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篇(1)

關鍵詞：金屬基；復合材料；加工技術

復合材料不僅具備了高性能、耐高溫等優(yōu)點，而且由于其結構具有可設計性、長壽命與減重等特征，因而在航空航天領域之中的應用變得愈來愈廣泛。復合材料是如今復材零件使用中周期偏長、成本偏高，而且風險也相當大的一道工序。在我國創(chuàng)建復合材料的產(chǎn)業(yè)鏈過程中尚具有比較大的問題。有關配套加工技術還不夠成熟，因而在復合材料加工上的技術研究上投入的人、財、物力也具有不足之處，與西方國家先進的材料加工技術研究比較起來尚有比較大的距離。正是由于復合材料加工技術尤其是金屬基復合材料加工技術在諸多方面得到了非常多的運用，所以加大材料加工技術的探究，顯得極為重要。

一、復合材料加工技術概述

復合材料是一種多相材料。這里所說的多相，主要是指具有兩種或以上的化學性能的相關材料。復合材料則是把多相材料通過諸多加工方法進行加工而合成。復合材料具有的兩相分別為增強相與基體相。復合材料主要存在兩種加工技術，也就是常規(guī)加工方法與特種加工方法。常規(guī)加工法和金屬加工法是一樣的，加工手段相對較為簡單，而工藝也比較成熟。但是，一旦加工復雜工件之時就會對刀具造成極大的磨損，其加工的質(zhì)量不夠好，且在加工中形成的粉末極易對人體造成極大的影響。后者相對來說比較容易加以監(jiān)控，而在加工的過程中，切削刀具和被加工的工件接觸量非常小以至于為零，這就十分有利于自動化加工。然而，由于復合材料所具有的復雜性，導致特種加工之運用也會遭受限制，因此，一般來說，常規(guī)性加工的運用比較多。

二、金屬基復合材料加工技術分析

所謂金屬基復合材料，主要是指以金屬及合金為基礎，使用陶瓷顆粒和纖維等為強化材料復合起來的一種高質(zhì)量的材料。因為這類材料具備了強度比較高、耐熱與耐磨、穩(wěn)定性高等良好的性能，從而讓這類材料已經(jīng)成為諸多實踐領域之中最具有吸引力的一類材料。該材料大量運用在航空和軍事等諸多領域。在金屬基復合材料的生產(chǎn)過程之中，為切實降低材料的生產(chǎn)成本與提升性能，通常是先把該材料制作為鑄錠與初級板材之后，再通過二次加工成形以制做出能夠直接運用的零件等。由于精密加工技術的不斷發(fā)展，對精密化、潔凈化、精度較高的材料需求量不斷增加，精準化與高韌度的金屬基復合材料市場份額變得愈來愈大。所以，對這種復合材料的加工技術進行深入研究，對于推動機械加工技術的推廣運用具備了十分突出的實際意義。

三、金屬基復合材料加工的具體技術手段

一是切削加工技術手段。金屬基復合材料加工技術是一種常用的技術手段。通過認識與把握材料切削加工的常見規(guī)律，準確選擇刀具與切削的用量，這樣一來才能確保加工質(zhì)量以及相當高的成效。使用硬質(zhì)合金以及高速鋼等為主要的切削刀具，探究了碳化硅顆粒提高鋁基復合材料之中的碳化硅含量和尺寸等參數(shù)對于切削加工性能所造成的影響。有研究證明碳化硅的顆粒尺寸一旦愈大、含量愈多，刀具所產(chǎn)生的磨損度也更加快。碳化硅的顆粒一旦比較粗大，其加工工件的外表也就會相當粗糙，而且隨著顆粒含量持續(xù)增加而不斷增加，復合材料對于刀具造成的磨損也會越大。使用聚晶金剛石刀具，可以對顆粒增強對復合材料的制備性能進行深入研究。在達到某種切削速度之時，材料對于刀具所造成的損耗是最小的，而且工件外表的粗糙度比較好。在運用常見加工設備之時，側重于刀具結構的改進與創(chuàng)新，這是提升工作效率的更具有可行性的方式。

二是線切割加工技術手段。傳統(tǒng)意義上的刀具只適合于加工體粒徑比較小而且含量比較少的那些復合材料。當體粒徑不斷增加而且含量不斷增多之后，高速鋼與硬質(zhì)合金等普通刀具的磨損相當快，即便于選擇了高硬度刀具加以切削，其使用壽命也難以讓使用者滿意。因為這一情況，把特種加工法運用到此類材料之中就非常有必要。當前運用電火花線來切割加工顆粒以強化復合材料的研究已經(jīng)有了大量的報道，而切割的速度以及切割之后的外表粗糙度則是十分重要的加工參數(shù)。通過探究電參數(shù)對于電火花線進行切割加工，可以對復合材料切割快慢以及外表粗糙度造成一定的影響。使用掃描電鏡來分析復合材料線所切割的加工外表的樣貌。脈沖的間隔對于外表粗糙度的影響并不是很大，在其達到了某種程度之時，表面上的粗糙度往往不會受到影響。通過選擇比較大的峰值電流以及比較短的脈沖寬度，可以對復合材料實施比較理想的電火花線進行切割和加工。這類材料的線切割加工必須要科學地選擇電加工的參數(shù)，電極間的電壓一定要高出間隙以擊穿電壓，合理地確定電極與工件彼此間所具有的距離，合理地選擇電介液絕緣力而且對間隙污染實施合理評估與清除。

三是磨削加工手段。對金屬基復合材料實施磨削加工，主要是指運用磨具所具有的切削力，除了工件外表的那些多余層，可以讓工件的外表質(zhì)量能夠達到預定要求的一些加工手段。如今，經(jīng)常見到的金屬基復合材料磨削加工手段主要包括了外圓磨削、內(nèi)圓磨削以及成形面磨削等。這類材料所具有的磨削特點受到了增強相以及其所用的砂輪類型造成的影響，提高材料所具有的磨削方式，而軟性金屬堵塞砂輪則是砂輪喪失效力的一個重要因素，而磨削加工過程中所出F的主要問題就是砂輪的堵塞、磨削區(qū)出現(xiàn)冷卻。所以說，在進行實驗的條件之下，磨削顆粒增強型的復合材料之中，碳化硅砂輪的表現(xiàn)相當突出，其在磨削力、粗糙度等各個方面均超出了CBN以及金剛石磨料砂輪等材料。利用陶瓷基SiC砂輪以及樹脂結合劑金剛石砂輪等對增強型復合材料所實施的磨削證明了SiC砂輪可用于粗磨之中。在粗磨過程中，工件磨削表面上會產(chǎn)生基體金屬涂敷等問題，從而切實地降低表面具有的粗糙度。金剛石砂輪十分適合于進行精磨。在精磨過程中，基體材料并無顯著的涂敷狀況。利用細粒度金剛石砂輪，可以對1um深的磨削區(qū)實施材料的延性化磨削，其表面和亞表面并無裂紋或者缺陷出現(xiàn)，能夠促進增強相之延性。所以說，磨削是金屬基復合材料加工當中極有發(fā)展前景的加工方式之一，能實現(xiàn)無損化加工。

