吴复涛，于延龙，李春海，王绍昌，赵华社，谭建波

（1.河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北省材料近净成形技术重点实验室，河北 石家庄 050018；3.石家庄工业泵厂有限公司，河北 石家庄 050100；4.邯郸群山铸造有限公司，河北 邯郸 057350）

科学技术正在不断的进步和发展，所以在材料的组织和性能的研究上需要更多的探索，纤维作为增强体可以弥补传统金属复合材料存在的局限性，其中两种或两种以上的增强体被用来制造一种新复合材料，可获得比强度高，耐磨性良好，高抗拉强度和硬度等优良的综合性能，因此成为高性能新材料研究的重要发展方向[1-2]。金属基复合材料开始出现时，由于其制作成本高，主要应用在航空、航天、国防工业等重要科技领域。随着近年来一些低成本新材料和增强体材料的出现，使其在汽车、电子产品、机械工业等民用领域有更深入的研究和发展，同时数值模拟研究可以显著降低成本，使得金属基复合材料有了更广泛的应用领域和经济效益[3-4]。金属基体和纤维增强体是金属基复合材料两大组成部分，基体中纤维增强体的均匀分布及两者间的增强界面共同决定复合材料的最终性能，目前在Al基、Cu 基、Ti 基、Mg 基等复合材料的研究已取得一定的研究成果[5-8]。不同纤维增强体与不同基体间的组合逐渐受到重视，以及如何获得良好界面结合的研究也日益增多。

1 纤维增强复合材料国内外研究现状

1.1 氧化铝纤维

氧化铝纤维由于其优异的性能，如良好的高温稳定性、高耐磨性、强抗氧化性和耐腐蚀性等特点，且氧化铝纤维有较高的表面活性，与金属基体结合时可获得良好的界面结合状况，使复合材料密度减小，因此广泛应用在冶金工程、国防军事、机械工业等制造领域[10-11]。如叶轮、砂浆泵轴、及汽车活塞部件等。Vishwanath Patil 等[12]研究了氧化铝纤维含量对Al-4.5Cu 复合材料的力学性能的影响。研究发现：加入质量分数为（10～30）%的氧化铝短纤维与Al-4.5Cu 合金制成的复合材力学性能高于基体合金，氧化铝短切纤维的加入使复合材料的硬度、屈服强度和抗拉强度得到明显提高。J.W.Kaczmar 等[13]采用挤压铸造法研究氧化铝纤维增强铜基复合材料的抗弯强度和微观结构发现其孔隙率低、纤维基体界面良好。由于氧化铝纤维的加入，使复合材料在高温下具有较高的抗弯强度。纤维在铜基体中可传递基体载荷，减少了铜基体的塑性变形，纤维的加入使Cu 的导热性和导电性降低相对较小，在电学和热学领域上有广泛应用前景。

1.2 碳纤维

碳纤维具有高比强度、强耐蚀性及耐疲劳性强等优异性能，且碳纤维密度小，对于增强轻金属复合材料有重大意义，尤其广泛应用在Al、Mg 基复合材料的军工制造、航空航天及汽车工业等领域。陈莉等[14]研究了碳纤维质量分数对铁基复合材料耐磨性的影响。研究发现：不同质量分数碳纤维在铁基体中呈现不同形状分布，且均匀分布。碳纤维质量含量越高，复合材料硬度越高、磨损率越低。刘艺等[15]研究连续碳纤维体积分数对铝基复合材料弯曲强度的影响。研究发现：复合材料中碳纤维体积分数增加，其弯曲强度先增大后减小。纤维体积分数为0.4%时，弯曲强度最大。Wu Jinhao 等[16]用粉末冶金法研究短碳纤维对铝基复合材料力学性能的影响。研究发现：由于短碳纤维的加入，在纤维与铝基体界面之间形成Al4C3 的增强界面，提高了复合材料的硬度和抗拉强度，短碳纤维增强AA7075 在高温下比AA7075 有更好的性能。尹冠飞等[17]研究碳纤维含量对A365 铝基复合材料组织性能的影响。研究发现：当碳纤维含量为5%时，复合材料有最高密度和高比强度。复合材料断口区域呈韧性断裂的凹凸不平结构，由于纤维和基体在拉伸时存在脱粘情况，充分发挥了纤维的增强效果。

