金属基复合材料篇1

【关键词】陶瓷；刀具；赛阿龙；立方氮化硼

0引言

随着工业水平的提升，科学技术的不断发展，随着数控机床的迅速升级，出现了各种各样传统的硬质合金刀具难以加工的高硬度、高强度、耐磨、耐高温等特性的具有高难度的新型加工材料。而陶瓷刀具作为新型的切削刀具材料，由于其不但拥有良好的高速切削性能，还能进行干切削，满足了实际的生产需求，使得陶瓷刀具在切削加工中起到了越来越重要的作用。陶瓷刀具的大量应用也印证了新技术的不断进步。

1氧化铝基陶瓷

氧化铝基陶瓷是目前市面上应用最广的陶瓷刀具材料。该系列刀具以氧化铝为主体，通过添加的成分不同可分为纯氧化铝陶瓷、氧化铝-碳化物系陶瓷、氧化铝-金属系陶瓷和氧化铝-碳化物-金属系陶瓷。其中的纯氧化铝陶瓷由于性能较差，切削时易崩刃，已逐渐被其他氧化铝复合陶瓷取代。氧化铝-碳化物系陶瓷是一种发展速度快、使用性能好的陶瓷刀具材料，具有相当高的硬度和抗弯强度，而氧化铝-金属系陶瓷由于其抗氧化性差所以极少被采用。氧化铝基陶瓷具有良好的耐高温性和耐磨性，在高温下仍可保持稳定的化学性能，具有良好的抗粘结能力，工件表面粗糙度低。但是由于氧化铝基陶瓷中含有大量铝元素，使其与金属铝有较强的亲和力，在加工铝合金工件时会出现较大的磨损，故氧化铝基陶瓷刀具不适合加工切削铝合金工件。[1]

2氮化硅基陶瓷

氮化硅基陶瓷刀具是从20世纪80年展起来的非氧化物工程陶瓷刀具材料。它是以高纯度的氮化硅为原料，添加MgO、AL2O3，Y2O3等为助烧结剂，通过热压成型烧结而成。具有较高的强度和抗弯强度、良好的耐磨性、耐热性、化学稳定性和耐热冲击性，相对于以往陶瓷刀具要搞的疲劳强度，以及良好的断裂韧性。在许多方面其性能都超过了氧化铝陶瓷，但是在切削钢材方面不如氧化铝陶瓷效果好，因此不适合加工钢材。现阶段应用较为广泛的氮化硅基陶瓷种类有单一氮化硅陶瓷及氮化硅复合陶瓷。[1，4]

3复合氮化硅―氧化铝陶瓷

Si3N4-Al2O3-Y2O3复合陶瓷叫赛阿龙（Sialon）。最初由英国研制成功，是将氧化铝和氮化硅热压烧结产生的固溶体。相比于氮化硅陶瓷，具有更好的耐热性、耐磨性、化学稳定性、抗蠕变能力、抗塑性变形和抗氧化性。赛阿龙陶瓷刀具适合进行高速切削、强力切削、断续切削，而且不仅适合于干切削，也适合于湿切削。赛阿龙陶瓷是加工铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的理想道具。因为与钢的化学亲和力大，赛阿龙陶瓷刀具不适合加工钢材。目前国际上对于该陶瓷刀具的研究非常活跃，在各个方面的研制都取得了良好的成果。[2-5]

4钛基金属陶瓷

钛基金属陶瓷是陶瓷和金属的复合材料。作为以TiC为主要成分的合金，拥有和陶瓷相近的硬度和耐热性，但有着比陶瓷更高的抗弯强度和断裂韧性，而且化学稳定性好，具有良好的抗氧化性及抗月牙洼磨损和抗粘结能力。其中的80%是作为硬质相的金属碳化物，其余为作为粘结剂的铁、钴、镍等金属相。主要应用于数控领域中，其可加工范围覆盖了大部分的种类的铸铁、金属和非金属材料，以及各种钢材和耐热合金等。为了配合生产可以制作成各种机类可转位刀具或各种尺寸较小的整体复杂刀具使用。现在有着巨大潜力的钛基金属陶瓷，在将来也是数控领域中重要的刀具品种。[6]

5氧化锆基陶瓷

选择二氧化锆作为提高陶瓷性能的原因是二氧化锆具有耐热，耐磨，耐高温，耐腐蚀，稳定性高，导电性好，热膨胀系数大等特点。氧化锆基陶瓷种类繁多，这是由于氧化锆具有多种相态，而以不同的形态存在时具有不同的性能造成的。目前应用最多有四方氧化锆多晶体（TZP）、部分稳定氧化锆（PSZ）、以TZP或PSZ为基体的增韧陶瓷和以氧化锆为分散相的复相陶瓷。这些不同种类的氧化锆基陶瓷因为其各异的优良性能在相应的场合有着广泛的应用。而氧化锆基陶瓷的优异性能使得其成为应用面最广的氧化物陶瓷之一。[7，9-10]

6纳米陶瓷刀具

纳米复合材料陶瓷是以陶瓷为基体把纳米颗粒、纳米晶须及纤维扩散到其中来起到强化的作用，强化后的纳米复合材料它力学性能、蠕变强度、抗弯强度、断裂韧性和耐高温性能都得到了显著的提高。在切削性能方面纳米复合陶瓷刀具的耐磨性和切削速度显著增强。目前使用纳米技术制备的陶瓷刀具有：纳米复合陶瓷刀具材料和纳米涂层陶瓷刀具材料。其中纳米涂层陶瓷刀具的涂层方法可以采用多种材料的不同组合来满足不同的功能和性能的需求[11]。

