高溫金屬基復(fù)合材料

使用溫度≥1000℃的金屬基復(fù)合材料可稱(chēng)為高溫材料，主要是鎳基、鐵基等耐熱合金、金屬間化合基的復(fù)合材料，其中，鎳基、鐵基高溫合金基體復(fù)合材料較為成熟。制造這類(lèi)合金的方法有兩種。

難熔金屬增強(qiáng)型

主要采用鎢、鉬等難熔合金絲作為增強(qiáng)物，鎳或鐵作為基體，采用熱壓擴(kuò)散結(jié)合工藝或粉末冶金法制備。圖1為鎢絲增強(qiáng)高溫合金基復(fù)合材料制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、導(dǎo)向葉片工藝過(guò)程示意圖。

定向凝固共晶復(fù)合材料

定向凝固共晶復(fù)合材料又稱(chēng)原位生成自增強(qiáng)復(fù)合材料。選用合適的共晶成分高溫合金，在定向凝固條件下使共晶兩相以層片或纖維狀增強(qiáng)相按單向凝固結(jié)晶方向同時(shí)有規(guī)則地排列生長(zhǎng)，以達(dá)到增強(qiáng)效果。采用的高溫合金主要有Ni-TaC、Co-TaC、Ni-Cr-AINb系γ-γ′-S型和NI3AI-NI3Nb金屬間化合物型等。

顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料

TiB2/Cu復(fù)合材料和TiB2陶瓷材料的性能見(jiàn)表1。由所示資料可見(jiàn)，由于Cu的加入，TiB2/Cu復(fù)合材料的致密度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性均有很大提高。由于粘結(jié)劑Cu的熔點(diǎn)只有1083℃，在燃燒合成過(guò)程中會(huì)熔化。熔融Cu在加壓過(guò)程中會(huì)有效地流入原位生成的TiB2顆粒間隙內(nèi)，同時(shí)對(duì)TiB2粒子的重排提供潤(rùn)滑，因而Cu的添加明顯改變了材料的致密化行為。

純銅及部分高銅合金有優(yōu)秀的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能，但它們的強(qiáng)度不高，高溫下抗變形能力相當(dāng)弱，雖然可通過(guò)合金化或冷變形提高它們的強(qiáng)度，但導(dǎo)電性和耐熱性卻有較大下降，高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率的耐熱銅合金是當(dāng)前的重要研究課題，研究表明，氧化物彌散強(qiáng)化銅合金的這三項(xiàng)性能可很好地集于一身。

采用內(nèi)氧化工藝制備的銅基復(fù)合材料含0.89%增強(qiáng)物AI2O3，增強(qiáng)物含量與用機(jī)械合金化工藝制備的相等。兩種復(fù)合材料經(jīng)燒結(jié)、擠壓和冷拔后的性能列于表2。復(fù)合材變形率與強(qiáng)度的關(guān)系、其硬度與退火溫度的關(guān)系分別示于圖2及圖3。由圖可見(jiàn)，用內(nèi)氧化工藝制備的銅基復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐熱性能優(yōu)于機(jī)械合金化工藝制造的。壓力加工工藝對(duì)這兩種復(fù)合材料的影響等同，冷加工對(duì)它們的電導(dǎo)率幾乎沒(méi)有多大影響，但機(jī)械合金化材料的電導(dǎo)率明顯大于內(nèi)氧化復(fù)合材料的。

晶須類(lèi)增強(qiáng)體

晶須是人工培植的細(xì)小單晶，這類(lèi)單晶的組織結(jié)構(gòu)缺陷很少，強(qiáng)度和模量，直徑0.2μm~1μm，長(zhǎng)幾十μm。可根據(jù)化學(xué)成分將它們分為：陶瓷晶須和金屬晶須。陶瓷晶須包括氧化物（Al2O3、BeO）的和非氧化物的（Si3N4、SiC等），金屬晶須有Cu、Cr、Fe、Ni晶須等，用于金屬基復(fù)合材料的晶須為SiC、Al2O3等。晶須制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，生產(chǎn)成本遠(yuǎn)比顆粒的高，以它們?cè)鰪?qiáng)的復(fù)合材料多用粉末冶金法和擠壓鑄造法制造，復(fù)合材料性能大都各向同性。

石墨烯增強(qiáng)體

石墨稀是一種由碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，被譽(yù)為新材料之王，擁有最薄、最硬、熱導(dǎo)率最高、電阻率最低、光學(xué)特性?xún)?yōu)異等優(yōu)勢(shì)。2004年10月的一天，英國(guó)曼斯特（Manchester）大學(xué)海姆（Heim）和團(tuán)隊(duì)成員，在實(shí)驗(yàn)室偶然間斯開(kāi)粘住石墨片的塑料膠帶，之后不斷重復(fù)這一過(guò)程，最終得到由單層碳原子構(gòu)成的二維碳膜，這就是石墨烯。此后，他們專(zhuān)注于此，2009年發(fā)現(xiàn)了石墨烯“量子霍爾效應(yīng)”，并于2010年折桂諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

目前，中國(guó)在石墨烯研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)最為活躍的國(guó)家之一，起著引領(lǐng)作用，在全球石墨烯專(zhuān)利中，中國(guó)獲得的占60%以上。初期石墨烯是從高純墨上“剝離”下來(lái)的，現(xiàn)在是工業(yè)化生產(chǎn)的，即使已能商業(yè)化生產(chǎn)，但價(jià)格仍較高。