1.3 玄武岩纤维

玄武岩纤维相比于传统材料具有低成本、较高的比强度和比模量参数，其增强金属具有加工性和刚度好、耐腐蚀和耐磨性高，主要应用于轻量化组件，如汽车、船舶、风力涡轮机叶片等[18]。丁浩等[19]利用真空压力浸渗将二维编织连续玄武岩纤维与Al-12Si 箔交替堆叠制成层状复合材料。研究表明：在温度为660 ℃、浸渗时长10 min、10 MPa 压力下可获得全致密的层状结构复合材料，有良好的冶金结合界面，具有一定抗弯强度。李伟等[20]在玄武岩纤维上渡一层均匀铜层以提高纤维和镁基体之间的润湿性。研究表明：镀铜纤维作为增强体可得到织致密，力学性能较高的复合材料，其压缩强度最高时加入的镀铜纤维体积分数为15%.

2 金属基复合材料的制备方法

在制备复合材料时，由于不同的制备方法会对金属基体和纤维增强体之间的界面结合性能产生较大的影响，所以在选择制备方法时要避免不良界面反应的发生，尽可能不降低原增强体和基体性能的前提下，降低制作成本成为了人们关注的焦点。复合材料的制备方法主要分为固相法和液相法两大类。

2.1 固相法

固相法就是将箔-纤维-箔或者纤维与金属粉末按设计比例进行机械混合，并通过加热和加压使增强体和基体结合成复合材料。在其制备过程中，基体和纤维增强体都处于固态条件，且温度较低，因此两者间不会发生严重的界面反应，可获得良好的界面润湿性。

2.1.1 粉末冶金法

粉末冶金主要就是将纤维和金属粉末混合，通过热压或者冷压制成复合材料。该制备工艺的好处在于金属基体和增强体种类不受限制，且制备的复合材料组织均匀，性能良好。但由于其所需的工艺设备较为复杂，制作成本高，不适合批量规模的生产。任澍忻等[21]通过粉末冶金法研究不同碳纤维质量分数对Fe-Cu 基复合材料耐磨性的影响，研究表明：该复合材料主要为磨粒磨损，碳纤维的加入起到钉扎摩擦组元和强化基体的作用，可降低材料磨损。碳纤维质量分数在2%～4%时，复合材料的硬度可达到HV 102.2～118.6，磨损失重量最小。

2.1.2 真空热压法

2.2 烟台市红富士叶片养分含量的相关性分析 果树体内的营养元素，除与土壤养分含量有直接关系外，也与果树体内元素间的相互作用密切相关[9-11]。各元素之间既有拮抗关系，也有协同关系。众多的试验证实，营养元素间的拮抗作用相当普遍，在施肥中应予以充分考虑。对红富士果树体内养分相关性进行分析，有助于了解元素间可能产生的关系，在红富士养分管理中可根据这些关系采用适宜的措施来协调养分的平衡，有时还可以通过减少种养分的过量施用达到纠正另一种养分缺乏的目的。该研究通过对红富士叶片养分含量的相关性进行统计，探讨叶片中营养元素间的相互关系(表2)。

真空热压法主要是制备金属叠层材料、块体合金的方法之一。将金属箔材和纤维将经过打磨、清洗和烘干处理后进行交叠排列，之后把铺好的叠层材料在一定烧结温度范围内进行真空热压烧结，最终制成金属箔和纤维交替紧密结合，性能较好的复合材料。但是真空系统成本高昂，大规模工业应用受限。刘文祎等[22]通过真空热压法研究压力、时间、温度三个工艺参数对SiC 纤维增强Ti 基复合材料微观组织的影响。研究表明：压力过大时容易导致纤维破碎，压力过小箔材界面结合不加，严重影响纤维与基体的结合，温度则主要影响纤维与基体的界面反应层厚度。张国庆等[23]在真空热压法研究热加工工艺参数对连续SiC 纤维增强Ti 基复合材料界面结合情况的影响。研究发现：SiC 纤维在Ti 基体中均匀分布，复合材料各组元间界面结合良好的热加工工艺参数为温度920 ℃，时间30 min，压力40 MPa.