四是鉆削和振動切削加工手段。碳化硅鋁基復合材料的性能有別于普通鋼鐵材料，一般是使用整體或者涂層金剛石鉆頭實施孔加工。鉆削加工當中出現(xiàn)的刀具磨損以及加工表面質(zhì)量則是判斷其可加工性能的重要指標。對鋁合金復合材料刀具所產(chǎn)生的磨損以及表面質(zhì)量開展試驗性研究。在鉆削鋁合金復合材料的過程之中，鉆頭磨損如果發(fā)生于后刀面，產(chǎn)生磨損的原因則是磨料的磨損。運用掃描電鏡可發(fā)現(xiàn)鉆頭后和切削速度方向保持一致的磨損溝，而鉆頭的橫刃與外緣處也存在著磨損。刀具耐用度首推YG8鉆頭，TiN涂層以及深冷鉆頭質(zhì)量較次，而HSS鉆頭則是最差的。當前，國內(nèi)外對于金屬基復合材料振動切削與加工的研究相對較少。超聲振動切削作為特種加工技術手段之一，具備了減小切削力與降低表面粗糙程度、提升加工精度并且延長刀具壽命等特點。通過對鋁基復合材料所進行的振動切削開展研究，把振動切削復合材料的所具有的切屑形態(tài)、變形系數(shù)以及剪切角切削形貌與粗糙度、殘余應力等開展對比與研究，可以發(fā)現(xiàn)振動切削鋁基復合材料具備了降低切屑變形、降低表面損傷程度與粗糙度、加大表面壓應力等功能，這樣一來就為金屬基復合材料實施精密化切削探索出了一條嶄新的發(fā)展途徑。

四、結束語

綜上所述，復合材料加工技術均有各自不同的特色，其中金屬基復合材料屬于具備組分材料難以擁有的全新優(yōu)質(zhì)性能的一種先進材料。因為復合材料的制造成本相對來說比較高，所以在其加工的過程之中應當盡可能地提升材料的利用率，切實降低能源所產(chǎn)生的消耗，推動我國清潔材料的生產(chǎn)。目前階段，應當致力于發(fā)展各類二次成形之后的零件不再需要進行加工或少加工即可得到成品的技術，從而不斷推動金屬基復合材料的精密化、清潔化與高效化生產(chǎn)。

參考文獻：

[1]沃丁柱. 復合材料大全[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2000.

[2]程秀全. 航空工程材料[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2009.

篇(2)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，復合材料增強有色金屬材料在生產(chǎn)中的實際應用，滿足了當下發(fā)展需要，更好地促進了相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進步。復合材料增強有色金屬材料應用，就是在有色金屬材料中添加非金屬增強材料，這樣一來，可以更好地對原有材料的性能進行改變，形成一種新的復合材料。這種復合材料將比原來的材料具有更好的性能，能夠滿足更深層次的有色金屬材料應用。本文對復合材料增強有色金屬材料研究，將注重分析有色金屬材料性能的加強分析，希望本文的研究，能夠為有色金屬材料的發(fā)展，提供一些參考和建議。

關鍵詞：

復合材料；有色金屬材料；性能分析；

就有色金屬材料的發(fā)展情況來看，目前在航空航天、機械制造以及交通運輸領域，得到了較為廣泛的應用。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，有色金屬材料在相關產(chǎn)業(yè)中的應用變得越發(fā)廣泛，加強有色金屬材料性能，對于提升相關產(chǎn)業(yè)進步來說，具有著一定的積極意義。科學技術的發(fā)展和進步，為提高有色金屬材料性能打下了堅實的基礎，進一步提升有色金屬材料的性能，可以更好地促進機械制造業(yè)、航空航天事業(yè)的發(fā)展，滿足當下人們對有色金屬材料的實際需要。因此，提升有色金屬材料性能，利用復合材料增強其性能的研究，成為當下有色金屬材料發(fā)展的一個熱門議題。本文對有色金屬材料性能的研究，主要分析了有色金屬材料在添加非金屬增強材料后，形成的復合材料效果檢測，闡述了復合型的有色金屬材料在相關產(chǎn)業(yè)中應用的優(yōu)勢，以期更好地促進有色金屬材料性能的提升。

1有色金屬材料SiC的復合材料增強效果研究

本文對SiC這一有色金屬材料的增強性研究，主要探討了非金屬材料ZA22鋅基合金的添加。ZA22鋅基合金添加到SiC中，可以增強其性能，具有較好的強化效果。

1.1SiC添加ZA22鋅基合金的加入量和加入方式分析SiC顆粒是國產(chǎn)a型砂輪磨料，在實際生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應用。這種有色金屬材料的應用，主要是通過添加ZA22鋅基合金，增強了其性能，讓SiC顆粒能夠更好地應用于砂輪磨料當中。在進行SiC增強過程中，ZA22鋅基合金的加入量應為復合材料鑄錠的5%、10%、20%，在添加過程中，要使ZA22鋅基合金形成的合金漿料，均勻地分布在合金之中，并且在加入后，對漿料進行升溫澆注，保證加強后的SiC能夠具有較好的性能。SiC通過添加ZA22鋅基合金后，將形成SiCp/ZA22復合材料，這種材料對于實際生產(chǎn)更具優(yōu)越的性能，能夠更好地滿足砂輪磨料實際需要[1]。

1.2SiC增強效果分析SiC在添加ZA22鋅基合金后，具有了更加強大的性能，其增強體的性能在基體中均勻分布，使SiC顆粒能夠更好地分布在復合材料當中，并且其強度要比復合材料的抗拉強度提升許多。就相關測試數(shù)據(jù)顯示，這種添加了ZA22鋅基合金的SiC復合材料，抗拉強度要比原來提升了百分之四十七。同時，SiCp/ZA22復合材料的抗壓值為518，ZA22鋅基合金的抗壓值為352；SiCp/ZA22復合材料的GPa為105E，而ZA22鋅基合金的GPa則為66E。除了SiCp/ZA22復合材料的抗拉強度提升之后，其耐磨損性能也得到了顯著地提升。ZA22鋅基合金添加SiC后，具有了更為強大的耐磨鎖性能，能夠更好地應用于實際生產(chǎn)當中。關于SiC的耐磨損性能測試數(shù)據(jù)顯示，磨環(huán)的淬火數(shù)值為GCrl5，磨損測試時間為40分鐘，正向壓力數(shù)值為392N，通過磨損試驗后，復合材料會隨著SiC的體積分數(shù)增加而有所變化，對比ZA22鋅基合金的磨損數(shù)據(jù)，磨損的損失量僅為ZA22鋅基合金的一半左右。由此可見，在有色金屬材料中添加非有色金屬材料，可以更好地提升材料性能，形成一種增強型的復合型材料后，更加有利于實際生產(chǎn)應用。

2關于納米三氧化二鋁（Al2O3）增強銅基材料的應用分析

納米三氧化二鋁的增強型銅基材料，在機械化生產(chǎn)中得到了較為廣泛的應用，通過提升納米三氧化二鋁的性能，使其具有更好的硬度和抗彎強度，能夠很好地保證有色金屬材料性能在實際使用中發(fā)揮應有的作用，從而更好地促進我國相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進步[2]。