7涂层金属陶瓷刀具

涂层金属陶瓷刀具的涂层分为硬涂层和软涂层，目前硬涂层包括TiN、TiC、Ti（CN）、TiALN、CrN等一系列金属氮化物。其中TiN的应用最广泛。硬涂层是提高刀具的硬度和耐磨性。并且在一般情况下可进行多层复合涂层。软涂层主要以MoS为基的涂层。其作用是降低摩擦系数，且软硬涂层还能复合使用。涂层刀具的出现，使刀具的切削性能得到了很大的增强。应用领域不断扩大，特别应用于数控加工领域。目前涂层金属陶瓷刀具发展迅速，在陶瓷涂层的研究中，为了得到较厚的涂层，现在工业的一般做法是按照涂层的组分按一定的比例梯度配比进行涂层，来消除金属和陶瓷因为膨胀系数的不同而产生的应力，这样既能加厚了涂层还能保证涂层与金属的紧密结合以保证使用的可靠和稳定性。目前这类陶瓷也有了成果如山东大学机械工程学院已开发成功了陶瓷一硬质合金复合刀片FH-1和FH-2以及复相梯度陶瓷刀具材料FG-1、FG-2等[7]。

8有机改性陶瓷

有机改性陶瓷又称为聚合陶瓷或有机改性硅酸盐是由无机盐和聚合物以分子和原子为基础聚合而形成的复合材料，它也是以纳米为基础的。它的特点是：复合尺度达到纳米水平，复合材料之间是以化学键相结合的，所以它的性能比起以往的陶瓷刀具可以说是又进了一个台阶。并且制备有机改性陶瓷的温度适中，最终产物的均匀融合度好，性能优良，已普遍得到人们的重视，不过要想得到更加优良的性能开发其潜在的用途还有待于进一步研究[7]。

9增韧陶瓷刀具

9.1相变增韧陶瓷

自Garvie首先研制成功高韧性的氧化锆陶瓷，并提出相变增韧理论，经过了这么多年的精心研究，在相变增韧方面也取得了不少成果，如Mg（Ca或Y）PSZ，Y（Ce）TZP，ZTA，TTZ，ZTM，ZDC等。其中TZP和PSZ陶瓷属于高温结构陶瓷；相变增韧氧化锆系（TTZ）陶瓷属于耐磨陶瓷；而氧化锆弥散陶瓷（ZDC）是现在技术中比较经济适用的增韧方法。其增韧机理是通过控制烧结工艺使其内部微观组织产生增韧相以实现增韧的作用[8]。

9.2纤维（晶须）增强陶瓷

陶瓷基体中含有一定长度的晶须以及类晶须状的不连续弹性增韧相时，断裂过程中纤维的拔出、桥联使裂纹扩展的耗散能量增加，从而提高了陶瓷的抗冲击韧性。经研究表明用两种或两种以上的增韧补强机理对陶瓷的协同作用有很大的研究价值，这使人们对多组份陶瓷的组成工艺和结构性能的关系有了研究兴趣。据了解SiCw是最普遍的增韧体。目前研究的材料有：SiC/ZrO2，J、SiC。/A12O3、SiCw/Si3N4等用以增强MoSi2，Al2O3，ZrO2，Si3N4，以及玻璃及微晶玻璃等[8]。

9.3颗粒弥散强化陶瓷

颗粒弥散复合陶瓷即用第二相颗粒的加入来使材料在外力作用下产生塑性变形时阻碍位错的滑移或产生蠕变去缓解应力集中，来达到增韧的效果，并且因二相粒子的种类数量、含量多少、分布情况、结晶形状及尺寸大小的不同，对基体材料的增强韧化程度和机理也不相同。目前研究的颗粒弥散陶瓷材料有SiC弥散Al2O3，TiC/Ni复合材料，Al2O3-TiC陶瓷，B4C复合Al2O3基陶瓷，TiB2/Al2O3等[7]。

9.4协同增韧陶瓷

协同增韧陶瓷是通过多种增韧机制的共同作用所引起的协同效应来设计复相陶瓷。研究结果表明：各种增韧机理之间是可以相互作用的，但是不是每种增韧机理的叠加都会产生协同效果，而且协同增韧的效果也不是几种增韧效果的简单相加。

10立方氮化硼[12]

立方氮化硼（cBN）是一种人工合成的超硬材料，其硬度仅次于金刚石，具有很高的热稳定性，PcBN刀具在1000℃以下不会出现氧化现象，化学稳定性好，导热性好，摩擦系数低。在现代机械加工行业得到了广泛的应用。由于PcBN加工的对象种类繁多，因此刀具材料的选择尤为重要。根据体系中是否加入结合剂，可以分为有结合剂的PcBN，表面镀覆PcBN和纯PcBN。

（1）有结合剂的PcBN

目前PcBN的结合剂有两种类型。第一种，是由金属及其合金组成的结合剂。这种结合剂对增强PcBN的韧性有良好的作用，缺点是在高温条件下这种结合剂会软化，耐磨性降低。第二种，是陶瓷与金属合金组成的结合剂。这种结合剂解决了高温条件下软化的问题，可是抗冲击性变差了，寿命变了短。目前来看，有结合剂的PcBN正朝着高断裂韧性、高耐磨性方向发展。