2.2 液相法

液相法是指在压力作用下将熔融金属与固态纤维结合形成复合材料的一种方法，该方法制备的复合材料的界面间的润湿性是研究的重点，因此在制备时往往通过加入特定的合金元素到液态金属基体中，或者对纤维表面进行改性处理以此来调控金属基体和纤维之间的润湿性和界面反应。液相法主要有挤压铸造，液态渗透法等。

2.2.1 挤压铸造

挤压铸造先通过加入适当黏结剂制备具有一定强度的预制体，将预制体和模具预热后施加压力使熔融金属在压力作用下浸渗入预制体，保压一段时间至熔融金属凝固成型。挤压铸造工艺在压力作用下可加快金属液的浸渗速度，缩短界面反应时间，以此改善界面间的浸润性。在压力作用下还可以消除缩孔缩松缺陷，从而得到组织致密性的复合材料[24]。该制造工艺下如果压力过大容易导致熔融金属内部产生气泡和基体氧化，并产生湍流使复合材料力学性能下降，因此必须严格控制挤压压力大小。魏作山等[25]通过挤压铸造技术对比氧化铝短纤维增强铝合金内燃机活塞和基体合金组织性能，发现氧化铝纤维和金属基体界面结合良好，在高温条件下，体现出更好的抗拉性能。

2.2.2 真空压力浸渗

真空压力浸渍法是在真空下使熔融金属填充到纤维增强预制体的模具中，可减小金属液在填充过程中的氧化，充入高压惰性气体使金属液能更好的浸渗到增强体中，冷却凝固后得到孔隙率小，铸造缺陷少，产品质量高的金属基复合材料。该制备工艺由于其压力系统复杂，限制了其工业应用。Lehua Qi 等[26]采用液-固挤压和真空浸渗技术深入研究碳纤维增强Mg 基复合材料的增强机理，制备了不同纤维和基体成分的Cf/Mg 复合材料，研究其强化行为。结果表明，通过纤维涂层或基体合金化对界面进行改性可以防止界面反应的发生，改善润湿性，有利于提高复合材料性能。细小而均匀的沉淀物以及基体中的纳米晶有利于复合材料的增强。

3 纤维增强金属基复合材料界面润湿性和力学性能研究

3.1 纤维增强复合材料界面润湿性能研究

将纤维增强体加入到金属基体中，是为了让纤维可在基体中起传递载荷的作用，以提高复合材料力学性能。由于纤维与基体之间界面润湿性问题，以及高温条件下会产生弱相互作用使剪切强度降低，容易使复合材料产生分层或脱粘的缺陷，致使复合材料性能降低。为获得纤维和基体之间良好的界面结合状态，通常对纤维表面进行改性处理，常用化学镀、溶胶-凝胶法等。

3.1.1 化学镀

化学镀主要用于制备金属涂层，在纤维上镀金属涂层可以防止高温条件下纤维与熔融基体的直接接触，避免发生物理化学反应，显著改善纤维和基体之间的界面润湿性。在化学镀工艺中镍、铜及银等金属涂层应用较为广泛。

Jianjun SHA 等[27]用挤压溶体浸渗技术制备具有Ni、Cu 涂层的碳纤维增强铝基复合材料以提高碳纤维与铝基的界面润湿性。结果表明：包覆Ni、Cu层的纤维与未包覆涂层的纤维相比，包覆涂层可显著提高复合材料的润湿性，有效地抑制碳纤维与铝基复合材料的界面反应，提高纤维与基体的界面结合性能。L.G.Hou 等[28]通过粉末冶金法研究在短碳纤维上渡镍涂层后增强与基体之间的润湿性和力学性能。结果表明：未涂覆镍涂层的复合材料在碳纤维与镁基体之间的界面处有明显缺陷。碳纤维镀镍后在与镁基体界面间产生Ni3P 和Mg2Ni 相。加入镍涂层使纤维和金属基体间的界面润湿性得到显著提升，从而提高了复合材料的力学性能。

