金属基复合材料
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2023年3月19日发(作者：治安处罚条例)金属基纳米复合材料
摘要：本论文主要介绍了纳米复合材料的设计（包括结构设计和功能设计），讨
论了金属基复合材料的制备方法以及对所制备的金属基纳米复合材料的性能进
行了分析，最后对金属基纳米复合材料的发展进行了展望
。
关键词：纳米复合材料简介金属基复合材料特性金属基复合材料制备方法
碳纳米管金属基纳米复合材料展望
引言：金属基纳米复合材料是以金属及合金为基体，与一种或几种金属或非金属
纳米级增强相相结合的复合材料。金属基纳米复合材料具有力学性能好、剪切强
度高、工作温度较高、耐磨损、导电导热好、耐湿性好、不吸气、尺寸稳定、不
老化等优点，故以其优异的性能应用于自动化、航天、航空等高技术领域。各种
复合新工艺，如压铸、半固态复合铸造，喷射沉积和直接氧化法、反应生成法等
的应用，促进了纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须增强金属基复合材料的快速发展，
使成本不断降低，从而使金属基纳米复合材料的应用由自动化、航空、航天工业
扩展到汽车工业，而使其应用越来越广泛，进入到生产生活的各个方面。
纳米复合材料简介
纳米材料是由纳米量级(1—100nm)的纳米粒子组成的固体材料。纳米微粒有
4个基本效应：小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效
应。因此，纳米材料表现出一些特殊性能，如高热膨胀系数、高比热容、低熔点、
奇特的磁性、极强的吸波性能等。纳米微粒尺寸很小，纳米粒子的表面原子数与
其总原子数的比值随着粒径尺寸的减小而急剧增大，所以纳米材料有高密度缺
陷、高的过剩能、大的比表面积和界面过剩体积。纳米材料也因此具有许多特殊
的性能，如高的弹性模量、较强的韧性、高强度、超强的耐磨性、自润滑性和超
塑性等。由于纳米材料的特异性能，纳米材料有着广泛的应用。
根据纳米复合材料的功能特性和使用时的侧重点，可将其粗略地分为结构纳
米复合材料和功能纳米复合材料两大类。前者主要用在产品或工程的结构部件
上，着重在材料的结构强度、刚性、韧性、耐热性能等机械、物理、力学性质和
耐化学腐蚀与耐恶劣环境能力上的赋予；后者侧重在利用材料的特殊光、电、声、
热、磁敏感应、信息贮存与传输、能量贮存与释放等性能及效应来实现某种功能。
根据纳米复合材料的复合途径可分为：纳米相—纳米相复合材料，纳米相—常规
块体复合材料及复合纳米薄膜。根据复合材料组分的性质可分为无机—无机纳
米、有机—有机纳米以及无机—有机纳米复合材料。
金属基纳米复合材料的特性
金属基纳米复合材料的力学性能主要具有如下的特点：高强度和高韧性，高
比强度和高比模量，抗蠕变和抗疲劳性好，高温性能好，断裂安全性高等。
1.微观结构
研究人员用超声波气态原子化法和热挤压锻造制备纳米复合材料，研究其微
观结构演化、热稳定性和ɑ-Al纳米相生长动力学，发现：原子化粉末的微观结
构受基体中溶质过饱和度、隐含微应力、溶质大小、分布状态和沉积纳米相的体
积分数等因素影响；在热的结晶过程中，ɑ-Al相的沉积和Al
3
（Ni，Fe）纳米相
的生长优于Al
11
Ce
3
纳米相的生长；在250-300℃时，ɑ-Al的晶粒生长需具有1.3eV
的活化能；材料金属丝强度高达1.6GPa。
2．强度、塑性和断裂韧性
郭永春等用TiO
2
颗粒与铝合金液原位反应制备了复合材料，发现：TiO
2
与
LY12铝合金液反应后生成约40nm的Al
3
Ti颗粒，弥散分布在LY12基体合金中，
Al
3
Ti/LY12界面良好结合，使复合材料的强度、塑性、冲击韧度均比LY12铝合
金有显著地提高。
李高宏等用气-液原位反应合成法制备了ALN/Al-7Si纳米复合材料，其增强
相ALN颗粒尺寸约80nm呈颗粒均匀分布于ɑ-Al基体晶粒内，Al-7Si中的共晶硅
主要以棒状形态分布于ɑ-Al基体的晶界上。由于面内生长所形成的细小增强体
能阻碍位错滑移，使材料的强度提高，伸长率降低。ALN的异质晶核作用细化了