（2）表面镀覆PcBN

表面镀覆PcBN是指在PcBN的表面，镀覆陶瓷镀层，如TiN，TiC，Tiw等。实验结果表明，镀层能够提高PcBN刀具的切割性能。

（3）纯PcBN

由于有结合剂的PcBN中存在非cBN的组分，降低了硬度和强度，因此就有了纯PcBN的发展，但是纯的PcBN又有一些新的问题，如韧性不足等。

11结束语

新型陶瓷刀具材料优势明显，发展空间非常巨大。通过对陶瓷刀具的材料、组分、制备工艺、增强机理、材料设计等方面的研究，可以在保持高硬度、高耐磨性的基础上，提高刀具材料的韧性和抗冲击性能，制备出符合现代切削技术要求的材料。陶瓷刀具的研究和发展是一个比较热门的话题，而陶瓷刀具的不断发展和应用必当给机械加工业带来一场新的变革，随着性能更加优良的陶瓷刀具的不断开发和应用，我国的机械制造业定会掀起一场非凡的革命。

【参考文献】

[1]闫石，陈爽，张葆青.陶瓷刀具的应用与发展[J].制造技术与机床，2011，7，53-55.

[2]张慧.新型陶瓷刀具材料及其发展前景[J].机械研究与应用，2006，19，2，1-2，5.

[3]于启勋.现代刀具材料系列讲座（八）新型刀具材料――陶瓷[J].机械工程师，2001，8，67-80.

[4]郭春丽.陶瓷材料在机械工程中的应用[J].陶瓷，2005，12，45-47.

[5]于启勋，朱正芳.刀具材料的历史、进展与展望[J].机械工程学报，2003，39，12，62-66.

[6]孙和.陶瓷刀具研究及应用分析[J].中国科技信息，2012，4：105.

[7]黄传真，孙静，刘大志，刘含莲，邹斌.陶瓷刀具材料的研究现状[J].组合机床与自动化加工技术，2004，10.

[8]徐利华，丁子上，黄勇.高组元陶瓷复合材料的研究与开发[J].硅酸盐通报，1996，6，42.

[9]欧阳胜林.黑色氧化锆陶瓷刀的研制[J].现代技术陶瓷，2008，4：10-12.

[10]余鑫萌，徐宝奎，袁发得.二氧化锆的稳定化及其应用[J].稀有金属快报，2007，26，1：28-32.

金属基复合材料篇2

【关键词】不锈钢/碳钢复合板；爆炸复合；热轧复合；冷轧复合；粘接复合；扩散退火

MANUFACTURINGTECHNIQUEOFSTAINLESS

STEEL/CARBONSTEELLAMINATEDCOMPOSITEPLATES

HUANGWEI

（BeijingMetallurgicalEquipmentResearch&DesignInstituteBeijing100711）

ABSTRACT：ThefourmaintypesmanufacturingtechniqueareIntroducedofstainlesssteel/carbonsteellaminatedcompositeplates：explosivecomposite，compoundhotrolling，coldrollingcomposite，adhesivecomposite.Theirrespectivecharacteristicsareanalysed，aswellastheirmarketadaptability.Whichishelpfulforengineeringandtechnicalpersonneltochoosedifferentkindsofstainlesssteel/carbonsteelcompositematerialtoachieveprojectaims.

1、基本概念

复合材料是一个极其庞大的产品“家族”体系，本文讨论的仅为其中一个小小的分支。为了便于理解，将本分支有关的“家谱”作一简单介绍。

1.1复合材料[1]

复合材料（Compositematerials），是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：（1）纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。（2）夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材（基材）组合而成。通常面材强度高、薄，且价格高；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度，成本相对低。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。（3）细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。（4）混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。

1.2复合板

复合板是夹层复合材料的俗称。除了上面讲到的分为实心夹层和蜂窝夹层两种以外，按复合面的形状，还可以分为层状结构复合板和镶嵌结构复合板。前者，两种材料的结合面呈平面状态，后者两种材料的结合面从横断面看呈各种折线形状（参见图1，图2，图3）。

复合板一般分为金属复合板，金属与非金属复合板，非金属复合板。

1.3金属层状结构复合板

金属层状结构复合板是指在一层金属板上覆以另外一种金属板，以达到在不降低使用效果（防腐性能、机械强度等）的前提下节约资源、降低成本的效果。

根据基材和面材的品种不同，常见的金属层状结构复合板有铜/钢复合，铝/钢复合，钢/钢复合（不同材质的钢材），铜/铝复合等。还有钼/钛、纯银/银合金等贵金属复合板。

1.4不锈钢/碳钢层状结构复合板

不锈钢/碳钢层状结构复合板（以下简称“不锈钢复合板”）是一种以碳钢为基材，不锈钢为敷面的复合板材。常用的基材有08AL，Q315，Q345，45#，锅炉板等，面板有SS304，SS316，00Cr22Ni5Mo3N，1Cr13等。面板厚度占总厚度的比例为10～30%。

不锈钢复合板工业化生产工艺有4种：（1）爆炸复合，（2）热轧复合，（3）冷轧复合，（4）粘接复合。

2、爆炸复合

爆炸复合是爆炸焊接技术在复合板生产中的应用。爆炸焊接是指利用炸药爆炸的能量驱动，把不同金属部件焊接起来的技术。

爆炸复合的基本原理，是利用炸药爆炸产生的超强瞬时力使金属之间发生倾斜碰撞，在碰撞面附近形成几十万个大气压和有效用的热效应，接触面被产生的射流自动清洗的同时，表面质点间有效作用，接触面的温升不超过熔点，形成以波状界面为特征的冶金结合。而且，复合后的板材其各层的化学成分、力学性能、防腐耐蚀性、可焊性能和可加工性能均未改变。