2.1關于納米Al2O3加入量以及相應加入方式的分析納米三氧化二鋁在選擇試驗材料時，主要涉及到銅粉、納米、石墨等材料。其中銅粉占有試驗量的百分之七十，納米三氧化二鋁則為1%~5%，剩余的則為石墨的含量。在進行實際試驗過程中，主要進行了摩擦實驗，摩擦實驗的進行條件如下：設置摩擦的滑動速度為5*10-3m/s，載荷數(shù)值為5000N，在實際測試過程中，要注意磨損穩(wěn)定值，當磨損穩(wěn)定值的摩擦系數(shù)和磨損率保持一致時，對納米三氧化二鋁增強銅基材料進行抗彎強度試驗，其試驗則在5000N的拉力試驗機上進行。納米三氧化二鋁增強銅基材料的實驗，主要是為了測試其在拉力試驗機上的磨損程度，比較復合材料與單一材料的磨損能力以及相應的硬度、抗彎強度數(shù)值[3]。關于納米三氧化二鋁質(zhì)量分數(shù)的磨損值我們可以從圖中看出：通過對比磨損值與納米三氧化二鋁的質(zhì)量分數(shù)關系，我們不難看出，載荷為5000N下，納米三氧化二鋁增強銅基材料的磨損量更少，其性能更加優(yōu)越。

2.2納米Al2O3的增強性能分析關于納米三氧化二鋁增強性能的分析，我們可以從上述的實驗中看出，納米三氧化二鋁增強銅基材料要比傳統(tǒng)的納米三氧化二鋁具備更好的硬度和抗彎強度。試驗過程中，納米三氧化二鋁的體積分數(shù)小于4%時，納米三氧化二鋁增強銅基材料的強度會隨著納米三氧化二鋁的質(zhì)量分數(shù)增強而提升；當納米三氧化二鋁的體積分數(shù)小于4%時，銅基復合材料的抗彎強度也會有所增強。

3鋁合金復合材料的增強性能研究

鋁合金這種復合材料我們并不陌生，在實際應用過程中，鋁合金的應用范圍更加廣泛。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，對鋁合金這種材料的要求也隨之升高，提升鋁合金復合材料的整體性能，對于促進相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來說，具有著重要的意義。鋁合金材料在實際應用過程中，在不同溫度條件下，其抗拉強度有著明顯的變化，為了更好地應用鋁合金，了解其材料特性的時候，就要加強鋁合金材料的抗拉強度，使之具備更強大的性能，這樣一來，才能更好地滿足實際生產(chǎn)需要。就相關數(shù)據(jù)實驗顯示，三種鋁合金復合材料在100度的抗拉強度如下：鋁合金（ZL109）抗拉強度為294MPa，K2O.6TiO2/ZL109抗拉強度為296MPa，Al2O3/ZL109抗拉強度為311MPa。由此可見，我們不難看出，鋁合金復合材料的抗拉強度明顯要強于鋁合金材料[4]。

4鎂基復合材料和鋁硅合金的增強性能分析

鎂基復合材料和鋁硅合金的增強，使其在實際應用中具備更好的性能，能夠在實際生產(chǎn)中，滿足實際需要，更好地促進相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進步。

4.1鎂基復合材料增強性能分析鎂基復合材料的應用，主要是鎂合金基體和非有色金屬材料的結合，這種復合型材料更好地提升了鎂合金的強度。一般來說，鎂基復合材料在應用過程中，主要添加了碳纖維、氧化鋁、碳化硼顆粒等。鎂基復合材料在制造行業(yè)得到了較為廣泛的應用。有關鎂基復合材料的性能，在添加體積分數(shù)為30%的碳纖維后，可以增強鎂合金的剪切強度，鎂基復合材料的強度為40MPa，而鎂合金材料的強度則為20MPa，對比兩個數(shù)據(jù)，我們不難看出，鎂基復合材料的性能要超出鎂合金性能太多。

4.2鋁硅合金增強性能分析鋁硅合金增強性能，主要是利用石墨復合材料阻尼性能，增強鋁硅合金的自滑性，降低鋁硅合金的摩擦性，使鋁硅合金能夠在內(nèi)燃機活塞以及軸承中得到廣泛的應用。針對于鋁硅合金增強性能的研究分析，主要選擇7.5%的鋁硅合金作為試驗材料，并添加石墨，其粒度為60~200um。在實際實驗過程中，將石墨均勻加入鋁硅中，并且將其鑄造成型，對其阻尼性能以及相關化學性能進行有效的檢測。關于鋁硅合金增強性能的實驗結果，如下所示：7.5%鋁硅合金的內(nèi)耗為0.83*10-2，GA-1的內(nèi)耗為2.26*10-2，GA-2的內(nèi)耗為3.17*10-2。由此可見，當鋁硅合金內(nèi)的石墨含量增加后，鋁硅-石墨復合材料的內(nèi)耗增大，可以更好地實現(xiàn)減震目標。

5結束語

篇(3)

關鍵詞 氧化物；陶瓷；鐵基；復合材料；潤濕性

中圖分類號TF12 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2014）123-0135-02

0引言

氧化物陶瓷/鐵基耐磨復合材料，氧化物陶瓷的特性有機械強度高、耐磨性能好、耐腐蝕性好、熱穩(wěn)定性好，缺點是易碎裂、不易加工、驟冷驟熱性能不良。金屬合金材料加工性能好、韌性好，但耐磨性能不良。如何把陶瓷的優(yōu)良特性與金屬合金材料優(yōu)良特性結合起來，揚長避短，國內(nèi)外都做了大量的研究與實踐。因此，具有陶瓷的優(yōu)良特性及耐磨性能，又具有金屬材料的優(yōu)良特性的耐磨復合材料被廣泛應用于各種耐磨領域。這就需要把陶瓷與金屬復合到一起，但現(xiàn)有的生產(chǎn)制作工藝復雜，對工藝裝備要求高，生產(chǎn)成本居高不下，很難被多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)采用，因此，我們要研究一種生產(chǎn)工藝來降低生產(chǎn)成本，能讓多數(shù)普通企業(yè)能用上高硬度、高強度、高耐磨性、高韌性的復合材料。

1背景

磨損是零部件失效的一種基本類型，普遍存在于冶金、礦山、電力、機械、國防、軍工、航空航天等許多工業(yè)部門，這造成了材料的極大浪費和能源的巨大消耗。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)每年消耗金屬耐磨材料高達600萬噸以上。以上數(shù)據(jù)可知，提高機械設備及零部件的耐磨損性能，可以大大減少能源消耗，提高生產(chǎn)效率。眾所周知，陶瓷具有很高的耐磨損性能，而金屬具有良好的韌性。這些性能很難在同一材料中協(xié)調(diào)一致，為了解決這一矛盾，使用氧化物陶瓷鐵基耐磨復合材料是較好的選擇。

2現(xiàn)行生產(chǎn)工藝

現(xiàn)行生產(chǎn)工藝有幾大類：1）將制備好的氧化物陶瓷顆粒與自熔性金屬合金粉末混合后（按一定比例）用油壓機或等靜壓壓制成工藝所需的形狀，用高于自熔性金屬合金熔點的溫度下，進行燒結；2）將制備好的氧化物陶瓷顆粒與自熔性金屬合金粉末混合燒結，是利用自熔性金屬合金與氧元素結合能力的差異，將金屬從其氧化物中置換出來，形成氧化物陶瓷/鐵基耐磨復合材料；3）將自熔性金屬合金熔液熔滲到陶瓷預制體多孔之中。上述方法只能生產(chǎn)小型復合材料塊，無法將復合材料復合到需要耐磨的部位，運用到礦山機械、粉碎設備上難度很大。此工藝經(jīng)濟性稍差。

