金属复合材料成型技术
金属基复合材料发展的历史背景
•
二十世纪以来，随着科学技术的进步和新技术、新产业的出现，
特别是二战后高、精、尖技术的迅速崛起和发展，世界各国对工程材
料的需求越来越广泛，对材料性能也提出了越来越苛刻的要求。在这
种情况下，传统的、单一的金属材料，或受自然资源的局限，或因综
合性能不足，其应用领域受到了很大的限制，已越来越不能满足高新
• 金属层状复合材料的性能要求 近些年来，随着科学技术的进步，特别是高精尖技术的发展，对复合 材料的品种和性能提出了更高的要求。要求复合材料性能好、寿命长、 安全可靠，具有更高的强度、韧性和更小的比重;有时还需要复合材料 具有优良的的耐热性和耐腐蚀性，而且价格低，能够节约稀贵金属。 要在单一的金属材料上实现以上的性能要求有时十分困难，甚至不能 实现。通过几种物理性能相异材料的相互复合，实现以上功能并不困 难。层压型复合材料作为复合材料中的一种，可以满足以下要求:
• 我国对金属层状复合材料的研究起始于20世纪60年代初， 主要生产方式有爆炸复合法、爆炸+轧制(冷轧、热轧)复合 法、包浇(固一液结合)+轧制复合法等。其中“包浇十轧制 法”在重钢五厂实验并成功生产过，但后来由于技术经济
条件制约而停止生产。热轧复合法在上钢三厂生产过，但
产品质量水平与国外产品有一定的差距，主要表现在界面
个重要的发展方向川。现在，金属基复合材料在石油、机械、化工、
造船、建筑、电力、电子及家用电器、日常生活用品等许多领域得到
更加广泛的应用。为节约能源和资源，减轻产品重量、提高产品的性
能，产品的生产者和消费者也急需科研工作者开发研制出种类更多、
成本更低、性能更优的新型材料来满足生产和使用的要求。所以开发
• 英、法、德等发达国家对复合材料的研究也有相当的水平， 其中英国伯明翰大学在20世纪五、六十年代对固相复合进 行了较为系统的研究，取得了很多成果。
• 日本在复合材料方面的研究起步较晚，但其发展十分迅速， 近年来已成为从事金属复合研究最多的国家之一。特别是 20世纪90年代以后，对不锈钢与铝的复合研究更是取得了 很多成果，而且申请了多项专利，尤其在阶梯式加热复合 及温轧复合方面取得了令人瞩目的研究成果。
金属层状复合材料的研究现状
• 1956年美国率先提出金属层压复合的三步工艺，即:表面 处理—轧制复合—退火强化处理，这项技术使双金属室温 固相复合得到了迅速的发展。
• 前苏联对层压复合材料的研究始于20世纪30年代，主要采 用轧制法、铸造法、爆炸法、扩散焊法等方法生产铝、钦、 钢等金属与合金的复合材料，尤其在冷轧复合方面的研究 比较深入。
金属层状复合材料的特性和应用
• 金属层状复合材料的特性 金属层状复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、 化学性能不同的金属层牢固结合在一起而获得的一种新型 材料。通过科学的选择材料组元，合理的设计复层结构， 可以满足不同的应用需要。通过材料设计，金属层状复合 材料比较容易实现以下性能:
• (l)具有高比强度、比模量。 • (2)具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常
结合较差，结合面抗剪强度较低以及复层金属厚度不均等。 现阶段我国双金属复合板的生产中，爆炸+轧制复合法己 经比较成熟。但是爆炸复合法工艺繁杂，生产效率低，难
以实现大规模、连续化生产，而且工作环境恶劣，噪音大，
污染环境。现在用爆炸复合法生产的复合板产品价格较高，
而且在板形、结合质量方面与国外同类产品还有一定的差 距。
金属层状复合材料的制备方法
• （1）轧制复合
• 轧制复合法是借助大的压下量轧制两层或多层金 属和合金，依靠原子间金属键的相互吸引力而使 组元层结合起来的一种复合技术。根据轧制复合 时是否加热可以分为热轧复合和冷轧复合。这种 方法一般包括三个步骤:表面处理、轧制复合和扩 散退火。轧制复合可以进行成卷连续生产，各金 属组元层的厚度均匀，产品尺寸精确，性能稳定， 生产效率高、成本低，易于实现大规模工业化生 产。
技术的发展要求。20世纪80年代以后，金属基复合材料被广泛应用于
火箭制造、兵器工业、航空航天等科技尖端领域。近些年来，随着社
会经济的发展，人们对能源和资源的消耗量日益增多，许多矿产资源
日渐枯竭，广泛使用节能环保的绿色复合材料已经成为社会生活的发
展潮流，世界各国也将研究和制备新型复合材料作为材料科学领域一
• 爆炸复合 • 爆炸复合法投资少、成本低，不需要复杂的大型
设备，只要有爆炸场地即可生产。爆炸复合通过 强大的爆破力作用实现不同金属原子的紧密结合， 通过金属键形成牢固的焊接界面，实现基层和复 层牢固的冶金结合。 • 爆炸复合法主要适用于单张面积较大、板厚较厚 的双层或多层复合板的生产，如不锈钢/钢、不锈 钢/铝、钦/钢、钦/铜等。爆炸复合仅限于制造平 板，而且由于起爆位置、间距、装药形式以及爆 轰波传播方式的不同，易导致复合率的降低，难基复合材料具有十分紧迫的现实意义，也必将带来显著
的经济效益和社会效益。
• 金属基复合材料根据其特点可以分为三大 类:
层状复合材料
颗粒复合材料
纤维复合材料
金属层状复合材料的定义和性能要求
• 金属层状复合材料的定义 层压型复合材料是金属基复合材料中的一种，根 据国际标准化组织的定义:层状复合材料是由两种 或两种以上物理和化学性质不同的物质层合而成 的一种多相固体材料。层状复合材料各组元层保 持各自的相对独立性，但其性能并不是组元材料 性能的简单叠加，而是有着重要的改进。合理选 择不同的组元层，可以使该材料具有多种优异性 能，以满足抗磨损、抗腐蚀、抗冲击及高导热性、 导电性等多种特殊的应用要求。
• (1)性能互补:如将高硬度材料与高韧性材料层状复合后制成性能互补 的复合板。
• (2)表面保护作用:用耐热、耐腐蚀、耐磨的材料作复合板的表层起到 保护作用。
• (3)利用材料物理性能的差异:如利用热膨胀系数不同的材料制作热敏 元件。
• (4)经济作用:稀贵金属与廉价金属复合以节约稀贵元素或贵金属。
工作。 • (3)耐磨、导热性好、热膨胀小、尺寸稳定。 • (4)成本低廉，适用于批量生产。
金属层状复合材料的应用
层状复合材料的特点在于能够充分发 挥和合理利用各种金属的特殊物理、力学 性能，大大节约稀贵金属以降低成本。通 过对层板组分的合理的选择以及适当的加 工工艺，可以获得满足不同需要的层状金 属复合材料。目前，层压复合材料已广泛 应用于交通、建筑、化工、核能、电力、 海洋工程等多种行业。