爆炸复合的主要工艺过程：

（1）材料准备。基材需要打磨表面，除去氧化皮和污垢；面板需要矫平和清洁表面。

（2）爆炸作业。分为3个主要步骤：铺板、布炸药、引爆。铺板根据面积大小，可以直接叠放或两板内表面呈一夹角放置。

（3）复合后整理。复合后首先退火，然后对复合板进行矫平，最后超声波检测结合层质量，对产品定级。

图4给出了爆炸复合的工艺流程框图

爆炸复合的特点：爆炸所产生的高温，使接触表面的金属融化，并互相扩散使难复合金属能够结合到一起；易于实现多层复合，复合界面呈波纹状，结合强度高；适合于小批量多品种生产，不适于大批量生产。不锈钢复合层厚度不均，产品精度差；受组配设备和加工设备的限制，其产品尺寸范围小；爆炸烟尘和响声使周围环境恶化。

3、热轧复合

热轧复合是将基材与面材叠在一起，经高温高压轧制，实现两种材料接触面的冶金结合。

热轧复合的基本原理：金属塑性成形时在变形性质上十分类似于粘滞流体，两种金属间接触表面在剪切变形力的作用下趋向于流体特性。一旦有新生金属表面出现，它们便产生粘着摩擦行为，利用接触表面间金属的固着，以固着点为基础（或核心），在高温激活条件下形成较为稳定的热扩散，从而形成良好的复合[2]。

热轧复合的典型工艺过程：

（1）组坯。将表面洁净的两块不锈钢板（面材）叠放在表面经打磨的两块碳钢钢坯中间，两块不锈钢板之间涂有防粘结的材料（隔离剂）。将钢坯四周用钢带密封焊接，抽真空，形成两组复合板坯（参见图5）

（2）复合轧制。按碳钢热轧工艺对复合板组坯进行轧制，达到所需厚度。

（3）分卷（或分板）。将两组复合板分离。

（4）精整。经过退火、矫直、切边等精整工序，使复合板满货条件。

图6给出了热轧复合的工艺流程框图

热轧复合的特点：利用现有热轧设备，实现大规模工业化生产；相比冷轧复合，结合强度高；相比爆炸复合，产品尺寸精度高。组坯时实现表面洁净度要求难度大，真空度要求高，有可能出现单个不结合区超标的现象。

4、冷轧复合

冷轧复合又称为固相复合（SolidPhaseBonding），俗称“冷焊”，是利用较大的轧制压力。使两种以上的不同成分的材料的结合面接近到原子间的距离，形成大量的结合点，经扩散热处理（烧结）形成整个接触面的金属键结合。这是一种在结合面上下不出现液相的结合方法。

冷轧复合工艺过程：

（1）材料准备。不锈钢冷轧复合的材料一般是成卷状态的基板和面板。材料准备分为开卷、表面清洁、合带3个连贯的步骤。

（2）复合轧制。采用一次性60%以上的压下量对合带进行超强度、大压下量轧制。

（3）扩散退火。对复合板进行连续退火。

（4）精整。通过平整或拉矫改善板形、通过裁剪满足供货需要。

图7给出了冷轧复合的工艺流程框图

冷轧复合的主要优点是：在结合面上几乎没有中间合金化层；总厚度和厚度比均匀，尺寸精度高，性能稳定；对熔点或屈服极限相差很大的不同材料也可以实现固相结合；结合可以连续进行，大大地提高生产效率，降低成本。

5、粘接复合和其他复合工艺

粘接复合是将基板和面板用粘接剂结合起来。其工艺过程是：（1）板面清洁，（2）结合面刷涂粘结剂，（3）加温压实。

粘接复合的特点是：工艺简单，材料表面保持原有光亮度，产品平整度好。但不能实施大角度折弯、不能焊接；不能用于高温或温差大的场合。

其他不锈钢/碳钢复合工艺还有铸造轧制法[3]，逆向凝固法[4～7]等。目前尚在实验室研究阶段，无工业化生产产品上市。

6、不同工艺过程形成的不锈钢/碳钢复合板的工程应用

粘接复合板只能用于室内装饰。

爆炸、热轧、冷轧三种复合板具有良好的折弯、焊接性能，可以运用于绝大多数纯不锈钢板工程运用的场合。由于三种工艺复合的机理有差异，一般而言，爆炸复合适合于生产厚板，产品用于高压高温容器，如核反应堆的壳体、化工行业的反应釜等。热轧复合适合于生产中板，产品适应中低压容器和壁厚较大的常压设备，如烟气脱硫装置、中低压反应釜、工业罐槽等；冷轧复合板适合于生产高精度的薄板，用于常压容器和装饰面板，如电梯轿厢、机场行李输送带、食品机械、医药机械、日用橱柜等。冷轧复合板还具有良好的深冲性能，可以用来生产日用器皿，如水壶、炒锅等。这类器皿可以在电磁炉上使用（纯不锈钢制品没有这个功能）。

不锈钢/碳钢复合板目前在建筑领域的应用主要是门窗。随着不锈钢/碳钢复合板的生产能力的提高，成本会进一步下降，其在建筑主结构用钢上的应用也是指日可待。

参考文献

[1]依据百度百科《复合材料》词条摘编.