3研究方向

氧化物陶瓷鐵合金復合材料性能優(yōu)良，但與大型結構件復合復合困難，制備過程比較復雜。雖然，現(xiàn)有工藝解決了一些問題，在制作單個氧化物陶瓷鐵合金復合材料上等研究取得了一定的進展，在實際應用領域但仍未開發(fā)出適合實際的產(chǎn)品。因此，需要研究開發(fā)出適合的新型制備工藝。我們主要研究方向是如何將復合材料復合到需要耐磨的部位，運用到礦山機械、粉碎設備上，重點在能降低成本、實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)進行研究探討。

4實施方法

1）合金耐磨預制件制成工藝：將氧化物陶瓷顆粒與自熔性合金粉末按比例用機械進行充分混合，依據(jù)用戶產(chǎn)品結構不同設計不同的模具，在油壓機下將合金耐磨預制件壓制制成特定形狀，如柱狀、條狀、塊狀、蜂窩狀等；2）冶金工藝：將耐磨預制件置于用泡沫、塑料等高分子有機材料制作的實體模具內(nèi)用真空冶金鑄造工藝進行復合鑄造。利用金屬母液的溫度將合金耐磨預制件燒制成型并與合金耐磨預制件形成冶金結合面。該工藝設備投資小、工藝簡單、金屬母體與耐磨預制件冶金結合面良好。

5工藝過程

1）將粒徑為8目的氧化物陶瓷顆粒10%、粒徑為30目的氧化物陶瓷顆粒39%、粒徑為60目的氧化鋯陶瓷顆粒48%與自熔性鐵基合金粉末7%，使用水溶性樹脂4%機械混合均勻得混合物，放入油壓機中用模具壓制成型然后放入80°C的烘箱中烘干得到耐磨預制件；

2）將耐磨預制件在800℃的箱式爐中進行排膠；

3）將排膠后的耐磨預制件涂抹硬釬劑；

4）將涂抹硬釬劑的耐磨預制件置于用泡沫、塑料等高分子有機材料制作成為與要生產(chǎn)鑄造的零件結構、尺寸完全一樣的實體模具內(nèi)；

5）實體模具經(jīng)過浸涂強化涂料并烘干后，裝入真空造型砂箱中排列好做好澆鑄口，然后用干石英砂埋好，經(jīng)三維振動臺振動埋實；

6）用中頻感應煉鋼爐將耐磨基礎件金屬母體常用耐磨件的高錳鋼、合金鋼、高碳鉻鐵熔化成金屬液，用澆包將合金鋼水澆鑄到真空造型砂箱上的澆鑄口中，真空造型砂箱在0.5Pa的負壓狀態(tài)下澆入熔化的合金金屬液，使高分子有機材料實體模型受熱氣化被抽出，被液體合金金屬取代冷卻凝固后成型，同時利用合金金屬母液的溫度將耐磨預制件燒制成型并與耐磨預制件形成冶金結合面。

6優(yōu)點

1）利用合金金屬母液的溫度將耐磨預制件燒制成型并與耐磨基礎件形成冶金結合面。耐磨件基體和氧化物陶瓷不會發(fā)生變形；

2）工藝簡單、制作材料不需進行熱處理就能達到所需

硬度；

3）解決了氧化物金屬陶瓷和金屬基體結合難的難題，避免了澆注工藝帶來的缺陷；

4）耐磨工件表面氧化物陶瓷、金屬呈規(guī)律分布，既保證了耐磨件的耐磨性，又保證了其抗沖擊性能；

5）冶金面結合良好能大幅度降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

參考文獻

[1]萬潔，陳小青，王彬.景德鎮(zhèn)陶瓷文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策研究[J].黑龍江對外經(jīng)貿(mào)，2009，2：82-84.

[2]陳維平，楊少鋒，韓孟巖.陶瓷/鐵基合金復合材料的研究進展[J].中國有色金屬學報，2010，2：257-266.

[3]劉均波，王立梅，黃繼華.反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）_7C_3/γ-Fe金屬陶瓷復合材料涂層的耐磨性[J].北京科技大學學報，2007，1：50-54.

篇(4)

1鋁合金復合材料技術及工藝發(fā)展的歷程及現(xiàn)狀

早在19世紀30年代在美國等國家就開始開發(fā)及研究鋁合金復合材料，其方式就主要對熱傳輸設備進行研究，此時與鋁合金復合材料相關的技術及工藝尚不完善，但是在焊板、箔等生產(chǎn)中應用有較好的使用效果。而在19世紀40年代，此項工藝技術開始在西歐一些發(fā)達國家的熱傳輸設備生產(chǎn)中應用，這也為鋁合金復合材料及的關鍵技術及工藝提供了進一步的發(fā)展空間。在19世紀80年代鋁合金復合材料關鍵技術及生產(chǎn)工藝仍然由一些發(fā)達國家所掌控，而我國在鋁合金復合材料的生產(chǎn)及研究中起步相對較晚，但是在不斷的研究及發(fā)展中仍然取得了一定的進步。對于鋁合金復合材料的生產(chǎn)技術及工藝來說，其主要是采用特定的手段來改變金屬材料的性質(zhì)及特點，例如其化學、力學、物理等性質(zhì)，這樣可以使材料在實際的使用中滿足不同的生產(chǎn)要求，進而提升其應用效果。

2鋁合金復合材料的特點

鋁合金復合材料因受加工生產(chǎn)的作用使其具備了多種實用性能，例如在使用中具有金屬、合金、非金屬材料等性質(zhì)特點，可以說其融合了這些單一金屬所具備的特性及優(yōu)勢。目前鋁合金復合材料在使用中具備了防磨損、耐高溫、阻斷性、導熱性、抗腐蝕、強度高、電磁性、光敏性等特點，再加上其成本相對較低且重量較輕使其在實際中得到了良好的推廣及應用。鋁合金復合材料通常情況下為兩層或三層復合軋制而成，皮材采用熔點低且流動性好的4XXX鋁合金作為焊料、芯層采用具有中等強度的3XXX防銹鋁合金復合軋制而成。