Al-7S的初生ɑ-Al和共晶硅，使材料在断裂前可承受较大的变形。
3．耐磨性
研究者提出添加TiC硬质颗粒增强相可大大增加TiNi合金的耐磨性，这种
高的耐磨性可能主要受益于合金的拟塑性，而添加纳米TiNi粉末增强TiC/TiNi
基体，发现纳米TiN/TiC/TiNi复合材料的耐磨损性优于TiC/TiNi复合材料和硬
质颗粒覆盖表面的WC/NiCrBSi材料。
此外研究人员用碳纳米管作为增强相制备了镍基复合镀层，碳纳米管均匀地
嵌镶于基体中，且端头露出，覆盖于基体表面，镍基复合镀层具有优良的耐磨性
和自润滑性，可以显著改善金属表面的耐磨和减摩性能
4.矫顽力
金属基纳米复合材料的制备是在高温下完成的，活性的金属基体与纳米增强
相之间的界面会不稳定，金属基体在冷却，凝固，热处理过程中还会发生元素偏
聚、扩散、固溶、相变等，使金属基复合材料界面区的结构十分复杂。界面区的
组成、结构明显不同于基体和增强体的，并受金属基体成分，增强体类型，复合
工艺参数等各种因素的影响。
5．巨磁电阻效应
20世纪20年代，人们在Fe/Cu，Fe/Ag，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag等
纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应。1992年美国率先报道Co/Ag，
Co/Cu颗粒膜中存在巨磁电阻效应，其效应在液氮温度下可达55％，室温可达
20％，但颗粒膜的饱和磁场较高，而隧道结的饱和场远低于多层膜、颗粒膜以及
钙钛矿化合物。在通常由铁磁薄膜、非磁性绝缘膜所构成的三明治结构，如
Fe/Al
2
O
3
/Fe中，Al
2
O
3
绝缘层厚度小于10nm。
6．超顺磁性
Nakayama等用共蒸发和惰性气体凝聚、原位氧化、原位压实技术合成了由
铁的氧化物和银组成的磁性纳米复合材料，调节氦气压为为133.322Pa可得到
10nm的复合颗粒。TEM和EDX发现几个纳米尺寸的铁纳米团簇被银晶粒包围，实
验发现作为单畴的单个晶粒表现出超顺磁性。
制备方法介绍
1.机械合金化（MA）法
制备金属基纳米材料的MA法：将按合金粉末金属元素配比配制的试料
放入立滚、行星或转子高能球磨机中进行高能球磨，制得纳米晶的预合金混
合粉末，为防止粉末氧化，球磨过程中采用惰性气体保护；球磨制得的纳米
混合粉体经烧结致密化形成金属基纳米复合材料。在球磨过程中，大量的碰
撞现象发生在球粉末与磨球之间，被捕获的粉末在碰撞作用下发生严重的塑
性变形，使粉末反复的焊合和断裂。经过“微型锻造”作用，元素粉末混
合均匀，晶粒尺度达到纳米级，层状结构达到1um以下，比表面积大大增加。
由于增加了反应的接触面积，缩短了扩散距离，元素粉末间能充分进行扩散，
扩散速率对反应动力的限制减小，而且晶粒产生高密度缺陷，储备了大量的
畸变能，使反应驱动力大大增加。MA可使互不相溶的W，Cu等合金元素、或
溶解度较低的合金粉末如W、Ni、Fe等发生互扩散，形成具有一定溶解度或
较大溶解度的W-Cu、W-Ni-Fe超饱和固溶体。
2.熔融纺丝（MS）法
MS法是先在氩气氛围中熔融合金元素，熔融体在40m/s的线速度旋转的铜
轮上熔融纺丝而快速固化，在预热的管式炉中一个密封的排空低到6.666×
10-3pa的石英管中对带状样品进行退火处理。
3．机械诱发自蔓延高温合成（SHS）反应法
SHS法有扩展反应法和整体反应法，扩展反应法是通过局部引燃粉末反应物让
燃烧波在压坯中传播；整体反应法是将粉末压坯在炉中同时快速加热，使合成反
应在整个坯体中同时发生。。
4．粉末冶金（PM）法
用PM法制备的纳米SiC颗粒增强铝基复合材料，材料的组织均匀而细小，
材料的布氏硬度较纯铝制品提高20％，电阻率较纯铝制品提高456.0％。
5．真空蒸发惰性气体凝聚及真空原位加压（ICVCSC）法
ICVCSC是在高真空反应室中惰性气体保护下使金属受热升华并在液氮冷却
镜壁上聚集、凝结为纳米尺寸的超微粒子，刮板将收集器上的纳米微粒米粉烧结
成块。
6．非晶合金晶化法
非晶合金晶化法是将原料用急冷技术制成非晶薄带或薄膜，然后控制退火条
件，在合金中生成纳米级晶粒。
7．其他合成方法