[2]吴成.《Q235/304不锈钢复合热轧板有限元模拟研究》

[3]刘耀辉，刘海峰，于思荣.液固结合双金属复合材料界面研究[J].机械工程学报2000（7）

[4]张健，张立君，王万君.反向凝固钢法生产复合奥氏体不锈钢薄带的研究，2000（05）

[5]赵红亮，齐克敏，高德福，温景林，张健，许中波，王新华.反向凝固复合不锈钢带的轧制工艺及界面结合[期刊论文]-钢铁研究学报2000（1）

金属基复合材料篇3

关键词：TiAl3；原位合成；强韧化

0引言

TiAl3金属间化合物具有低密度、高熔点、高比强度以及高温抗氧化性能优异等特点，被认为是一种很有发展前景的轻质高温结构材料，在航空航天等领域有重要的应用价值[1～3]。但是TiAl3金属间化合物作为一种线性化合物，其室温塑性太低、高温蠕变性能较差，这些都严重制约了其工业应用。通过复合强韧化设计制备出的TiAl3金属间化合物基复合材料，能够改善基体的塑韧性，同时提高材料的高温蠕变性能[4]。本研究采用原位反应热压工艺，分别制备出Al2O3和Al2O3+Ti3AlC2增强的TiAl3基复合材料，并与原位反应制备的TiAl3金属间化合物进行对比研究，分析了材料的强韧化机制，为TiAl3基材料的工程应用提供一定的支持。

1试验

试验选用Al粉、Ti粉、TiO2粉和TiC粉作为原材料。根据公式（1）-（3）按摩尔计量比配制粉末。将混合粉末湿磨50h后过筛、烘干。然后在真空热压炉中进行烧结成型，采用石墨模具，烧结压力为50MPa。采用三点抗弯实验测试不同材料的断裂韧性和抗弯强度，试样数量为3-5个，取测试结果的平均值。

2结果与讨论

表1给出了三种不同材料的断裂韧性和三点弯曲强度的对比。从表中可以看出，原位反应热压制备的TiAl3金属间化合物的抗弯强度为188.2MPa，这比文献[5]报道的提高了约16.2%，但是材料的断裂韧性却相当。这一方面是因为采用原位反应热压工艺制备出的TiAl3材料成分均匀，能够满足TiAl3作为线性化合物的成分需求，因而晶间存在的残余Al很少；另一方面，由于存在瞬间的液相及加压致密过程，极大地弥补了材料原位反应过程产生的体积收缩，因而利用反应热压制备的TiAl3材料组织更为致密细小。因此，原位反应热压制备的TiAl3材料其强度得到了一定的提高，但是并不能改变其本征脆性。

采用复合强韧化设计能够兼顾材料的强度和断裂韧性。如附表所示，通过引入增强相，TiAl3基复合材料的三点抗弯强度和断裂韧性相对TiAl3基体都有了大幅度的提高。单相Al2O3增强的复合材料，其断裂韧性提高了126%，三点抗弯强度提高了174%。在此基础上，再引入Ti3AlC2相则能够获得协同复合强韧化效果：相对于Al2O3单相增强的TiAl3基复合材料，其断裂韧性提高了51.9%，三点弯曲强度提高了27.8%。

附图给出了TiAl3及其复合材料的断口形貌。从附图（a）中可以看出，TiAl3金属间化合物的断口存在大量光滑平面及少量的解理台阶，表明其产生了明显的沿晶脆性断裂，同时存在少量的穿晶断裂。此外，在晶界边缘存在极少量的残余Al，这主要是由于部分区域偏离化合物的线性成分所致。从附图（b）和（c）可以看出，除了存在较多的沿晶脆断平面外，还存在很多Al2O3颗粒剥离所产生的孔洞，这就吸收了部分断裂能量，提高了材料的强度和断裂韧性。增强相的引入还极大地细化了材料的晶粒，从而起到强韧化的效果。进一步引入Ti3AlC2相后，在断口上除了观察到Al2O3颗粒的剥离现象，还能观察到Ti3AlC2相的扭折、层裂等准塑性变形。从附图（d）的裂纹扩展形貌可以看出，裂纹在穿越Ti3AlC2颗粒时发生了明显的偏转，裂纹尾迹区内存在未开裂的Ti3AlC2颗粒，这说明在断裂过程中Ti3AlC2颗粒能够实现裂纹的偏转及桥接，进而吸收裂纹扩展能量，实现复合材料的进一步强韧化。

3结论

（1）原位反应热压能够获得均匀致密的TiAl3基复合材料，其强度和断裂韧性相对TiAl3基体有大幅提高。

（2）Al2O3+Ti3AlC2两相协同增强效果显著，能够进一步提高TiAl3基复合材料的力学性能。

参考文献：

[1]惠林海，耿浩然，王守仁，等.Al3Ti金属间化合物的研究进展[J].机械工程材料，2007，31（9）：1-6.

[2]张津徐，傅云义，孙坚，等.复相Al3Ti基合金的高温强化[J].材料工程，2000，11：26-31.

[3]张永刚，韩雅芳，陈国良，等.金属间化合物结构材料[M].北京，国防工业出版社，2001.

[4]姜国庆，武高辉，刘艳梅.连续纤维增强钛铝金属间化合物基复合材料的研究进展[J].材料导报，2008，S1：404-408.