3鋁合金復合材料關鍵技術指標

根據(jù)鋁合金復合材料在生產(chǎn)應用中的特殊性決定了其需具備相應的關鍵技術指標，其關鍵技術指標的確定主要是根據(jù)材料實際使用的場合及情況來進行確定的，以此來滿足對鋁合金復合材料的不同使用要求。在鋁合金復合材料的關鍵技術指標中主要包括溫度、厚度、尺寸、性能等，以下則是對其各項關鍵技術指標的研究及總結。3.1鋁合金復合材料的主要狀態(tài)及規(guī)格指標。鋁合金復合材料在生產(chǎn)中首先需要注意的就是其基礎性技術指標，包括材料的狀態(tài)、規(guī)格、牌號等，對于此部分指標系數(shù)見表1。3.2鋁合金復合材料的包覆率指標。由于鋁合金復合材料在實際應用中其產(chǎn)品要求及使用性能的不同使其實際的規(guī)格也有一定的區(qū)別，而在此種情況下材料實際的包覆層厚度也有一定的區(qū)別，根據(jù)鋁合金復合材料性質(zhì)來看，其包覆率水平越高，整體材料的性能就越就穩(wěn)定，相應的質(zhì)量也可以得到良好的保障，其具體的指標參數(shù)見表2。3.3鋁合金復合材料的化學成分指標。目前在相關技術及工藝的發(fā)展及進步使化學成分也在不斷的變化，同時在鋁合金復合材料生產(chǎn)中對其控制標準的要求也在不斷的提升，而對其化學成分控制指標的確定及運用主要是以GB/T3190作為標準，以此來控制合金產(chǎn)品中的化學成分。3.4鋁合金復合材料的力學指標。在原有的鋁合金復合材料生產(chǎn)中其力學指標控制相對較松，而在現(xiàn)今此種材料的使用形式及使用功能在不斷完善的情況下，力學指標的重要性也逐漸凸顯出來。其力學指標的確定主要針對焊接性能，因此對于力學指標的確定需要根據(jù)鋁合金復合材料的實際應用方向及應用性能來進行確定。3.5鋁合金復合材料的溫度指標。其溫度指標主要是指在釬焊中的溫度指標，由于在釬焊過程中高溫會對鋁合金復合材料的穩(wěn)定性及質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，為此在實際中需要對其溫度進行嚴格的控制，其指標參數(shù)見表3。

4鋁合金復合材料的生產(chǎn)工藝

4.1鋁合金復合材料的包覆厚度理論。第一，在鋁合金復合材料軋制的過程中需要注意材料所具備的金屬鍵特點；第二，在雙金屬中其所需要復合的材料需要注意其臨界值；第三，在鋁合金復合材料生產(chǎn)中其材料原子在一定的條件下會產(chǎn)生一定的能量；第四，雙金屬在進行復合生產(chǎn)的過程中國會因表面接觸出現(xiàn)塑性變形的情況，而此種情況主要是由于其表面覆蓋的氧化層破裂而出現(xiàn)的一種位錯遷移；第五，在雙金屬復合中其化學鍵會在接觸及外部條件的作用下出現(xiàn)激活的情況，最后雙金屬在化學反應中出現(xiàn)結合情況；第六，在雙金屬復合中其在結合過后會會產(chǎn)生擴散情況，此情況主要是指在結合部分金屬原子通過擴散活動來增強其結合程度及強度，此種擴散情況可以有效的提高鋁合金復合材料的性能。4.2鋁合金復合材料的包覆軋制技術。目前在鋁合金復合材料的復合軋制中所使用的技術主要分為兩種，熱軋制及冷軋制，其中熱軋復合技術在使用中其高溫可以使金屬溫度升高，進而使材料可以受到更好的變形重塑，相對的其變形抗力也要較其它方式小，在應用中復合效率高。而冷軋復合技術由于溫度等條件的影響使材料的抗變形能力較強，為此在實際施工中其設備及技術使用要求也較多，相應的成本也要高于熱軋復合技術。

以上根據(jù)鋁合金復合材料的特點對其關鍵技術指標及生產(chǎn)工藝進行了全面的解析，為其生產(chǎn)及使用提供了一定的參考依據(jù)，在實際中還需對相關技術不斷研究及發(fā)展，從而提升產(chǎn)品的綜合性能，滿足高端產(chǎn)品發(fā)展需求。

作者:胡建兵 單位:深圳市萬德裝飾設計工程有限公司

參考文獻

[1]盛永清.工型復合材料加筋壁板制造工藝研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2016.

篇(5)

鎂合金作為最輕的金屬結構材料，具有高的比強度和比剛度、優(yōu)良的鑄造性能和機械加工性能，被譽為21世紀的綠色結構材料，有著廣泛的應用前景。但是與鋁合金相比，鎂合金由于高溫下強度下降使其應用受到一定的限制。

為了改善鎂合金強度低、力學性能差的缺點，常向鎂合金中加入連續(xù)或非連續(xù)（短纖維、晶須等）纖維增強鎂基復合材料增強鎂基復合材料。但其中纖維或晶須作為增強體價格昂貴、制備工藝復雜、存在晶須斷裂等問題使纖維/晶須增強鎂基復合材料的實際應用受到很大限制。為了滿足進一步推廣應用的要求，開始研究顆粒增強鎂基復合材料，其具有力學性能呈各向同性、制備工藝簡單、增強體價格低廉、等特點， 是目前最有可能實現(xiàn)低成本、規(guī)模化商業(yè)生產(chǎn)的鎂基復合材料。

1.鎂基復合材料組成

鎂基復合材料主要由基體及增強相組成。基體所用鎂合金系主要有Mg-AI-Zn系、Mg-Zn-Zr系、Mg-Li系、Mg-Mn系等。而對于鎂基復合材常用增強體主要有碳纖維、碳化硅、氧化鋁及碳化硼顆粒等。

2.專利申請概況

2.1 申請人類型分析

本文從中國專利文摘數(shù)據(jù)庫CPRSABS和世界專利文摘庫SIPOABS、德溫特世界專利庫DWPI中選取分類號和關鍵詞進行檢索，并對檢索結果進行了分析。從專利的申請人類型來看，高校及科研院所擁有較大優(yōu)勢，占全部專利申請量的51%；其次為公司及企業(yè)，占全部專利申請量的44%，個人以及其他擁有的份額較少，僅占5%。其中，國外申請人以企業(yè)或公司為主，國內(nèi)申請人以高校及研究院為主。

2.2 專利申請量分析

通過對全球范圍內(nèi)顆粒增強鎂基復合材料專利申請量的分析發(fā)現(xiàn)，在顆粒增強鎂基復合材料的整個發(fā)展過程中，國外技術的發(fā)展主要集中于2010年以前，而國內(nèi)則是從2000年開始，由高校牽頭開始研究顆粒增強鎂基復合材料。

3.顆粒增強鎂基復合材料專利現(xiàn)狀分析

根據(jù)鎂基復合材料的使用性能、基體鎂合金的種類和成分來選擇所需的顆粒增強相。要求增強相與基體物理、化學相容性好，應盡量避免增強相與基體合金之間的有害界面反應，并使其與基體潤濕性良好，載荷承受能力強等。根據(jù)種類的不同其主要包括硅化物、碳化物、氧化物、氮化物、金屬以及準晶等。

3.1 硅化物顆粒

硅化物顆粒主要包括Mg2Si，CrSi2以及TiSi2等。在使用硅化物顆粒增強鎂基復合材料時，增強相硅化物顆粒主要是通過原位反應生成。在1994年，日本專利JPH0841564 A首先通過原位反應生成Mg2Si顆粒增強相，與碳化硅顆粒一起增強鎂合金。但是在鎂合金中反應生成的Mg2Si相極易長大變成粗大的漢字狀，影響材料的力學性能。隨后，上海交通大學（CN1789446 A、CN101148723 A）、江蘇大學（CN101381829 A）、南昌大學（CN101748300 A、CN102776396 A）、南昌航空航天大學（CN104131190 A）等各大高校開始采用不同的方式細化鎂合金復合材料中的Mg2Si相，例如利用脈沖磁場、超聲波、超聲變幅桿以及在合金中一定量的銻元素合金等，改善增強相的強化效果。