3.1.2 溶胶-凝胶法

在制备氧化物涂层时常用溶胶-凝胶法，该法是将制备好的溶胶，通过浸渍在纤维表面制备涂层。溶胶-凝胶法制备工艺简单，成本较低，因此对该法的制备和研究日益广泛。

冯孟奇等[29]在碳纤维上用溶胶凝胶法制备TiO2涂层和用化学镀法制备Cu 涂层，通过粉末冶金法研究两种涂层对铜复合材料组织和性能的影响。研究表明：碳纤维经过镀层处理后，碳纤维结构完整且较为均匀的沿挤压方向分布，复合材料的致密度明显提高，复合材料力学性能得以改善。李是捷等[30]通过溶胶凝胶法研究3 种不同氧化物涂层对碳纤维增强镁基复合材料界面结合的影响。研究表明：3种氧化物涂层均显著改善纤维和基体间的界面润湿性，其中使用TiO2涂层制备的复合材料强度最高。

3.2 纤维增强金属基复合材料力学性能研究

3.2.1 耐磨性能

对于制备高耐磨性金属基复合体材料而言，需要对纤维增强体的含量，及施加载荷进行更深入的研究，增强体在基体中的均匀分布及良好的界面结合有利于提高复合材料的耐磨性。由于陶瓷纤维具有高比强度、高硬度、高耐磨性及弹性模量等优良性能，因此在机械工业、汽车制造、航空航天等领域应用广泛。

Neeraj PANDEY 等[31]采用粉末冶金法研究硼酸铝纤维含量的变化对复合材料力学性能的影响。研究发现：当硼酸铝质量分数为10%时，复合材料结合界面良好，组织致密，硬度提高到HV 40 左右，耐磨性也得到显著提高。Xu Ran 等[32]采用真空热压烧结制备镀铜碳纤维增强铜基复合材料耐磨材料。研究发现：加入镀铜碳纤维后，延缓了复合材料从微切削磨损向粘着磨损和分层磨损转变的过程，提高复合材料的抗磨性能。

3.2.2 力学性能

纤维加入到金属基体中为主要承载相，因此尽可能使纤维均匀分布于基体。纤维与基体的界面结合良好，可防止纤维损伤，使其传递载荷的能力得到充分发挥，以提高复合材料的力学性能。

蒋文婷等[33]利用等离子烧结技术研究镀镍碳纤维质量分数对铝基复合材料微观结构及力学性能的影响。研究发现：随镀镍纤维含量增加，复合材料硬度增加，其抗拉强度呈先升高后降低趋势。当碳纤维质量分数为9%时抗拉强度最大为152 MPa，较未添加碳纤维的铝基复合材料有显著提升。陈达等[34]研究碳纤维长度对铜基复合材料力学性能的影响。研究发现：不同碳纤维长度均有利于提高复合材料力学性能，但随着纤维长度增加力学性能有所降低。当碳纤维长度为1 mm 时效果最佳，抗弯强度相较与未添加纤维的复合材料提高了65%.

4 总结与展望

纤维增强金属基复合材料由于其优异的性能特点，在机械工业、航空军事及汽车制造等领域发挥了重要作用。但一些复合材料由于制备成本较高，以至其工业化生产受到限制，对不同增强体协同增强复合材料的研究也逐渐被科研工作者所关注。未来在纤维增强金属基复合材料的研究中，可重点考虑以下三个方面：1）增强体和基体的界面反应研究应更加深入，可增加对氧化物与金属涂层联合改善界面润湿性的研究以避免纤维损伤，从而获得更好的界面强度；2）可增加对不同纤维-纤维、纤维-颗粒联合增强金属基复合材料的研究。同时为避免增强体团聚出现，其分布均匀性问题仍然是研究重点；3）由于复合材料的高制备工艺成本，因此对制备工艺进行优化，降低其制作成本，是研究者和企业共同关切的课题。