金属基复合材料篇4

关键词：复合材料；机械加工；切割

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.09.022

1引言

复合材料指的是将两种或两种以上的物质经过人工合成过程组成某种具有不同的性能与特征的多相固体材料。在现代工程中，常见的复合材料包括金属复合材料、陶瓷复合材料和树脂复合材料等。由于复合材料普遍具有重量轻、韧性好、耐热性好等优点，因而在航空航天、纺织机械、体育器材、化工设备、建筑工程、船舶重工等重要行业中有着广泛的应用。

在初步成型复合材料之后，大多数情况下要根据实际情况和预计应用目标对其进行进一步的机械加工。在复合材料制品成型前，机械加工是最后一道生产工序，必须得到足够的重视，才能保证复合材料制品的生产质量与工艺合格。常见的复合材料机械加工方法包括常规和非常规两种。根据复合材料的性能的差异，对其机械加工方法进行具体的制定与设计。总的来说，常规方法由于操作简便，有着十分广泛的应用。但是由于其加工精度普遍不高，并且刀具的磨损速度快，不足以加工形状复杂的工件，并且加工过程中会产生大量的粉尘与废料，污染环境的同时，还威胁人体健康。相比之下，非常规方法操作较为复杂，但这种方法能加工形状复杂的工件，且可控性强，对道具的磨损也没那么严重，具有常规方法不可比拟的优势，是复合材料机械加工领域未来发展的主要方向。

2复合材料的常规机械加工技术

2.1锯切

对于玻璃纤维增强热固性基体层压板，通常采用手锯或者圆锯进行切割。热塑性树脂基复合材料也是采用手锯或者圆锯切割，但操作时须要加冷却剂。而石墨复合材料就要采用具有硬质合金的刀具切割。碳纤维增强型复合材料一般采用金刚砂刀具切割效果较好。金属基复合材料可以用金刚石线锯切割，但只能沿直线方向进行，且速度较慢。

2.2铣削、切割、车削和磨削

目前来说，碳纤维增强型复合材料的磨削加工的相关研究还比较少，现有的工作主要集中在对不同的砂轮磨削性能的对比上，磨削技术在碳纤维复合型材料中的应用还有待研究。复合材料层合板可以在标准机床上进行铣削加工。铣削刃一般都非常锋利，常见的有黄铜铣刀、碳化钨铣刀、高速钢铣刀、和金刚石铣刀等。金属基复合材料一般用铣削、切割、车削和磨削均可。

2.3钻孔和仿形铣

在需要对复合材料进行钻孔和仿型铣时，热固性材料可能会发生收缩，因此，在进行操作时需要注意控制好余量，另外要保证钻头锋利，能够使得工件升温较小，且钻屑快速去除，以免影响加工进行。因为同样的原因，要保证钻头具有特定的螺旋角和退屑槽，并且采用合适的钻速，使得孔较为光滑，具有比较好的加工效果。

2.4其他常规机械加工方法

部分秃喜牧希如热固性聚合物基层合板也可用其他特殊加工设备（切齿机、自动螺纹切割机、铰孔机、剃齿机、冲孔机和冲床等）进行加工。另外，这种材料的机械加工还包括剪切、冲切、热割、冲孔、铰孔、抛光、滚光、去毛刺等。其中，冲孔和剪切在标准的金属加工设备上进行，可以加工热的或冷的工件。不过这些方法需要注意工作的温度，必要时可对材料适当加热。

3复合材料的非常规机械加工技术

3.1高压水切割和高压水磨砂切割

高压水切割加工技术的原理是高压水在经小孔喷嘴后高速射向材料，将动能转变为对材料的压力，使材料产生应力发生断裂，实现材料的切割。该方法由于加工出来的切口质量好，工件的结构完整性也强于常规的机械切割，而且没有切屑或者粉末飞扬，对环境与人体健康没有危害，展现出了其特有的优势。目前，这种技术已广泛应用在航天和其他很多工业领域中。可用于切割大量非金属基和金属基复合材料。高压水磨砂切割是高压水流中混有磨砂粒子，与高压水切割原理相同，主要用于切割陶瓷材料以及金属基复合材料。

3.2电子束加工（EBM）和超声波加工（USM）

由高速聚集的高能电子束轰击工件表面，产生局部高热，从而使材料汽化和挥发，完成材料的切割。此过程一般在真空中进行。这种方法属微量切削加工，加工精度很高。金属基复合材料可以用多种能量的电子束进行切割加工。而超声波机械加工适用于对材质硬而脆的材料，例如宝石、陶瓷等材料上开槽和打孔。

3.3电火花加工（EDM）

如果在被介电材料隔开的工件与电极之间加上电压，电压达到一定程度会击穿电介质，产生电火花，此时，局部温度急剧升高，可达1200℃，可以熔融或汽化材料，形成一个材料表面的小火口。该方法适用于金属基复合材料和一些具有良好导电性能的复合材料的加工。但是EDM存在的主要弊端是工具磨损快，增加了加工成本。

3.4激光束加工

激光加工基于激光相当于强的热源，能使材料局部发生汽化，产生一个极小的高热区，可用于切割各种材料。激光束切割的特点在于实际切缝小、切割速度快、局域能量高，能节省很多原材，并能切割出各种复杂形状。切割复合材料，目前工业上常用的两种激光器是掺钦忆铝石榴石激光器和二氧化碳激光器。

3.5电化学加工（ECM）

简单的说，电化学加工是用电解质溶解工件上的电化学反应的产物。电解质常用能与工件起化学反应的液体，如NaCl水溶液、NaNO3溶液等。在ECM过程中，工具和工件之间加有一个电场，工具是阴极，工件是阳极。阳极工件所使用的材料随着加压逐渐溶解并转移到阴极，实际相当于电镀的逆过程。由于常规ECM中，电极和工件互相是不接触的，所以加工过程不会对工件造成损伤。

4结束语

对复合材料的机械加工来说，传统的常规方法工艺上相对来说也较成熟，可是难以加工具有复杂形状的工件。而非常规的特种加工手段，加工的质量高、形状复杂、经济效益高，相比常规机械加工方法具有不可比拟的优点。在机械加工领域，我们要重视加工技术的改进与扩展，并鼓励这方面的开发和研究工作。

