量分数关系，我们不难看出，载荷为5000N下，纳米三氧化二铝增强铜基材料的磨损量更少，其性能更加优越。

2.2纳米Al2O3的增强性能分析关于纳米三氧化二铝增强性能的分析，我们可以从上述的实验中看出，纳米三氧化二铝增强铜基材料要比传统的纳米三氧化二铝具备更好的硬度和抗弯强度。试验过程中，纳米三氧化二铝的体积分数小于4%时，纳米三氧化二铝增强铜基材料的强度会随着纳米三氧化二铝的质量分数增强而提升；当纳米三氧化二铝的体积分数小于4%时，铜基复合材料的抗弯强度也会有所增强。

3铝合金复合材料的增强性能研究

铝合金这种复合材料我们并不陌生，在实际应用过程中，铝合金的应用范围更加广泛。随着社会经济的发展，对铝合金这种材料的要求也随之升高，提升铝合金复合材料的整体性能，对于促进相关产业的发展来说，具有着重要的意义。铝合金材料在实际应用过程中，在不同温度条件下，其抗拉强度有着明显的变化，为了更好地应用铝合金，了解其材料特性的时候，就要加强铝合金材料的抗拉强度，使之具备更强大的性能，这样一来，才能更好地满足实际生产需要。就相关数据实验显示，三种铝合金复合材料在100度的抗拉强度如下：铝合金（ZL109）抗拉强度为294MPa，K2O.6TiO2/ZL109抗拉强度为296MPa，Al2O3/ZL109抗拉强度为311MPa。由此可见，我们不难看出，铝合金复合材料的抗拉强度明显要强于铝合金材料[4]。

4镁基复合材料和铝硅合金的增强性能分析

镁基复合材料和铝硅合金的增强，使其在实际应用中具备更好的性能，能够在实际生产中，满足实际需要，更好地促进相关产业的发展和进步。

4.1镁基复合材料增强性能分析镁基复合材料的应用，主要是镁合金基体和非有色金属材料的结合，这种复合型材料更好地提升了镁合金的强度。一般来说，镁基复合材料在应用过程中，主要添加了碳纤维、氧化铝、碳化硼颗粒等。镁基复合材料在制造行业得到了较为广泛的应用。有关镁基复合材料的性能，在添加体积分数为30%的碳纤维后，可以增强镁合金的剪切强度，镁基复合材料的强度为40MPa，而镁合金材料的强度则为20MPa，对比两个数据，我们不难看出，镁基复合材料的性能要超出镁合金性能太多。

4.2铝硅合金增强性能分析铝硅合金增强性能，主要是利用石墨复合材料阻尼性能，增强铝硅合金的自滑性，降低铝硅合金的摩擦性，使铝硅合金能够在内燃机活塞以及轴承中得到广泛的应用。针对于铝硅合金增强性能的研究分析，主要选择7.5%的铝硅合金作为试验材料，并添加石墨，其粒度为60~200um。在实际实验过程中，将石墨均匀加入铝硅中，并且将其铸造成型，对其阻尼性能以及相关化学性能进行有效的检测。关于铝硅合金增强性能的实验结果，如下所示：7.5%铝硅合金的内耗为0.83*10-2，GA-1的内耗为2.26*10-2，GA-2的内耗为3.17*10-2。由此可见，当铝硅合金内的石墨含量增加后，铝硅-石墨复合材料的内耗增大，可以更好地实现减震目标。

5结束语

金属基复合材料范文第5篇

[关键词] CNTs；镁基；复合材料；制备方法

[中图分类号] TB331 [文献标识码] A 文章编号：1671-0037（2014）01-66-1.5

镁及镁合金具有密度低，比强度、比刚度高，铸造性能和切削加工性好等优点，被广泛应用于汽车、航空、航天、通讯、光学仪器和计算机制造业。但镁合金强度低，耐腐蚀性能差严重阻碍其广泛应用。

