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專題報告

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高性能復(fù)合材料之金屬基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢及市場規(guī)模

與傳統(tǒng)金屬合金不同,金屬基復(fù)合材料(MMCs)具有獨特的物理、熱、電、化學(xué)和機械性能,這使它們最適合于當今基于產(chǎn)品的制造過程。金屬基復(fù)合材料,英文簡稱MMCs,是以金屬/合金為基體,以一種或多種金屬或非金屬為增強體,采用人工合成法制造而成的復(fù)合材料。由于各組成相性能互補,金屬基復(fù)合材料綜合性能優(yōu)異,具有比強度高、彈性模量高、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好、耐磨、抗斷裂、抗疲勞、耐高溫、導(dǎo)熱導(dǎo)電、不吸濕等特點,是一種戰(zhàn)略性新材料。隨著材料和制造工藝不斷改進的需要,MMCs不斷取代傳統(tǒng)材料,滿足材料科學(xué)、航空航天制造、汽車工程、生物醫(yī)學(xué)工程、國防和許多其他領(lǐng)域的最新進展和要求。

高性能復(fù)合材料之金屬基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢及市場規(guī)模

MMCs的基體一般采用鋁、銅、鎂、鋅、鈦等有色金屬及其合金,以及金屬間化合物、高溫合金等。最常用的金屬包括銅、鈦、鎂、鋁及其合金。然而,由于鋁基復(fù)合材料具有獨特的優(yōu)點,研究最廣泛的是鋁基復(fù)合材料。增強體一般采用纖維狀、顆粒狀、晶須狀的碳、碳化硅、石墨、硼、陶瓷等無機非金屬以及金屬。其獨特的特性使MMCs成為傳統(tǒng)材料的更好替代品,因為可以根據(jù)預(yù)期的目的對合成材料的性能進行修改。尤其MMCs的工作溫度范圍明顯高于其它復(fù)合材料(比如樹脂基復(fù)合材料),可以應(yīng)用在條件更為苛刻的環(huán)境中。

盡管有這些優(yōu)勢,但目前對金屬基復(fù)合材料的專業(yè)知識受限、加工工藝和過程控制難度高以及高昂的生產(chǎn)成本一直是MMCs在不同領(lǐng)域商業(yè)化和后續(xù)應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。最近的研究進展集中在針對特定目的改進這些復(fù)合材料的性能和優(yōu)化制造工藝上。本文著重介紹了近年來MMCs制造和應(yīng)用方面的最新研究進展。

MMCs的制備方法及性能

許多研究人員通過對增強體與金屬基體界面反應(yīng)規(guī)律的研究和整合,開發(fā)出多種制備金屬基復(fù)合材料的方法。固態(tài)和液態(tài)技術(shù)是MMCs最常見的傳統(tǒng)制造工藝,每種方法在成本和所需性能方面都有其優(yōu)勢。

固態(tài)制造技術(shù)涉及粉末冶金、擴散結(jié)合和攪拌摩擦過程。粉末冶金(PM)是最常見的技術(shù),一般來說,固態(tài)制造工藝是在金屬基體的熔點以下進行的。

在粉末冶金中,金屬基體和增強材料按所需的比例組合,壓縮成所需的形狀,并通過在略低于所使用材料熔點的溫度下加熱,使其在固態(tài)中結(jié)合。

在《今日材料》(Materials Today)雜志上的一項研究中,作者使用了固態(tài)粉末冶金技術(shù)研究了Al-SiC金屬基復(fù)合材料的制備,以觀察其力學(xué)及機械性能。根據(jù)研究人員的說法,這種方法的合理性是基于這樣一個事實,即粉末冶金可以根據(jù)使用的起始材料生產(chǎn)具有新穎成分和性能的MMCs。通過共混、壓實、攪拌等過程,增強材料在金屬基體相中分布均勻,無副產(chǎn)物出現(xiàn)。對感興趣的力學(xué)性能,如密度、孔隙度和硬度進行了評估,發(fā)現(xiàn)得到了顯著改進。

在《物理學(xué)雜志》的另一項研究中,報道了用粉末冶金制備的金屬基復(fù)合材料Al-Cu-Mg/SiCp的機械性能。將粉末按所需比例混合后,在350℃下進行熱壓處理,然后在500℃下保溫1小時。最后的老化步驟持續(xù)16小時,之后對最終的復(fù)合材料進行各種分析以確定其物理和機械性能。據(jù)報道,結(jié)果表明所制造的MMCs的硬度顯著提高。

最新研究表明,固體粉末冶金是高性能鋁MMCs最廣泛使用的制造方法之一。與使用類似材料組分的液相方法相比,使用PM制備的MMCs具有顯著的機械、化學(xué)和物理性能改善。這種優(yōu)勢是由于減少了不必要的界面交互。然而,PM技術(shù)成本較高,這仍然是一個重大挑戰(zhàn)。

