引言

大多數的液態金屬(非晶合金)的強度很高，但拉伸塑性和斷裂韌性很低，高度局域化的剪切行為使得液態金屬通常是在沒有明顯室溫塑性變形的情況下，沿單一主剪切帶發生突然性斷裂破壞，這嚴重制約著其作為先進結構材料在工程中的應用。

因此，為提高和改善液態金屬的變形、受沖擊性能，近幾年來，人們通過在液態金屬中引入具有不同強度和剪切模量的第二相以改善液態金屬的室溫塑性和斷裂脆性，發展出了液態金屬復合材料，使其塑性性能得到了很大的提高。如某些鋯基或銅基非晶合金復合材料在不損失強度的同時，室溫壓縮塑性變形量已經超過了50%，鋯基和鈦基非晶合金基復合材料的室溫拉伸塑性超過10%。

液態金屬復合材料概述

普通金屬復合材料通常是通過金屬與金屬或者金屬與非金屬材料經過適當的方法制備而成。金屬復合材料可分為：陶瓷、顆粒、晶須等增強的金屬基復合材料、原位自生增強相的金屬基體中復合材料和層板金屬基復合材料等。同樣的，液態金屬復合材料也是通過引入增強相如顆粒、金屬網等制備而成，一方面保障了液態金屬高強度、高硬度、耐磨損和耐腐燭等優點；另一方面，增強相與基體相互作用，阻止剪切帶的快速擴展，同時誘發多重剪切帶的形成，從而提高非晶合金的室溫塑性。

液態金屬復合材料首次出現是由Kimiru制備的WC顆粒增強的Ni基非晶薄帶。自此，纖維增強、顆粒增強、金屬網增強以及納米晶或晶體相增強的液態金屬復合材料逐步展開研究，通過控制增強相的組織結構、尺寸形貌、體積分數和分布規律來提高非晶合金的室溫塑性，在非晶合金力學性能的改善方面取得了巨大的進展。

液態金屬復合材料制備方法

目前，液態金屬復合材料按照增強(韌)相的引入方式分為內生相(原位合成)和外加相(異位合成)。對于內生相非晶復合材料，其制備需要特殊的制備方法和工藝，而外加相非晶復合材料的性能與其增強相空間拓撲結構關系更加密切。

（1）原位合成

原位合成液態金屬復合材料是指設計好合金成分，選擇合適的凝固工藝，使第二相在凝固過程中從合金溶體中直接析出。該方法使用過程中，冷卻速率是一個非常重要的參數，它直接影響第二相的尺寸、體積分數和分布規律。

近幾年，人們采用原位析出法在塊體液態金屬形成過程中析出具有良好韌性的金屬間化合物或金屬固溶體類的塑性相，這種復合材料具備了液態金屬的高強度，同時又具有良好的室溫塑性變形能力，是目前研究的一個熱點。

2000年Johnson提出內生塑性相的液態金屬復合材料的概念，在Zr-Ti-Cu-Ni-Be體系中添加β相穩定元素Nb，制備出液態金屬基體中分散樹枝狀β相。He和Eckert等人在Ti基液態金屬中加入高熔點的Nb、Ta、Mo、Zr等元素，壓縮塑性變形率超過14%，極限強度達到2400MPa。Hofmann等人制備出具有拉伸塑性的Zr基液態金屬復合材料，該復合材料通過Zr基液態金屬基體中析出塑性的β相，復合材料的拉伸塑性得到顯著地提高，其室溫拉伸總變形率分別為10.8%和13.1%，斷面收縮率分別為50%和46%，其斷裂韌性指標KIC為150GPa，該材料的塑韌性指標達到了傳統金屬材料的指標范圍。

韓國科學技術研究院材料分院成功地制得了由Lm尺寸的富Ta固溶體顆粒分布在塊體液態金屬基體中所構成的(Cu60Zr30Ti10)95Ta5復合材料。Cu60Zr30Ti10液態金屬的抗壓強度為2080MPa，破斷延伸率為313%，(Cu60Zr30Ti10)95Ta5復合材料的抗壓強度和延伸率分別為2320MPa和1415%。這種復合材料塑性之所以顯著改善，認為是由于在受力變形過程中有高延展性Ta顆粒存在的情況下形成了復合剪切帶的緣故。

（2）異位合成

異位合成法是指將第二相直接引入非品基體，以達到增強增韌的目的。外加第二相包括單向絲或纖維、微米或者納米粉末或顆粒和金屬網等。

比如，采用鎢絲增強制備出ZrTiCuNiBe液態金屬復合材料，當鎢絲直徑為0.25，體積分數為60%時，材料的動態壓縮強度高達2600MPa。

中科院物理所汪衛華研究組和英國劍橋大學材料冶金系合作，采用噴丸的方法(即往材料表面噴金屬小顆粒)，對大塊液態金屬材料進行表面處理，在大塊液態金屬材料中引入大量剪切帶，這使得大塊液態金屬材料的壓縮過程更接近均勻形變，少數剪切帶難以很快擴展成裂紋，從而可有效提高大塊液態金屬材料的塑性。對于(Zr-Cu-Al-Dy)-Ta液態金屬復合材料，壓縮試驗結果顯示：液態金屬復合材料的宏觀塑性變形量從幾乎為零提高到13.5%，斷裂強度也從1850MPa提高到2050MPa。

存在的問題

新型塊狀液態金屬具有很強的非晶形成能力和很多的優異性能，制備工藝簡單，應用前景廣闊。雖然經過十幾年的發展和研究，塊狀液態金屬已取得了很大的進展，但無論是基礎理論、還是微觀結構、宏觀性能及新材料探索方面，都還存在大量的問題有待解決。在各種塊狀液態金屬中，Zr基塊狀液態金屬發現的早，研究的也完善。由于其形成能力強、制備方法比較簡單而且強度高等特點，被認為是很具有發展前景的結構材料。但是此合金在晶化及性能等方面的研究并不是很完善，尤其液態金屬在斷裂、疲勞、腐蝕性能等方面的研究還有很多未知的東西。

另外引入第二相的同時也會惡化基體的玻璃形成能力，從而降低所得到的非晶復合材料的尺寸。目前得到的同時具有高強度、高塑性的液態金屬復合材料的尺寸一般都不大于5mm，剛發現的具有超塑性的液態金屬的大直徑也只有5mm。液態金屬及復合材料作為一種高性能結構材料，應當同時具有高強度和良好的塑性以及較大尺寸來滿足工程使用需要。因此對于液態金屬復合材料仍然需要進行進一步的研究工作