3.2 碳化物顆粒

常用碳化物添加顆粒主要包括SiC，TiC。1986年，AMAX公司（US4657065 A）首先采用碳化硅顆粒和/纖維和碳化鈦顆粒作為增強相。 隨后，碳化物作為最常規(guī)的增強相添加到鎂合金中用于制備顆粒增強鎂基復合材料（JPH01156448 A、JPH02129322 A、JPH02145233 A、JPH01279721 A、JPH05209205 A、JPH05202443 A、WO9315238 A1、CN1396284A、CN1470662A、CN1441073A等），并且為了適用于不同的領域、不同的制備工藝以及與其余增強相的潤濕性，JPH01156448 A、JP2003183748 A 、CN1667149 A、CN1666833A采用在碳化硼、碳化硅表面涂覆鍍層強化碳化物顆粒，改善碳化硅和鎂基體之間的潤濕，促進燒結；CN1676645 A、CN1837392 A、TW200914167 A、TW200912012 A、CN103667841、CN103667839、CN103667840、CN103695744則采用納米態(tài)的碳化硅作為增強相，集納米材料和復合材料的優(yōu)點于一身。

3.3 氧化物顆粒

氧化物添加顆粒主要包括SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3、MnO2、ZrO2等。由于氧化物的成本較低，氧化物在1984年最先作為增強相用于制備顆粒增強鎂基復合材料（JPS60243245 A），并在隨后的技術發(fā)展中得到了廣泛的應用，例如專利JPS6350615 A、JPH01261266 A，JPH05202443 A；CN1837392 A、TW200914167 A充分發(fā)揮納米材料的特征，將碳化物和氧化物以納米形態(tài)添加到鎂合金中，制備出的鎂基復合材料集納米材料和復合材料的優(yōu)點于一身；哈爾濱工業(yè)大學（CN103589891A）則改變氧化物的形式，將Al2O3以空心球的方式添加到鎂合金。

3.4 金屬顆粒

金屬顆粒首次被用作增強相顆粒是在2001年，神戶制鋼株式會所嘗試將金屬鋯作為增強相制備出鋯增強的鎂基復合材料；在國內(nèi)， 2006年上海交通大學（CN1718792A）才將鈦金屬顆粒作為增強相；隨后，江蘇大學（CN101067188 A）、北京航空航天大學（CN101538672 A）、南昌大學（CN104313371 A，CN104313372 A）先后研究了將含稀土元素的金屬間化合物顆粒作為顆粒增強相；中科學院金屬研究所在2006年（CN101186996A）首次嘗試將Nb顆粒添加到非晶態(tài)的鎂合金中；并在隨后研究了（CN102108454 A）將金屬顆粒與非金屬顆粒一起作為增強相；以及（CN102108460 A）將Co基、Zr基、Ni-Al基等形狀記憶合金顆粒添加到鎂基合金中，使得制備的復合材料具有形狀記憶效應性能。

3.5 準晶顆粒

準晶由于具有各向同性及準周期晶格結構，使得位錯滑移困難，而具有高硬度和高強度。因此，研究人員遂利用其作為增強相。首先是在2003年時，上海交通大學（CN1524974A A）將AlxCuyFez合金準晶粉添加到到鎂基合金中。隨后，太原理工大學（CN1644738 A、CN102206782 A）、北京工業(yè)大學（CN102618766 A）、華東交通大學（CN102618766 A）、西安理工大學（CN103421995 A）等高校都開始研究不同成分和形態(tài)的準晶顆粒增強相，制備出具有細小尺寸、近似球狀的準晶增強的鎂基復合材料。

3.6 其他

除了上述幾種常見的增強顆粒以外，單質(zhì)B（JP29893488A、JP29826588A、JP5313789A）、C（JP28139188A）、尖晶石（JP5313789A）、石墨（CN1676245 A、CN103820670 A）、碳納米管（TW200914167 A、CN101376276 A、CN101376170 A、CN101386926 A）、Ca-P陶瓷顆（CN103834840 A）、石墨烯（CN104233028 A）等也曾作為增強顆粒被添加到鎂合金中或者在鎂合金中原位生成。

篇(6)

【關鍵詞】廢印刷電路板物理回收非金屬粉

1、概述

印刷電路板的基材通常為玻璃纖維強化的酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂，其上焊接有各種構件，成分非常復雜，其中含有多種金屬，具有很高的資源回收價值。PCB含有如鋁、銅、鐵、鎳、鉛、錫和鋅等基本金屬和金、銀、鈀、銠、硒等貴金屬稀有金屬，含量約為電路板質(zhì)量的25%玻璃纖維強化酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂。

廢印刷電路板中包含的金屬材料、塑料、玻璃纖維材料等物質(zhì)都是有用的可回收利用的資源，其中金屬物質(zhì)相當于普通礦物中金屬的幾十倍甚至幾百倍，而且還有一定量的貴重金屬和稀有金屬，因而具有很高的回收利用價值，大量的金屬的回收再利用，是印刷線路板回收的一大推動力。

廢舊印刷電路板基材中含有大量的被樹脂包覆的玻纖，因而具有很高的力學性能，可以用作復合材料的填料，降低成本，有很高的經(jīng)濟價值。

由此看出，如果廢舊印刷電路板不能采取合適的方式進行回收利用處理，這樣不僅會造成資源的巨大損傷，并且電路板中含有的重金屬鹵素聚合物，如鉛、含溴的阻燃劑等，會對環(huán)境和人體造成嚴重的危害。

2、廢舊印刷電路板基材的處理工藝與利用

就如何回收利用廢舊印刷電路板基材可以分為兩種：物理方法回收和化學方法回收再利用。

2.1物理方法回收

目前可采取的主要的金屬回收技術多采用機械破碎，這樣子造成PCB中金屬的解離，然后通過靜電、磁力、重力等分選方式將金屬材料和非金屬材料進行分離。非金屬粉末大小一般為3～5μm，成分主要為玻璃纖維、熱固性環(huán)氧樹脂和各種添加劑，這些粉末可作為復合材料的填料，用于制備復合材料。

根據(jù)PCB中非金屬材料成分及各項性質(zhì)，非金屬可作為填料用于制備復合材料。由此粉末填充所制得的復合材料，同樣具有密度小、吸水率低和硬度高的優(yōu)點，力學性能與常規(guī)無機填料制得的材料力學性能相當。

2.2化學方法回收

化學回收也被稱為三次回收，是指廢棄物經(jīng)初步粉碎后，利用化學方法將其分解成小分子碳氧化合物的氣體、液體或者焦炭，同時使填料和纖維得到分離。廢棄線路板非金屬材料的化學回收利用形式有：

（1）熱解回收法

熱解法是用加熱的手段，將交聯(lián)的熱固性樹脂中的化學鍵斷裂，將網(wǎng)狀的大分子分解成有機小分子，殘留物為無機化合物（主要是玻璃纖維）。目前對PCB中的非金屬材料主要有兩種處理工藝。一種是將廢線路板經(jīng)預處理后直接熱解，其中的非金屬材料在惰性氣體保護下加熱到一定溫度發(fā)生熱解，生成氣體、液體（油）、固體（焦）。固體（焦）中含廢線路板的金屬成分和玻璃纖維等殘渣，再采用物理方法分離回收金屬成分。直接熱解的工藝優(yōu)點是防止粉碎的非金屬粉末過細，熱解產(chǎn)生有毒氣體。另一種工藝路線是把物理回收金屬和熱解處理非金屬兩個過程串聯(lián)起來，這樣避免了金屬因被氧化而影響回收。