参考文献：

金属基复合材料篇5

关键词：生物医学材料；口腔临床；临床应用

1.前言

口腔生物医学材料具有比较广泛的应用范围，不只是在因先天或后天原因导致牙体组织和颌面器官缺损的修复方面进行应用，还可能在鉴别诊断口腔疾病方面具有辅助作用。生物医学材料可实现对缺损组织与器官的修复和置换，恢复组织或器官的正常功能。随着迅猛发展的科技水平，口腔生物医学材料的制作方法也具有明显的改进，日益推出复合型与功能型形式各样的生物医学材料，并日益优化其性能。

2.资料与方法

通过对生物医学和生命科学有关文献的数据库的检索，并进行较深入地分析。结合临床口腔生物医学材料应用的特点，比较分析有关数据。口腔生物医学材料基础性研究、临床应用的生物医学材料等相关文献都是重要依据，并将与目的无关的研究结果予以排除。

3.结果

按照材质类别可将口腔生物医学材料分为金属、高分子及非金属生物复合材料三类。金属类材料在临床口腔生物材料中是最早应用的一类材料，这类材料优点是具有较高强度、较强韧性、获取容易等，在临床中应用广泛。还可结合其成分将金属类材料分为纯金属、合金及特种金属三种，在临床中纯金属类材料应用不多，应用较多的主要是合金和特种金属。合金类金属材料由不少于两种金属元素组成，尽管其延展与抗压等物理性能低于纯金属材料，但在应用中生物安全性较高，所以在临床中具有比较广泛的应用。钴基合金材料目前广泛应用的合金类材料，主要有钴铬钨镍和钴铬钼合金两类，具有抗腐蚀性较强的性能，高于单一金属材料40倍。但在加工制作过程中比较烦琐，所以相对具有比较昂贵的价格。此外，机械性能也比纯金属类材料高，通常在替换颞下颌关节与颌面部内固定大面积骨折中应用较多。钛合金与上述金属合金材料相比较，具有较高的机械性能和相容性，在人体植入后不会产生排斥反应和毒副作用，生物相容性较好。通常在种植牙基桩制作、固定骨折及骨缺损替代植入性材料中比较常用。但在使用中金属材料也具有不足之处，诸如在使用中因人体具有比较复杂的内部环境，因人体内长期存在金属材料部会造成离子向体内微渗入，进而产生较大的副作用和毒性。

在现代口腔生物医学材料中非金属生物复合材料也是其中的重要组成部分，主要有以下三种。一是生物活性陶瓷，该材料是表面具有生物活性和吸附性的一N陶瓷，通常具有羟基，为多孔形，具有较高的孔隙率。在体内生物活性陶瓷能够降解吸收，通常在生物体内用于骨诱导材料对新生骨生长具有一定的诱导作用。在实际应用中骨传导性与诱导性良好，所以通常该材料可用于修复骨缺损的一种支架材料，在支架的周围利用填充材料的良好生物学活性充填覆盖，以实现对缺损的修复作用，并使材料增加生物相容性。二是惰性生物陶瓷材料，其主要成分是氧化铝和氧化锆，硬度高，生物相容性好，所以通常在内固定骨折中应用较多，在制作口腔全瓷牙内冠中也比较常用。三是复合树脂，主要混合有机树脂基质和无机填料形成，在特定条件下是能够引发化学性反应的一种修复材料，在修复小面积牙体缺损时比较适合。在临床中目前主要应用的有光固化、化学固化及复合固化等树脂类材料，该材料具有较强的可塑性、良好的仿真性、较高的生物相容性、比较耐磨等优势。

在临床中高分子类材料是一种比较广泛应用的材料，稳定性强，聚乙烯和聚丙烯是其主要成分。与其它材料相比较，该材料在人体中不能降解产生离子，因此不具有毒性。抗冲击性和抗摩擦性也较强，所以在替换人工关节中应用比较广泛。高分子类材料中的硅橡胶材料耐高温、腐蚀及透气性较高，所以在制作颌面部复体及口腔印模精确制取材料中应用较广。另外，该材料可降解，经一段时间后可形成小分子化合物而随人体基础代谢排出患者体外。

4.讨论

通过研究分析生物材料有关文献资料，在口腔临床生物医学材料中选取金属材料、高分子、生物复合材料三大类分别进行研究。大部分高分子材料与生物复合材料都是由不少于两种材料构成，对这类材料进行制作时，可利用相关技术对材料微观构造进行改变，使材料特性和优点得到充分发挥，对不足之处进行有效弥补，对生物材料赋予新的生物特性。材料的生物相容性和机械强度较高，具有较强的耐腐蚀性，在特定环境下能够降解吸收，在临床应用中完全满足。在高分子材料与生物复合材料中，我国开展相关的研究相对较晚，并在研究初期发展相对较为缓慢，但经过近年来的不断发展，已由最初的盲目效仿逐渐发展到自主研发，由质变迅速发展发展到量变。口腔医用生物医学材料目前在我国已逐渐由传统的单一功能、非专一化、低效逐步发展为功能完善、复合化、专业化及高效，发表的生物医学材料的相关文献也跃居世界第二。

随着医学技术及材料技术的快速发展，口腔生物医学材料也得到了前所未有的发展机遇。目前在临床研究中已逐渐由常用的无机材料转变为有机材料，有机类生物材料在开展较多研究的就是多糖类物质。天然多糖类物质中壳聚糖属于其中一种，其生物相容性良好，抗菌性能优异。通常该类材料被用于对各种材料进行塑造以便于长入细胞和将应力传递至骨与骨之间。壳聚糖类物质因其生物相容性和细胞黏附性较好，而被广泛用于各种细胞因子和药物载体，实现对遗传信息进行传递以及相关疾病的临床治疗。