制备金属基纳米复合材料的方法还有喷射与喷涂共沉积法、原位反应复合
法、加盐反应法、反应喷雾沉积法、反应低压等离子喷射沉积法等。
各种复合制造方法的优缺点
1.机械合金化法
工艺简单、增强体分布均匀、增强体体积分数范围较大、制品质量较好、
产量高、能制备高熔点的金属和合金纳米材料。缺点是：在制备过程中易引入杂
质、晶粒尺寸不均匀、球磨及氧化会带来污染。
2．熔融纺丝法
工艺简单、设备投资少、生产成本较低。缺点是增强体体积分数有限（一般
不超过20％）、有界面反应的可能性、增强体分布难达到均匀化、有气孔、需二
次加工。
3．粉末冶金法
基本上不存在界面反应、质量稳定，增强体体积分数可较高，增强体分布均
匀。缺点是：工艺程序多、制备周期长、成本高、降低成本的可能性小。
4．真空蒸发惰性气体凝聚及真空原位加压（ICVCSC）法
适用范围广、增强体分布均匀、制品质量好。缺点是：工艺设备昂贵、产量极
低、制造大型零部件有困难，如冷却工序安排不妥善，可产生明显的界面反应，
制备周期较长。
5．机械诱发自蔓延高温合成反应法
过程简单、不需要复杂的设备、产品纯度高、能获得复杂的相和亚稳定相。
缺点是：不易获得高的产品密度、不能严格控制反应过程和产品性能。
7．非晶合金晶化法
成本低、产量大、界面清洁致密、样品中无微孔隙、晶粒度变化易控制。缺
点是：只适用于非晶成形能力较强的合金系。制备金属基纳米复合材料的工艺中
应用比较广泛的一种是机械合金化法。
碳纳米管金属基纳米复合材料
碳纳米管具有极高的纵横比（长与直径比达100-1000）和超强的力学性能，
单壁碳纳米管的弹性模量理论估计可高达5TPa，实验测得多壁碳纳米管的弹性
模量平均为1.8TPa，弯曲强度为14.2GPa。碳纳米管的抗拉强度为钢的100倍，
密度仅为钢的1/6-1/7，且耐强酸强碱，在973K以下，在空气中基本不发生变
化，具有较好的热稳定性。因此，用碳纳米管增强体的金属基纳米复合材料具有
极好的力学性能。
王淼等利用销盘式磨损试验机研究了粉末冶金法制备的多壁纳米碳管增强
铜基复合材料的稳态摩擦磨损行为，发现：在低载荷和中等载荷作用下，随着纳
米碳管质量分数的增加，复合材料的磨损率减小；而在高载荷作用下，由于发生
表面开裂和片状层剥落，纳米碳管质量分数高的复合材料的磨损率增高。
金属基纳米复合材料的一些磁学性能如磁化强度、磁化率等与材料的晶粒大
小、形状、第二相分布及缺陷密切相关，而另一些磁学性能如饱和磁化强度、居
里温度等与材料中的相及其数量有关。磁化由2个因素控制：一是晶粒的各向异
性，每个晶粒的磁化都趋向于排列在自己易磁化的方向；二是相邻晶粒间的磁交
互作用，这种交互作用使得相邻晶粒朝向共同磁化方向磁化。因此，纳米级磁性
材料具有高的矫顽力，低的居里温度，颗粒尺寸小于某一临界值时，具有超顺磁
性等。
金属基纳米复合材料的展望
金属基纳米复合材料具有优异的力学性能，并继续向高硬度、高弹性模量、
高屈服强度和低温超塑性等高性能的方向发展。
金属基纳米复合材料具有优异的磁特性，因此在工业上有广阔的应用前景。
利用稀土永磁材料的优异磁性能，将软磁相与永磁相在纳米尺度范围内进行复
合，获得兼备高饱和磁化强度、高矫顽力二者优点的新型永磁材料成为新的发展
方向。
由于界面结构和性能对金属基纳米复合材料应力、应变的分布、导热、导电
及热膨胀性能、载荷传递、断裂过程起决定性作用，故用先进的分析技术和手段
深入研究界面的和精细结构界面的反应规律、界面微结构及性能对复合材料各种
性能的影响、界面结构和性能的优化与控制途径以及界面结构性能的稳定性成为
金属基纳米复合材料研究的重要方向。
结语：
虽然目前一些金属基纳米复合材料的制备工艺仍停留在实验阶段，但随着分
析方法的不断进步、制备工艺的不断成熟和制备成本的不断降低，金属基纳米复
合材料必将以其优良的特性在新材料、冶金、自动化和航空航天等领域发挥更加
巨大的作用。
参考文献：
[1]董树荣、张孝彬碳纳米管金属基复合材料的滑动磨损特性研究
[2]王淼纳米材料应用技术的新进展
[3]张力德、牟季美纳米材料和纳米结构
[4]郭永春、李建平、李高宏原位自纳米Al3Ti/LY12复合材料的组织及性能
[5]江焕林、王建宁、张军纳米材料的应用
材料工程基础