（2）溶劑回收

溶劑回收是用有機或無機溶劑，將廢棄線路板中的網(wǎng)狀交聯(lián)高分子基體分解或水解成低分子督的線性有機化合物，使復合材料中的各組分易于分離和回收的一項技術。

2.3回收技術分析

對于熱固性的印刷線路板基材來說，物理回收不需要改變基材樹脂的化學狀態(tài)，操作簡單方便，能耗低且污染物質(zhì)較小，廢棄物全部得到利用，能緩解焚燒、填埋帶來的環(huán)境壓力。不足之處在于線路板成分和性質(zhì)的差異以及雜質(zhì)的存在會造成再生產(chǎn)品性能的下降或降級使用。

相對于熱解法，溶劑回收法要溫和得多，不需要太高的溫度。但溶劑回收法尚處于起步研究階段，研究對象多為實驗室合成的熱固性環(huán)氧樹脂復合材料，研究過程中還有許多技術難題需要克服。

綜合上述廢棄線路板中非金屬材料的回收利用方法，我們認為不管從技術可行抑或是實用性來看，熱解回收和溶劑回收法難度大且工藝尚未成熟，都實驗室階段，這種方法可以作為科學研究的新思路。而物理粉碎回收適合我國目前的經(jīng)濟技術水平。

3、廢舊印刷電路板基材填充聚丙烯復合材料的界面改性

為了得到高強度的復合材料，必須在增強材料與基體之間形成有效的界面粘結。但是，在選用聚丙烯（PP）為基體樹脂與PCBs非金屬粉生產(chǎn)復合材料時，填料和聚丙烯樹脂基體間較差的相容性是造成復合材料力學性能大幅下降的主要原因。

廢舊印刷電路板基材填充聚丙烯復合材料的界面改性主要是通過兩個方面實現(xiàn)的：一方面是對基材填料表面進行改性處理，增強其與基體聚丙烯的黏附性；另一方面是對另一方面是對聚丙烯進行改性處理，使填料和樹脂基體能充分接觸。

4、結語

綜合上述幾種回收利用方法，采用物理方法回收具有較大的發(fā)展優(yōu)勢，也是當前最適合國情的一種資源化方法?？紤]到復合材料已成為目前材料領域最具有前景的領域之一，利用這種材料作填料制備復合材料具有很高的應用價值和良好的市場前景。

目前WPCBs中非金屬材料的資源化還存在很多問題，從而造成產(chǎn)品的降級使用，如何說服他們讓消費者接受回收料還是一個時間問題。WPCBS中非金屬材料的資源化處置仍是當前全國上下面臨的嚴峻問題，要實現(xiàn)其真正的回收利用、無害化處理還需要時間和具體舉措。

參考文獻

[1]阮培華.電子信息產(chǎn)品步入強制環(huán)保時代[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2007，5：66～69.

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篇(7)

0　引　言

生物醫(yī)用復合材料(biomedical composite materials)是由兩種或兩種以上的不同材料復合而成的生物醫(yī)用材料，它主要用于人體組織的修復、替換和人工器官的制造［1］。長期臨床發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料和高分子材料不具生物活性，與組織不易牢固結合，在生理環(huán)境中或植入體內(nèi)后受生理環(huán)境的，導致金屬離子或單體釋放，造成對機體的不良影響。而生物陶瓷材料雖然具有良好的化學穩(wěn)定性和相容性、高的強度和耐磨、耐蝕性，但材料的抗彎強度低、脆性大，在生理環(huán)境中的疲勞與破壞強度不高，在沒有補強措施的條件下，它只能應用于不承受負荷或僅承受純壓應力負荷的情況。因此，單一材料不能很好地滿足臨床應用的要求。利用不同性質(zhì)的材料復合而成的生物醫(yī)用復合材料，不僅兼具組分材料的性質(zhì)，而且可以得到單組分材料不具備的新性能，為獲得結構和性質(zhì)類似于人體組織的生物醫(yī)學材料開辟了一條廣闊的途徑，生物醫(yī)用復合材料必將成為生物醫(yī)用材料和中最為活躍的領域。

1　生物醫(yī)用復合材料組分材料的選擇要求

生物醫(yī)用復合材料根據(jù)應用需求進行設計，由基體材料與增強材料或功能材料組成，復合材料的性質(zhì)將取決于組分材料的性質(zhì)、含量和它們之間的界面。常用的基體材料有醫(yī)用高分子、醫(yī)用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸鈣基或其他生物陶瓷、醫(yī)用不銹鋼、鈷基合金等醫(yī)用金屬材料；增強體材料有碳纖維、不銹鋼和鈦基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強體，另外還有氧化鋯、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強體。

植入體內(nèi)的材料在人體復雜的生理環(huán)境中，長期受物理、化學、生物電等因素的影響，同時各組織以及器官間普遍存在著許多動態(tài)的相互作用，因此，生物醫(yī)用組分材料必須滿足下面幾項要求：(1)具有良好的生物相容性和物理相容性，保證材料復合后不出現(xiàn)有損生物學性能的現(xiàn)象；(2)具有良好的生物穩(wěn)定性，材料的結構不因體液作用而有變化，同時材料組成不引起生物體的生物反應；(3)具有足夠的強度和韌性，能夠承受人體的機械作用力，所用材料與組織的彈性模量、硬度、耐磨性能相適應，增強體材料還必須具有高的剛度、彈性模量和抗沖擊性能；(4)具有良好的滅菌性能，保證生物材料在臨床上的順利應用。此外，生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困難而使其應用受到限制。

2　生物醫(yī)用復合材料的研究現(xiàn)狀與應用

2.1　陶瓷基生物醫(yī)用復合材料

陶瓷基復合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基體，通過不同方式引入顆粒、晶片、晶須或纖維等形狀的增強體材料而獲得的一類復合材料。生物陶瓷基復合材料雖沒有多少品種達到臨床應用階段，但它已成為生物陶瓷研究中最為活躍的領域，其研究主要集中于生物材料的活性和骨結合性能研究以及材料增強研究等。

