金屬基復(fù)合材料是以金屬及其合金為基體，與一種或幾種金屬或非金屬增強(qiáng)相人工結(jié)合成的復(fù)合材料。其增強(qiáng)材料大多為無(wú)機(jī)非金屬，如陶瓷、碳、石墨及硼等,也可以用金屬絲。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料的一個(gè)分支，相比于纖維態(tài)的增強(qiáng)材料，顆粒態(tài)增強(qiáng)體具有成本低、制備容易、易于二次加工、各向異性小等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料兼具了陶瓷材料的耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度和金屬材料材料良好的韌性，可用于沖擊和磨損，高溫等苛刻環(huán)境中。

目前，金屬基復(fù)合材料可供選擇的陶瓷增強(qiáng)體顆粒頗多，如表1所示。

表1 常見(jiàn)陶瓷增強(qiáng)體顆粒

在金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備中，基體和陶瓷增強(qiáng)體顆粒的選擇都很重要。陶瓷顆粒增強(qiáng)體的選擇應(yīng)具備以下的條件：

（1）具有高模量、高硬度、高強(qiáng)度等優(yōu)異的性能；

（2）具有化學(xué)穩(wěn)定性；

（3）能夠與金屬基體之間有良好的浸潤(rùn)性，界面結(jié)合良好；

（4）在滿足上述條件下，價(jià)格盡量低廉。

陶瓷顆粒+基體金屬的組合并非隨心所欲，其浸潤(rùn)性是制備復(fù)合材料需要考慮的前提。以鐵基材料常見(jiàn)的顆粒增強(qiáng)體為例，研究人員對(duì)SiC，TiC，TiN，SiC+TiC，SiC+TiC，TiC+TiN六種顆粒增強(qiáng)鐵基材料進(jìn)行研究。下圖1為顆粒體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，單一類型及混合類型顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的顯微組織形貌。圖中c、e和f可明顯看出SiC，SiC+TiN和SiN+TiC顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料中，部分顆粒與基體結(jié)合處有微裂紋產(chǎn)生，這是源于高體積分?jǐn)?shù)下SiC顆粒與鐵基體在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的界面反應(yīng)，導(dǎo)致界面微空洞缺陷產(chǎn)生。而從a、b和d三圖可發(fā)現(xiàn)，TiN，TiC和TiC+TiN顆粒增強(qiáng)的鐵基材料，增強(qiáng)顆粒清晰可見(jiàn)，與鐵基體的界面結(jié)合良好，界面缺陷相對(duì)較少，這說(shuō)明對(duì)于鐵基材料而言，這三種陶瓷顆粒組合可以與之較好結(jié)合。

圖1 顆粒體積分?jǐn)?shù)為25％時(shí)，單一類型及混合類型顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的顯微形貌，其中(a)TiN;(b)TiC;(c)SiC;(d)TiC+TiN;(e)SiC+TiC;(f)SiC+TiN

（圖片來(lái)源：不同類型顆粒混合增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的磨損性能）

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于陶瓷顆粒和金屬浸潤(rùn)性的研究一直在進(jìn)行，但是其機(jī)理非常復(fù)雜。除此之外，陶瓷顆粒的粒徑對(duì)復(fù)合材料功能性、可加工性、性能穩(wěn)定等諸多方面影響很大。一般，我們總是希望能夠獲得足夠小粒徑的陶瓷顆粒，這樣可以在不犧牲金屬材料塑性韌性的前提下，獲得增強(qiáng)后的復(fù)合材料。下面以陶瓷粒徑對(duì)復(fù)合材料的摩擦性能影響為例簡(jiǎn)單說(shuō)明。

圖2 不同粒徑ATZ(納米氧化鋁增強(qiáng)的氧化鋯)對(duì)A356鋁體積磨損量及摩擦系數(shù)的影響（圖片來(lái)源：不同粒徑ATZ顆粒對(duì)ATZ/A356復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響）

