網狀陶瓷增強金屬基復合材料制備方法與存在問題

摘要：文章介紹了泡沫陶瓷增強金屬基復合材料的研究現狀和制備方法，提出了增強體泡沫陶瓷性能要求，介紹了影響復合材料制備工藝的因素。

關鍵詞：金屬基復合材料；網狀陶瓷增強體；潤濕性；泡沫陶瓷；鑄造方法 文獻標識碼：A

中圖分類號：TB331 文章編號：1009-2374（2015）23-0070-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.036

網狀陶瓷增強金屬基復合材料的制備是采用鑄造方法，以金屬作為基體，以網絡結構陶瓷骨架作為增強相，將金屬液澆注到網絡陶瓷的孔隙內部形成復合材料。此法制備的復合材料具有高耐磨性、高耐蝕性、高強度和高硬度等特點，是研究新型復合材料的一個新突破點。

1 研究現狀

國內對網狀陶瓷增強金屬基復合材料的研究主要集中在Al和Mg等輕金屬方面，而對鋼鐵等重金屬的研究較少。耿浩然等制備了Si3N4網絡結構陶瓷預制體骨架，然后利用無壓浸滲理論制備出Si3N4/Mg復合材料、Si3N4/Al復合材料和Al2O3/Mg復合材料。以上網狀陶瓷增強金屬基復合材料的研究僅限于輕金屬。邢宏偉等用擠壓鑄造法制備了三維網絡SiC/銅合金基復合材料，結果發現，骨架孔徑的減小有細化晶粒、減輕偏析和抑制鉛的偏聚等作用。骨架的存在使錫均勻分散于復合材料網孔邊緣SiC骨架表層附近的微小區域。張友壽等通過鑄造法使金屬液滲入粗顆粒陶瓷預制體間隙來獲得金屬陶瓷復合材料，但是對陶瓷顆粒的尺寸要求極為嚴格。李祖來等利用V-EPC法以陶瓷WC顆粒作為增強體，使用高碳鉻鐵粉末來調節WC顆粒的體積分數，制備出了表面質量好、尺寸精度高、耐磨性能高的表面復合材料。

由于連續網狀陶瓷增強金屬基復合材料的研究目前還處于起步階段，國內外的相關報道比較少，如何將二者結合制成復合材料，開發具有良好的強韌性能和高的抗磨損性能的新型金屬基復合材料是我們下一步工作研究的重點。

2 網狀陶瓷的性能要求

作為金屬基復合材料增強體的網狀陶瓷預制體必須具有以下特點：陶瓷通孔率要高、強度要高、與金屬基體要有良好的潤濕性。

只有滿足上述要求的泡沫陶瓷預制體才能用于金屬基復合材料的制備。因此通常采用有機泡沫浸漬方法制備網狀泡沫陶瓷該工藝，這是因為此制備方法工藝簡單、成本低，而制得的泡沫陶瓷具有高氣孔率和高通

孔率。

3 網狀陶瓷增強金屬基復合材料的制備方法

3.1 擠壓鑄造法

擠壓鑄造法是將一定量的液態金屬直接澆入敞開的金屬型型腔內，在一定時間內凸型以一定的壓力和速度作用于液態金屬上，使熔融或半熔融態的金屬塑性流動和凝固結晶成形的加工過程。其優點是工藝簡單、金屬液易于填充到陶瓷網絡內部、易于成型、成本低、復合材料性能好。

3.2 負壓實型鑄造法

此方法也叫消失模鑄造法。即采用聚苯乙烯泡沫材料（EPC）把增強體網絡陶瓷表面包圍后，刷上涂料，晾干后待用。然后將模型埋入干砂中，震實后在負壓狀態下澆鑄的一種新工藝，它可以獲得精度高、質量好的鑄件。這是因為澆鑄過程中有負壓的存在，保證了聚苯乙烯泡沫在真空下氣化，使其在高溫下氣化產生的氣體及時排放出去，避免了聚苯乙烯泡沫在鑄滲工藝中產生的氣孔和夾渣等缺陷，不僅顯著改善了鑄滲層的質量，而且提高了復合材料的結合強度。