Al2O3、ZrO3等生物惰性材料自70年代初就開始了臨床應用研究，但它與生物硬組織的結合為一種機械的鎖合。以高強度氧化物陶瓷為基材，摻入少量生物活性材料，可使材料在保持氧化物陶瓷優(yōu)良力學性能的基礎上賦予其一定的生物活性和骨結合能力。將具有不同膨脹系數(shù)的生物玻璃用高溫熔燒或等離子噴涂的，在致密Al2O3陶瓷髖關節(jié)植入物表面進行涂層，試樣經(jīng)高溫處理，大量的Al2O3進入玻璃層中，有效地增強了生物玻璃與Al2O3陶瓷的界面結合，復合材料在緩沖溶液中反應數(shù)十分鐘即可有羥基磷灰石的形成［2］。為滿足外科手術對生物學性能和力學性能的要求，人們又開始了生物活性陶瓷以及生物活性陶瓷與生物玻璃的復合研究，以使材料在氣孔率、比表面積、生物活性和機械強度等方面的綜合性能得以改善。近年來，對羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)復合材料的研究也日益增多［3，4］。30% HA與70%TCP在1150℃燒結，其平均抗彎強度達155MPa，優(yōu)于純HA和TCP陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)HA-TCP致密復合材料的斷裂主要為穿晶斷裂，其沿晶斷裂的程度也大于純單相陶瓷材料。HA-TCP多孔復合材料植入動物體內(nèi)，其性能起初類似于β-TCP，而后具有HA的特性，通過調(diào)整HA與TCP的比例，達到滿足不同臨床需求的目的。45SF1/4玻璃粉末與HA制備而成的復合材料，植入兔骨中8周后取出，骨質(zhì)與復合材料之間的剪切破壞強度達27MPa，比純HA陶瓷有明顯的提高。

生物醫(yī)用陶瓷材料由于其結構本身的特點，其力學可靠性(尤其在濕生理環(huán)境中)較差，生物陶瓷的活性研究及其與骨組織的結合性能研究，并未能解決材料固有的脆性特征。因此生物陶瓷的增強研究成為另一個研究重點，其增強方式主要有顆粒增強、晶須或纖維增強以及相變增韌和層狀復合增強等［3，5～7］。當HA粉末中添加10%～50%的ZrO2粉末時，材料經(jīng)1350～1400℃熱壓燒結，其強度和韌性隨燒結溫度的提高而增加，添加50%TZ-2Y的復合材料，抗折強度達400MPa、斷裂韌性為2.8～3.0MPam1/2。ZrO2增韌β-TCP復合材料，其彎曲強度和斷裂韌性也隨ZrO2含量的增加而得到增強。納米SiC增強HA復合材料比純HA陶瓷的抗彎強度提高1.6倍、斷裂韌性提高2倍、抗壓強度提高1.4倍，與生物硬組織的性能相當。晶須和纖維為陶瓷基復合材料的一種有效增韌補強材料，目前用于補強醫(yī)用復合材料的主要有：SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HA纖維或晶須以及C纖維等，SiC晶須增強生物活性玻璃陶瓷材料，復合材料的抗彎強度可達460MPa、斷裂韌性達4.3MPam1/2，其韋布爾系數(shù)高達24.7，成為可靠性最高的生物陶瓷基復合材料。磷酸鈣系生物陶瓷晶須或纖維同其它增強材料相比，不僅不影響材料的增強效果，而且由于其具有良好的生物相容性，與基體材料組分相同或相近，不會影響到生物材料的性能。HA晶須增韌HA復合材料的增韌補強效果同復合材料的氣孔率有關，當復合材料相對密度達92%～95%時復合材料的斷裂韌性可提高40%。

2.2　高分子基生物醫(yī)用復合材料

研究表明幾乎所有的生物體組織都是由兩種或兩種以上的材料所構成的，如人體骨骼和牙齒就是由天然有機高分子構成的連續(xù)相和彌散于其基質(zhì)中的羥基磷灰石晶粒復合而成的。生物有機高分子基復合材料，尤其生物無機與高分子復合材料的出現(xiàn)和發(fā)展，為人工器官和人工修復材料、骨填充材料開發(fā)與應用奠定了堅實的基礎。

生物陶瓷增強聚合物復合材料于1981年由Bonfield提出，目前的研究對象主要有：HA、AW玻璃陶瓷、生物玻璃等增強高密度聚乙烯(HDPE)和聚乳酸等高分子化合物［8，9］。HDPE-HA復合材料隨HA摻量的增加，其密度也增加，彈性模量可從1GPa提高到9MPa，但材料從柔性向脆性轉變，其斷裂形變可從大于90%下降至3%，因此可通過控制HA的含量調(diào)整和改變復合材料的性能。HA增強HDPE復合材料的最佳抗拉強度可達22～26MPa、斷裂韌性達2.9±0.3MPam1／2。由于該復合材料的彈性模量處于骨楊氏模量范圍之內(nèi)，具有極好的力學相容性，并且具有引導新骨形成的功能。AW玻璃陶瓷和生物玻璃增強HDPE復合材料具有與HA增強HDPE復合材料相似的力學性能和生物學性能，復合材料在37℃的SBF溶液中體外實驗研究表明，在其表面可形成磷灰石層，通過控制和調(diào)整AW玻璃陶瓷和生物玻璃的含量，使其滿足不同臨床應用的需求。

聚乳酸具有良好的生物相容性和可降解性，但材料還缺乏骨結合能力，對X光具有穿透性，不便于臨床上顯影觀察。將聚乳酸與HA顆粒復合有助于提高材料的初始硬度和剛性，延緩材料的早期降解速度，便于骨折早期愈合。隨著聚乳酸的降解吸收，HA在體內(nèi)逐漸轉化為自然骨組織，從而提高材料的骨結合能力和材料的生物相容性；此外可提高材料對X-射線的阻拒作用，便于臨床顯影觀察。最近，國外采用一種新的共混及精加工工藝將HA均勻分散于PLLA基體中制備了超高強度生物可吸收PLLA-HA復合材料［10］，隨HA在PLLA基體中含量增加，材料的彎曲強度和彎曲模量也增加，其最高彎曲強度可達280MPa，它既有高分子的彈性又具有類皮質(zhì)骨的剛度。將該材料浸入到SBF溶液中3天后即有大量HA晶體在表面沉積，具有骨結合能力，12周后材料具有210MPa的彎曲強度，高于皮質(zhì)骨內(nèi)固定材料彎曲強度200MPa的最底要求。因此該復合材料可望作為骨折內(nèi)固定材料，廣泛應用于臨床。PDLLA-HA復合內(nèi)固定棒兔子髁部骨折的實驗研究表明［11］，術后動物自由活動，不用任何外固定，所有動物傷口Ⅰ期愈合，無關節(jié)積液和竇道形成。X線攝片見3周時骨折端無移位，有明顯骨痂生成，骨折線模糊。6周骨折愈后，骨折線消失，骨痂最多，以后各時間點骨折無移位和再骨折，骨痂逐漸減少。12周前材料可清晰顯影，24周后模糊至消失。

碳纖維增強生物醫(yī)用高分子復合材料是發(fā)展最早的一類醫(yī)用復合材料，它主要用作骨水泥、人工關節(jié)和接骨板等［12，13］。碳纖維增強HDPE復合材料，其強度、剛性、抗疲勞和抗磨損性能均顯著高于HDPE材料，因此它常用作承受復雜應力和摩擦作用的髖關節(jié)和膝關節(jié)。碳纖維增強聚砜復合材料的抗扭強度最高可達100MPa，與金屬板相比，其斷裂模量可減少2～4倍。碳纖維增強聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)復合材料在90年代初就成功地用于顱骨缺損修復，其彎曲強度、斷裂模量及其抗沖擊性能均優(yōu)于人體顱骨材料，對患者實施顱骨缺損修復后起到重要的防護作用。用四氟乙烯纖維與碳纖維復合制備成多孔復合材料，其表面積為宏觀的1200倍，有利于生物組織的長入，它已用于牙槽骨、下頜骨、關節(jié)軟骨的修復。