碳纳米管不仅具有极高的强度、韧性和弹性模量，而且具有良好的导电性能，还是目前最好的导热材料。这些独特的性能使之特别适宜作为复合材料的纳米增强相。近年来，碳纳米管作为金属的增强材料来强度、硬度、耐摩擦、磨损性能以及热稳定性等方面发挥了重要作用。

近些年，镁基复合材料成为了金属基复合材料领域的新兴研究热点之一，碳纳米管增强镁基复合材料的研究也逐渐成为材料学者研究重点之一。本文就目前有关碳纳米管增强镁基合金复合材料的制备技术做综述，以供研究者参考。

1 熔体搅拌法

熔体搅拌法是通过机械或电磁搅拌使增强相充分弥散到基体熔体中，最终凝固成形的工艺方法。主要原理是利用高速旋转的搅拌器搅动金属熔体，将CNTS加入到熔体漩涡中，依靠漩涡的负压抽吸作用使CNTS进入金属熔体中，并随着熔体的强烈流动迅速扩散[1]。

周国华[2]等人采用搅拌铸造法制备了CNTs/AM60镁基复合材料。研究采用机械搅拌法，在精炼处理后，在机械搅拌过程下不断加入碳纳米管到镁熔体中，搅拌时间20 min，然后采用真空吸铸法制得拉伸试样。研究结果显示，碳纳米管具有细化镁合金组织的作用，在拉伸过程中，能够起到搭接晶粒和承载变形抗力的作用。

C.S.Goh[3]等采用搅拌铸造法制备了CNTS / Mg基复合材料时，金属熔化后采用搅拌桨以450 r / min的转速搅拌，然后用氩气喷枪将熔体均匀地喷射沉积到基板上，从而制得CNTS / Mg基复合材料。力学性能测试表明，复合材料具有较好的力学性能。

李四年[4]等人采用液态搅拌铸造法制备了CNTS/Mg基复合材料。CNTS加入前首先经过了化学镀镍处理，研究采用了正交实验，考察了CNTS加入量、加入温度和搅拌时间对复合材料组织和性能的影响。研究结果表表明，CNTS加入量在1.0%、加热温度在680 ℃、搅拌3 min时，能获得综合性能较好的复合材料。

搅拌铸造法优点是工艺简单、成本低、操作简单，因此在研究CNTS增强镁基复合材料方面得到广泛应用。但搅拌铸造法在熔炼和浇铸时，金属镁液容易氧化，CNTS均匀地分散到基体中也存在一定难度。

2 消失模铸造法

消失模铸造是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型黏结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。

周国华[5]等人就通过消失模铸造法制备CNTs / ZM5镁合金复合材料。将PVC母粒加入到二甲苯中溶解，把CNTs加入上述溶液中超声分散10 min后过滤、静置20 h，装入发泡模具发泡成型，用线切割机加工制得消失模。把制得的含碳纳米管的消失模具放入砂箱内，填满砂并紧实，将自行配制的ZM5镁合金熔体浇注制得复合材料。实验结果表明，碳纳米管对镁合金有较强的增强效果，对ZM5合金的晶粒有明显的细化作用。

3 粉末冶金法

粉末冶金法是把CNTS与镁合金基体粉末进行机械混合，通过模压等方法制坯，然后加入到合金两相区进行烧结成型的一种成型工艺。粉末冶金法的优点在于合金成分体积分数可任意配比而且分布比较均匀，可以避免在铸造过程中产生的成分偏析现象，而且由于烧结温度是在合金两相区进行，能够避免由于高温产生的氧化等问题。

沈金龙[6]等人采用粉末冶金的方法制备了多壁碳纳米管增强镁基复合材料。试验采用CCl4作为分散剂将镁粉和CNTS混合，在室温下将混合粉末采用双向压制成型后进行真空烧结，制成碳纳米/强镁基复合材料。研究结果表明：碳纳米管提高了复合材料的硬度和强度，镁基复合材料的强化主要来自增强体的强化作用、细晶强化和析出强化。