4 影響復合材料制備工藝的因素

4.1 金屬澆注溫度

金屬液最佳澆鑄溫度應高于液相線溫度50℃左右。若過低的澆注溫度會使金屬液迅速降溫、凝固，滲透能力變差，不能順利進入陶瓷孔內，嚴重影響液態金屬的充型和補縮。澆鑄溫度過高將導致金屬熔液嚴重氧化，在陶瓷骨架內出現縮孔或疏松的缺陷，以至無法形成良好的復合材料。

4.2 鑄造成型壓力

金屬液與網絡陶瓷復合時，必須選擇適宜的鑄造壓力。若鑄造壓力過小，則會出現滲透能力不足的現象，不能使金屬液順利填充到陶瓷網絡的每個邊角處；若鑄造壓力過大，金屬液的滲透能力就增強，易出現黏砂的缺陷。另外，雖然在模樣表面涂有涂料以防止黏砂，但如果負壓過大，易使涂料脫落，導致鑄件黏砂現象，因次必須選擇合適的負壓。

4.3 陶瓷孔徑

由于鋼液澆鑄溫度較高，所以對泡沫陶瓷的強度要求也高，避免澆鑄過程中發生坍塌現象。對于制備的泡沫陶瓷，如果盲孔太多，所得開放連通孔隙率也不足以滿足浸漬足夠多的金屬以制備金屬基復合材料的需要。一般來說，為滿足隨后浸漬成金屬基復合材料，要求連通孔率在80%～90%。如果孔隙率較小，金屬液來不及擴散到陶瓷孔內部就凝固，得不到組織均勻的復合材料。

4.4 界面潤濕性

界面是復合材料中普遍存在且非常重要的組成部分，是影響復合材料行為的關鍵因素之一。金屬基復合材料性能的高低取決于基體和增強體之間的界面結合情況。在網狀陶瓷增強的金屬基復合材料中，基體和增強體都是承載體，要求強界面結合以充分發揮陶瓷的增強效果。

當前改善金屬陶瓷界面潤濕性的方法有很多種，常用的簡要敘述如下：

4.4.1 添加合金元素。在復合材料中加入Li、Mg、Ca等與氧親和力高的合金元素，可以明顯提高金屬液體與陶瓷增強相的潤濕性。添加的合金元素起到兩個作用：一是降低金屬液和陶瓷增強體之間的表面張力；二是可發生有利的界面反應以增加潤濕性。

4.4.2 化學鍍銅。采用涂裝工藝，將網絡陶瓷表面電鍍一層銅金屬以增加陶瓷與金屬基體的潤濕性。陶瓷表面銅鍍層可以提高固體的表面能，用新形成的金屬/陶瓷界面代替原來結合性較差的界面，可以提高潤濕性，增強界面結合強度。化學鍍銅層的厚度也會對復合材料的性能產生一定的影響，因此對鍍層厚度應控制在2～4μm。

此外，超聲波清洗、對固體陶瓷進行加熱處理、固體陶瓷表面覆膜等也是改善增強體與金屬液潤濕性的有效措施。

5 應用及展望

陶瓷增強金屬基復合材料的耐磨性、耐高溫性較強，而比彈性模量較低、零件重量較大，因此在耐磨材料、高溫合金及工具材料等方面得到廣泛的應用。而具有三維空間網絡拓撲結構復合材料自身的優越性，使得具備優良高溫性能、環保節能、高耐磨性、高強度的三維網絡陶瓷增強金屬基復合材料必將成為未來的發展

趨勢。

參考文獻

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作者簡介：李菊（1981-），女，山東菏澤人，濟寧技師學院講師，碩士，研究方向：金屬基復合材料。

（責任編輯：秦遜玉）