液態(tài)制造技術(shù)包括鑄造法和滲透法。這項技術(shù)在較高的溫度下進行,通常在金屬基體的熔點附近,因為它必須在熔融狀態(tài)下進行。有多種鑄造方法。

攪拌鑄造是工業(yè)應(yīng)用中最普遍和最經(jīng)濟的制造MMCs的方法。原則上金屬基體處于熔融狀態(tài),在不斷攪拌的情況下加入增強材料,以保證材料分散均勻。這種方法性價比高,因此很受歡迎。不幸的是,它對顆粒大小很敏感,只允許小尺寸的增強材料擴散。

另一方面,滲透是一個高成本的過程,涉及通過氣體或真空將強化顆粒運輸?shù)浇饘倩w的孔隙中。這一過程允許形成高體積的復(fù)合材料(高達70%的體積),接近凈形狀。這種方法是昂貴的,需要先進的制造裝置,使它不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

在《材料》雜志上發(fā)表的一項研究中,作者綜述了使用攪拌鑄造方法制備的AA 6061金屬基復(fù)合材料的性能。其使用了各種增強材料,包括納米材料和金屬合金,如SiC、TiC和B4C。在所有這些研究中,作者報道了復(fù)合材料機械和摩擦學(xué)性能與增強材料增加之間存在正相關(guān)關(guān)系。

應(yīng)用和未來趨勢—納米顆粒或納米管

為了各種工業(yè)應(yīng)用而不斷開發(fā)具有改進的機械、物理和化學(xué)性能的材料是當代人們感興趣的課題。MMCs正在取代傳統(tǒng)的金屬合金,因為它們可以預(yù)先確定特定應(yīng)用的性能。MMCs最令人垂涎的特性包括其高強度重量比、密度、耐久性、高拉伸強度、改進的耐磨性、硬度等。這些特性使得MMCs在海洋工程、國防、生物醫(yī)學(xué)工程、汽車和飛機制造中具有極高的價值。

在汽車工業(yè)中,鋁制MMCs在制造輕型制動卡鉗、活塞銷、活塞、連桿和其他發(fā)動機部件方面得到了實際應(yīng)用。在不同的行業(yè)中,鋁制MMCs是使用最廣泛的,這也是它們受歡迎的原因。

納米顆粒或納米管在MMCs制造中的整合還有待充分探索和商業(yè)化。到目前為止,最近的研究表明,這些類別的MMCs具有替代傳統(tǒng)材料的潛力,正如使用碳納米管取代碳纖維方面所看到的那樣。為了不斷改善MMCs的性能,并開發(fā)出具有成本效益和方便的制造方法,納米顆粒可以在這方面發(fā)揮重要作用。

市場規(guī)模

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2022-2026年金屬基復(fù)合材料(MMCs)行業(yè)深度市場調(diào)研及投資策略建議報告》顯示,2021年,全球金屬基復(fù)合材料市場規(guī)模約為5.4億美元;預(yù)計2021-2026年,全球金屬基復(fù)合材料市場將以5.6%左右的年均復(fù)合增速增長,到2026年市場規(guī)模將達到7.1億美元。在全球范圍內(nèi),美國是最大的金屬基復(fù)合材料市場,主要得益于其國防開支大、通用飛機生產(chǎn)實力強;中國是全球最大的電子、汽車生產(chǎn)國,軌道交通、航空航天、軍工等產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,預(yù)計未來5年金屬基復(fù)合材料需求增長更為快速。

全球市場中,金屬基復(fù)合材料領(lǐng)先生產(chǎn)商主要有美國3M、美國DWA Aluminum Composites、美國CMT公司、加拿大力拓加鋁(Rio Tinto Alcan)、英國GKN集團、德國Deutsche Edelstahlwerke、比利時Magotteaux等。北美、歐洲地區(qū)金屬基復(fù)合材料行業(yè)起步較早,技術(shù)工藝相對成熟,產(chǎn)量大且產(chǎn)品質(zhì)量高,由于金屬基復(fù)合材料是戰(zhàn)略性新材料,這些國家對其技術(shù)嚴密封鎖。

我國金屬基復(fù)合材料研究于20世紀80年代開始起步,目前產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)基本完善,部分細分產(chǎn)品發(fā)展迅速,代表性生產(chǎn)企業(yè)主要有銀邦股份、南京潤邦、哈爾濱翔科、西安法迪、湖南浩威特等。但金屬基復(fù)合材料制造工藝復(fù)雜、價格高昂,主要應(yīng)用在高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中,限制了其應(yīng)用規(guī)模進一步擴大。未來,我國金屬基復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展的目標是開發(fā)新工藝、技術(shù)成熟化、降低生產(chǎn)成本,以提升產(chǎn)品綜合競爭力、擴大其應(yīng)用范圍。


此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會綜編,文章不用于商業(yè)目的,僅供行業(yè)人士交流,引用請注明出處。


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