金屬基復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相人工結合成的復合材料。其增強材料大多為無機非金屬，如陶瓷、碳、石墨及硼等,也可以用金屬絲。顆粒增強金屬基復合材料是金屬基復合材料的一個分支，相比于纖維態的增強材料，顆粒態增強體具有成本低、制備容易、易于二次加工、各向異性小等優點。陶瓷顆粒增強的金屬基復合材料兼具了陶瓷材料的耐高溫、高強度、高硬度和金屬材料材料良好的韌性，可用于沖擊和磨損，高溫等苛刻環境中。

目前，金屬基復合材料可供選擇的陶瓷增強體顆粒頗多，如表1所示。

表1 常見陶瓷增強體顆粒

在金屬基復合材料的設計與制備中，基體和陶瓷增強體顆粒的選擇都很重要。陶瓷顆粒增強體的選擇應具備以下的條件：

（1）具有高模量、高硬度、高強度等優異的性能；

（2）具有化學穩定性；

（3）能夠與金屬基體之間有良好的浸潤性，界面結合良好；

（4）在滿足上述條件下，價格盡量低廉。

陶瓷顆粒+基體金屬的組合并非隨心所欲，其浸潤性是制備復合材料需要考慮的前提。以鐵基材料常見的顆粒增強體為例，研究人員對SiC，TiC，TiN，SiC+TiC，SiC+TiC，TiC+TiN六種顆粒增強鐵基材料進行研究。下圖1為顆粒體積分數為25%時，單一類型及混合類型顆粒增強鐵基復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顆粒增強鐵基復合材料中，部分顆粒與基體結合處有微裂紋產生，這是源于高體積分數下SiC顆粒與鐵基體在燒結過程中產生了較為嚴重的界面反應，導致界面微空洞缺陷產生。而從a、b和d三圖可發現，TiN，TiC和TiC+TiN顆粒增強的鐵基材料，增強顆粒清晰可見，與鐵基體的界面結合良好，界面缺陷相對較少，這說明對于鐵基材料而言，這三種陶瓷顆粒組合可以與之較好結合。

圖1 顆粒體積分數為25％時，單一類型及混合類型顆粒增強鐵基復合材料的顯微形貌，其中(a)TiN;(b)TiC;(c)SiC;(d)TiC+TiN;(e)SiC+TiC;(f)SiC+TiN

（圖片來源：不同類型顆?；旌显鰪婅F基復合材料的磨損性能）

目前，國內外對于陶瓷顆粒和金屬浸潤性的研究一直在進行，但是其機理非常復雜。除此之外，陶瓷顆粒的粒徑對復合材料功能性、可加工性、性能穩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，獲得增強后的復合材料。下面以陶瓷粒徑對復合材料的摩擦性能影響為例簡單說明。

圖2 不同粒徑ATZ(納米氧化鋁增強的氧化鋯)對A356鋁體積磨損量及摩擦系數的影響（圖片來源：不同粒徑ATZ顆粒對ATZ/A356復合材料摩擦磨損性能的影響）

圖2是廣東省工業技術研究院研究人員對顆粒增強鋁合金摩擦機理的研究成果。結果表明，隨著陶瓷粒徑的減小，復合材料磨損時的體積損失量先增大后減小，但是在2-50um時有對材料耐磨性提升非常顯著，并且低粒徑時材料的摩擦系數明顯降低。因此，高耐磨性+低摩擦系數的ATZ/A356材料非常適合作為活塞-缸套等耐磨系統。

除了陶瓷顆粒尺寸問題以外，另一個問題就是陶瓷和金屬基體的混合及其制備工藝上。國際上傳統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。物理方法從外往內朝金屬基體里摻陶瓷的方法雖然提高了材料的強度和剛度，但塑性韌性會有一個明顯的下降。

陶瓷顆粒和金屬基體的有效結合一直是國際性難題。面對發達國家的技術封鎖，上海交通大學的團隊研究出一個非常巧妙的方法，其制備出的陶瓷顆粒能直接達到納米級別，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鋁合金已經成功應用于天宮一號、天宮二號、風云四號上。

圖3 天宮二號是我國第一個真正的空間實驗室

據了解，上海交通大學王浩偉團隊避開了國際上傳統的粉末冶金等方法，而是采用了利用化學反應，往金屬基體中加入反應原料，使金屬基體中“生長”出陶瓷，這種方法被稱為“原位自生”法。通過原位自生法，可將陶瓷顆粒尺寸由外加的幾十微米立馬降到納米級，突破了外加陶瓷鋁基復合材料塑性低、加工難等應用瓶頸。

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。例如在氣象衛星光學系統的框架結構上，這種框架結構除了需要質量輕（因為要上天）外，還需要不容易發生彈性變形。陶瓷材料彈塑性變形極小的特點（彈塑性變形小，韌性就不好，易于脆裂）反而成為其巨大優勢，因為在離開地球幾百公里的軌道上，其光學系統要探測地球上的目標，用于固定“鏡頭”的框架結構哪怕發生了極微小的變形，都可能“失之毫厘，謬之千里”了。國內，風云四號衛星已經采用了納米陶瓷增強的鋁合金框架結構，其圖象定位精度能夠達到1像元。

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

參考文獻

不同類型顆?；旌显鰪婅F基復合材料的磨損性能；東北大學，曹新建，金劍鋒，曹敬祎，宗亞平。

不同粒徑ATZ顆粒對ATZ/A356復合材料摩擦磨損性能的影響；廣東省工業技術研究院材料加工研究所，王娟，鄭開宏，譚俊。

SiCp/2024Al復合材料的精密車削工藝與刀具磨損研究；哈爾濱工業大學，劉漢中。

By：火宣