圖2是廣東省工業(yè)技術(shù)研究院研究人員對(duì)顆粒增強(qiáng)鋁合金摩擦機(jī)理的研究成果。結(jié)果表明，隨著陶瓷粒徑的減小，復(fù)合材料磨損時(shí)的體積損失量先增大后減小，但是在2-50um時(shí)有對(duì)材料耐磨性提升非常顯著，并且低粒徑時(shí)材料的摩擦系數(shù)明顯降低。因此，高耐磨性+低摩擦系數(shù)的ATZ/A356材料非常適合作為活塞-缸套等耐磨系統(tǒng)。

除了陶瓷顆粒尺寸問(wèn)題以外，另一個(gè)問(wèn)題就是陶瓷和金屬基體的混合及其制備工藝上。國(guó)際上傳統(tǒng)方法是把制成顆粒之后的陶瓷，用攪拌鑄造或粉末冶金方法混入金屬基體中。物理方法從外往內(nèi)朝金屬基體里摻陶瓷的方法雖然提高了材料的強(qiáng)度和剛度，但塑性韌性會(huì)有一個(gè)明顯的下降。

陶瓷顆粒和金屬基體的有效結(jié)合一直是國(guó)際性難題。面對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)封鎖，上海交通大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研究出一個(gè)非常巧妙的方法，其制備出的陶瓷顆粒能直接達(dá)到納米級(jí)別，因而可以深度融入金屬基體材料中。目前制備的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁合金已經(jīng)成功應(yīng)用于天宮一號(hào)、天宮二號(hào)、風(fēng)云四號(hào)上。

圖3 天宮二號(hào)是我國(guó)第一個(gè)真正的空間實(shí)驗(yàn)室

據(jù)了解，上海交通大學(xué)王浩偉團(tuán)隊(duì)避開(kāi)了國(guó)際上傳統(tǒng)的粉末冶金等方法，而是采用了利用化學(xué)反應(yīng)，往金屬基體中加入反應(yīng)原料，使金屬基體中“生長(zhǎng)”出陶瓷，這種方法被稱為“原位自生”法。通過(guò)原位自生法，可將陶瓷顆粒尺寸由外加的幾十微米立馬降到納米級(jí)，突破了外加陶瓷鋁基復(fù)合材料塑性低、加工難等應(yīng)用瓶頸。

圖4 上海交大王浩偉教授展示納米陶瓷鋁合金材料模件

小小陶瓷顆粒，在科學(xué)家的巧奪天工下竟有如此大的用途。目前，陶瓷顆粒的用途仍在不斷被挖掘。例如在氣象衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)上，這種框架結(jié)構(gòu)除了需要質(zhì)量輕（因?yàn)橐咸欤┩猓€需要不容易發(fā)生彈性變形。陶瓷材料彈塑性變形極小的特點(diǎn)（彈塑性變形小，韌性就不好，易于脆裂）反而成為其巨大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵陔x開(kāi)地球幾百公里的軌道上，其光學(xué)系統(tǒng)要探測(cè)地球上的目標(biāo)，用于固定“鏡頭”的框架結(jié)構(gòu)哪怕發(fā)生了極微小的變形，都可能“失之毫厘，謬之千里”了。國(guó)內(nèi)，風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星已經(jīng)采用了納米陶瓷增強(qiáng)的鋁合金框架結(jié)構(gòu)，其圖象定位精度能夠達(dá)到1像元。

小顆粒，大本領(lǐng)。未來(lái)，陶瓷顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料還將有巨大前景，至于其還能在哪些領(lǐng)域大展宏圖，這非常值得期待。

參考文獻(xiàn)

不同類型顆粒混合增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的磨損性能；東北大學(xué)，曹新建，金劍鋒，曹敬祎，宗亞平。

不同粒徑ATZ顆粒對(duì)ATZ/A356復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響；廣東省工業(yè)技術(shù)研究院材料加工研究所，王娟，鄭開(kāi)宏，譚俊。

SiCp/2024Al復(fù)合材料的精密車削工藝與刀具磨損研究；哈爾濱工業(yè)大學(xué)，劉漢中。

By：火宣