金属基复合材料的循环再生利用研究

符淼

摘 要：金属基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组合而成的一种多相材料，其循环再生利用技术有其自身的特点及难点。文章结合金属基复合材料的制备工艺特点，分析了金属基复合材料中基体材料和增强相的多样性，论述了熔融盐处理技术、电磁分离技术和化学溶解技术在废弃金属基复合材料循环再生利用中的应用。

关键词：金属基复合材料；循环再生；节约资源

1 概述

金属材料、无机非金属材料、高分子材料各自具有其性能特点，它们是应用最为广泛的材料。金属材料由于具有良好的使用性能及加工工艺性能，在机械工业、冶金工业、航空航天工业等应用更加广泛。金属材料的发展及应用，在创造了大量的物质财富，促进了生产力的发展，为人类文明的进步做出贡献的同时，也加速了对资源、能源的消耗和生态环境的持续破坏[1]。就金属材料本身而言，金属一旦被提取后就可以被方便的反复熔融再生，这个特点也说明回收再利用金属材料是节省能源和资源、降低环境负载的最经济的策略。废金属具有可重熔性和可重塑性。金属再生资源利用使它最有希望成为解决金属矿产资源的有限性与人类需求的无限性这一矛盾的根本出路。金属材料的再生利用率明显较高，就钢铁材料而言，目前已经初步形成了较为完整的再生循环体系，可维持其持续发展，这个特点称为金属再生的高效性。金属材料在实际应用中通常要经过各种制造过程，不仅有变形加工，还有提高金属性能的加工。为了提高金属材料的使用性能，延长金属材料零件的使用寿命，合理利用金属材料、无机非金属材料、高分子材料各自的性能特点，人们制造金属基复合材料[2]。金属基复合材料是以金属及其合金为基体材料，以陶瓷颗粒、纤维等非金属材料为增强材料，通过一定的复合工艺而成的先进材料。由于金属基复合材料具有高的比强度、比模量高，具有良好的耐热性、耐磨性、耐疲劳性，以及尺寸稳定性好、可设计性好等性能特点，使金属基复合材料已成为在许多应用领域最具商业吸引力的材料[3]。然而，金属基复合材料主要是金属材料与非金属材料组成的多相复合材料，其循环再生利用工作就有其新的特点及难点[4]。为了合理利用金属基复合材料资源，促进金属基复合材料工业可持续发展，加强金属基复合材料的循环再生利用研究具有重要的现实意义。

2 金属基复合材料的制备工艺特点

金属基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组合而成的一种多相材料。在复合材料中有一相为连续相，称为基体相（基体材料），另一相为分散相，称为增强相（增强材料）。金属基复合材料的基体相把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用。金属基复合材料的增强相在结构复合材料中承受应力，在功能复合材料中起显示功能的作用。由于基体相和增强相的力学性能、物理性能和化学性质差别较大，使得金属基复合材料的制备工艺和废弃金属基复合材料的循环再生利用工艺具有其显著特点。

一是金属基复合材料的基体材料化学性质差别大，熔点高低不同，加热工艺较复杂。金属基复合材料按照基体材料分类主要有铝基复合材料、铜基复合材料、钛基复合材料、镁基复合材料、锌基复合材料、镍基复合材料、钢铁基复合材料等。金属基复合材料的制备温度以基体材料熔点为主要参考温度，铝基复合材料、镁基复合材料、锌基复合材料制备温度较低，制备工艺较简单。铜基复合材料、钛基复合材料、镍基复合材料、钢铁基复合材料等制备温度较高，制备工艺较复杂。由于基体材料性能差别较大，所以用于450℃以下的轻金属基体-铝、镁及其合金。用于450-700℃的复合材料的金属基体-钛合金。用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体-镍基、铁基耐热合金。二是金属基复合材料的基体材料和增强相化学性质差别大，复合材料制备过程中容易产生界面反应，影响复合材料中基体与增强相的界面结合强度，影响复合材料的力学性能。在金属基复合材料制备过程中，界面反应是在局部区域中发生的，形成粒状、棒状、片状的反应产物，而不是同时在增强体和基体相接触的界面上发生层状物。当有严重的界面反应时，就能形成界面反应层。例如，在一定的制备工艺下，严重的界面反应后，B4C/Al复合材料界面形成Al3BC化合物；金属基复合材料在高温制备过程中会发生元素的扩散，吸附和偏聚，在界面微区形成合金元素浓度梯度层。合金元素浓度梯度的厚度，浓度梯度的大小与元素的性质、加热过程的温度和时间有密切关系。金属基体与增强体的强度、模量、热膨胀系数有差别，在高温冷却时还会产生热应力，在界面区产生大量位错。位错密度与金属基复合材料体系及增强体形状有密切关系。三是金属基复合材料中增强相的形态差别较大。金属基复合材料按照增强材料分类主要有颗粒增强复合材料、层状复合材料、纤维增强复合材料、混杂增强复合材料、晶须增强复合材料等。纤维增强复合材料还分为短纤维复合材料、连续纤维复合材料等。颗粒增强复合材料还分为外加颗粒增强复合材料、原位自生颗粒增强复合材料、纳米颗粒增强复合材料等。由于金属基复合材料中增强相的形态和尺寸差别较大，其制备工艺较多，不同形态和尺寸增强相复合材料的循环再生工艺也就不同。

3 金属基复合材料的循环再生利用技术

由于金属基复合材料中基体材料熔点差别较大，增强相的形态和尺寸种类繁多，使得金属基复合材料的循环再生利用技术研究还不充分。不同种类的基复合材料，其分离技术及循环再生利用工艺各有特点。对于采用重熔后重新复合的工艺方法，控制复合材料重熔时的温度、合理控制保温时间可以减少增强相与基体材料的界面反应。熔融盐处理技术是将金属基复合材料中的陶瓷颗粒通过加入熔融无机盐后形成了浮渣，通过排除浮渣，能够将熔融的金属分离出来，加以回收再利用。电磁分离技术是对处于熔融状态下的金属基复合材料基体，进行施加单方向的电磁场，由于复合材料中增强体和基体对外加磁场的作用极性有差别，使得两者产生相对方向的运动，从而将其分离。化学溶解技术是通过化学方法使金属盐从溶液中析出，然后以化学原料的形式加以回收，从而达到循环再生利用金属基复合材料的目的。当前，面向环境的复合材料制备及应用的关键技术主要有面向回收的复合材料产品可拆卸性设计及评价方法和评价指标体系的建立，适合绿色产品设计的复合材料环境指标的建立及其规则，绿色复合材料产品评价体系和方法的研究，绿色复合材料产品集成设计理论与方法的研究。

参考文献

[1]解念锁，王艳，武立志.高锌基合金的应用现状及前景[J].热加工工艺，2010，39（14）：50-53.

[2]费良军，朱秀荣，童文俊.颗粒增强铝基复合材料废料回收的实验研究[J].复合材料学报，2001（1）：67-70.

[3]王艳，解念锁，李春月.原位结晶法制备颗粒增强锌基复合材料的研究进展[J].铸造技术，2010，31（5）：656-659.

[4]姜传海，张文龙，王德尊.SiCw/Al复合材料切屑的热模压成形回收方法[J].机械工程材料，2001，25（5）：21-23.