5.结语

综上所述，口腔生物医学材料近年来已由传统的单一型材料逐渐过渡到新的复合型、智能型和功能型材料，生物医学材料可实现对缺损组织与器官的修复和置换，恢复组织或器官的正常功能。随着迅猛发展的科技水平，口腔生物医学材料的制作方法也具有明显的改进，日益推出复合型与功能型形式各样的生物医学材料，并日益优化其性能。相信在不远的将来，这种材料在组织工程学及口腔临床应用中将得到迅速发展。

参考文献：

[1]殷武雄，李玲.医用骨修复碳素增强生物复合材料的研究进展[J]，化工新型材料，2015.10

[2]欧阳建安，王大平.多孔钽应用于骨科的生物材料特性研究进展[J]，中国临床解剖学杂志，2014.8

[3]黎淑婷，黄华，周永明.不同表面处理对聚乳酸可吸收桩与树脂核间粘结性能的影响[J]，牙体牙髓牙周病学杂志，2015.4

[4]余森，于振涛，张强等.医用钛合金表面载银抗菌涂层的研究进展[J]，稀有金属材料与工程，2014.7

金属基复合材料篇6

关键词碳纳米管/铜基复合材料；制备工艺；显微组织

中图分类号：TB33文献标识码：A文章编号：1671-7597（2013）13-0050-02

将增强纤维、颗粒等与铜制备成铜基复合材料，可以提高其强度、耐磨性以及保持较优良的导电导热性能。SiC作为一种陶瓷颗粒，具有弹性模量高及抗氧化性能好等优良性能。由于金属具有优良的力学机械性能，使得金属基复合材料可以按机械零件的结构和性能要求，设计成合理组织和性能分布，从而工程技术人员对材料的性能进行最佳设计。由于能够根据不同的力学性能要求来选择相应的金属基体和不同的增强体，使得复合材料中的各组成材料之间既能保持各自的最佳性能特点，又可以进行性能上的相互补充，功能上的取长补短，甚至满足一定的特殊性能，所以纳米复合材料是一类具有结构和功能极佳的材料。另外，纳米复合材料由于具有特有的的纳米表面效应、特有的纳米量子尺寸效应，能够对其光学特性产生影响。按照复合材料基体的性能特点特，人们将纳米复合材料通常分三大类：纳米树脂基复合材料、纳米陶瓷基复合材料和纳米金属基复合材料。纳米金属基复合材料不仅具有强度高、韧性高的特点，纳米金属基复合材料还具有耐高温、高耐磨及高的热稳定性等性能。纳米金属基复合材料应用表明：在功能方面具有高比电阻性能、高透磁率性能，以及高磁性阻力等物理性能。本文采用球磨混料方法，通过真空热压法工艺，制备出碳纳米管增强铜基复合材料，研究铜基纳米复合材料的制备工艺，分析相应的材料性能。

1试验材料及方法

1.1试验材料

试验用原材料是上海九凌冶炼有限公司生产的电解铜粉，铜粉纯度是99.8%，铜粉粒度为-300目，铜粉松装密度是1.2～1.7。碳纳米管（CNTs）选用深圳纳米港有限公司产品。选用哈尔滨化工化学试剂厂的十二烷基硫酸钠（化学纯），以及该厂生产的酒精（分析纯）。

1.2试验方法

试验采用行星式球磨机进行湿磨混合配料，选择的球磨机转速参数为300r/min，球磨时间为2.5小时，试验球料比选择为1：1。试验的热压温度参数选择在800℃进行烧结，热压压力参数为3.9吨，烧结时间参数为3小时。使用光学显微镜分析复合材料的显微组织特点，用新鲜配制的三氯化铁盐酸酒精溶液腐蚀复合材料组织，腐蚀时间选为15s。

2试验结果与分析

2.1碳纳米管/铜基复合材料显微组织

2.2CNTs/Cu复合材料的硬度

2.3CNTs添加量对复合材料相对密度的影响

试验结果表明，纯铜试样致密度最高，但是，随着碳纳米管含量的增加，纳米复合材料的相对密度下降。复合材料材料相对密度随着碳纳米管含量的增加而逐渐降低，原因主要是碳纳米管和铜的润湿性较差，致使强化相CNTs不能均匀分布，引起复合材料的缺陷，材料中产生孔隙，呈现出相对密度的下降的特点。

3结论

1）采用球磨混料方法，真空热压法工艺，制备出碳纳米管增强铜基复合材料。

2）随着CNTs的增加，复合材料的硬度呈现降低的趋势，CNTs含量与硬度之间关系为曲线关系。

3）纯铜试样致相对密度最高，随着碳纳米管含量的增加，复合材料的相对密度下降。

参考文献

[1]解念锁，李春月，艾桃桃，等.SiCp尺寸对铜基复合材料抗氧化性及磨损性的影响[J].热加工工艺，2010，39（8）：

74-77.

[2]王瑾，解念锁，冯小明，等.SiCp/Cu梯度复合材料的压缩性能研究[J].热加工工艺，2011，40（8）：106-107.

[3]王艳，解念锁.原位自生Sip/ZA40复合材料的组织及性能研究[J].陕西理工学院学报（自然科学版），2011，27（1）：1-4.

[4]董树荣，涂江平，张孝彬.碳纳米管增强铜基复合材料的力学性能和物理性能[J].材料研究学报，2000，14（Sl）：132-136.

[5]王浪云，涂江平，杨友志.多壁碳纳米管/Cu基复合材料的摩擦磨损特性[J].中国有色金属学报，2001，11（3）：367-371.