Carreno-Morelli[7]等利用真空热压烧结粉末冶金法制备了碳纳米管增强镁基复合材料。研究发现，当CNTs含量为2%时，复合材料的弹性模量提高9%。

杨益利用利用粉末冶金法，制备了碳纳米管增强镁基复合材料，研究了碳纳米管制备工艺和含量对复合材料组织和性能的影响。研究采用真空热压烧结技术，通过研究发现，在热压温度为600 ℃、保压时间20 min、保压压力在20MPa、CNTS含量为1.0%时，制得的复合材料具有强度最高值。TEM分析CNTS与镁基体结合良好，增强机理主要有复合强化、桥连强化和细晶强化。

4 熔体浸渗法

熔体浸渗法是先把增强相预制成形，然后将合金熔体倾入，在熔体的毛细现象作用下或者一定的压力下使其浸渗到预制体间隙而达到复合化的目的。按施压方式可以分为压力浸渗、无压浸掺和负压浸渗三种。

Shimizu等采用无压渗透的方法制备了碳纳米管增强镁基复合材料，随后进行了热挤压，力学性能测试显示，抗拉强度达到了388MPa、韧性提高了5%。

5 预制块铸造法

周国华等人采用碳纳米管预制块铸造法制备了CNTS / AZ91镁基复合材料。将AL粉、Zn粉、CNTs按比例混合分散后，用50目不锈钢网筛过滤后在模具中压制成预制块。然后利用钟罩将预制块压入镁熔体并缓慢搅拌至预制块完全溶解，采用真空吸铸法制得复合材料试样。研究结果表明，预制块铸造法能够使CNTs均匀分散到镁合金熔体中，复合材料的晶粒组织得到细化，力学性能明显提高。

6 结语

近年来，CNTs在增强镁基复合材料的研究越来越多，目前存在的主要问题是CNTs的分散和与基体界面的结合等问题。由于但碳纳米管具有高的比表面能，使其在与其他材料的复合过程中易形成团聚，导致复合材料性能不甚理想，最终起不到纳米增强相的效果，同时碳纳米管属轻质纳米纤维，与各类金属的比重相差太大，不易复合。目前有关碳纳米管增强镁基合金复合材料的研究还处于初期阶段，随着技术的不断发展，新工艺和新方法不断出现，CNTs的分散及与基体的界面结合等问题将逐渐被解决，开发出性能优异的CNTs / Mg基复合材料将有着重要的意义。

参考文献：

[1]张玉龙.先进复合材料制造技术手册[M].北京：机械工业出版社，2003

[2]周国华，曾效舒，袁秋红.铸造法制备CNTS/AM60镁基复合材料的研究[J].铸造，2009，58（1）：43-46.

[3]Goh C S， Wei J， et al.Ductility improvement and fatigue studies in Mg-CNT nano-composites[J].Compos Sci.Techn，2008，

68：1432.

[4]李四年，宋守志，余天庆等.铸造法制备纳米碳管增强镁基复合材料[J].特种铸造及有色合金，2005，25（5）：313-315.

[5]周国华，曾效舒，袁秋红等.消失模铸造法制备CNTS/ZM5镁合金复合材料的研究[J].热加工工艺，2008，37（9）：11-14.

[6]沈金龙，李四年，余天庆等.粉末冶金法制备镁基复合材料的力学性能和增强机理研究[J].铸造技术，2005，26（4）：309-312.

[7]Carreno-Morelli E， Yang J， et al.Carbon nanotube/magnesium composites[J].Phys Status Solidi A， 2004，201（8）：53.

[8]杨益.碳纳米管增强镁基复合材料的制备与性能研究[D].北京：国防科学技术大学硕士论文，2006.

收稿日期：2013年12月12日。

基金项目：郑州市科技攻关项目（20130839），黄河科技学院大学生创新创业实践训练计划项目（2013XSCX025）。