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1、第五章 金属基复合材料 MMC科学是一门较新的材料科学。它的 发展与航空航天、电子、汽车及先进武器系 统的迅速发展对材料提出日益增高的性能要 求密切相关。 航天装置越来越大，结构的效率变得更为 重要。这就要求采用高比强度、高比模量的 轻质材料。 与传统金属材料相比，MMC具有高比强 度、比刚度；与RMC相比，具有优良的导电 性与导热性；与陶瓷材料性比，又有较高的 韧性和较高的抗冲击性能。 5.1 MMC的种类和基本性能 5.1.1 MMC分类 1）按基体分类 铝基、镍基、钛基、镁基 2）按增强材料分类 颗粒增强、层状MMC、 纤维增强 MMC。 3）按用途分类 结构MMC、功能MMC。 5.1
2、.2 MMC的性能特征 MMC的性能取决于所选组分的特性、含量、 分布等。通过优化组合可以具有金属特性，又有 较好综合性能的MMC。归纳起来MMC有以下性 能特点： 高比强度、高比模量 导热、导电性能 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 良好的高温性能 耐磨性好 良好的断裂韧性和抗疲劳性能 不吸潮、不老化、气密性好 1）高比强度、高比模量 高强度、高模量、低密度的增强纤维的加 入，使MMC的比强度和比模量成倍地提高。 例如：铝合金的比强度为1.4e6cm、比模 量为2.8e8cm； 而石墨/铝合金的比强度为3.6e6cm、比 模量达到10.5e8cm。 2）导热、导电性能 良好的导热性可有效传热，减少
3、构件受热 后产生的温度梯度和迅速散热，这对尺寸的 稳定性要求较高的构件和高集成度电子器件 尤为重要。 良好的导电性可防止飞行器构件产生静电 聚集的问题。 MMC中金属基体含量一般60%（vf）， 所以仍保持金属所具有的良好导热和导电性 。 3）热膨胀系数小、尺寸稳定性好 MMC所用增强物如碳纤维、SiC纤维、B 纤维，均具有很小的热膨胀系数，又有很高 的模量，特别是高模量、超高模量石墨纤维 具有负的热膨胀系数。 加入适当含量增强物，并合理设计纤维铺 层可使的热膨胀系数明显下降，甚至 可以实现的零膨胀。 ）良好的高温性能 金属基体的高温性能比聚合物高很多，加 上增强材料主要为无机物，在高温下具有
4、很 高的强度和模量，因此比基体金属具 有更高的高温性能。 例如：石墨铝复合材料在高温 下，仍具有的高温强度；而铝 基体在 强度已下降到 以下。 5）耐磨性好 高耐磨性材料在汽车、机械工业中具有重 要应用前景。如汽车发动机、刹车盘、活塞 等。中加入了硬度高、耐磨的陶瓷纤 维、晶须、颗粒，具有良好的耐磨性。 例如：颗粒增强铝基复合材料的耐 磨性比铝高出倍以上，甚至比铸铁的耐磨 性还好。 6）良好的断裂韧性和抗疲劳性能 的断裂韧性和抗疲劳性能取决于纤 维等增强物与金属基体的界面状态、增强物 的分布以及各组分本身的特性。适中的界面 结合强度即可有效地传递荷载，又能阻止裂 纹的扩展，提高断裂韧性。 例如
5、：复合材料的疲劳强度与拉 伸强度比约为。 7）不吸潮、不老化、气密性好 与聚合物相比，金属性能稳定、组织致密 ，不会老化、分解、吸潮等，在太空中使用 不会分解出低分子物质污染仪器和环境。 5.2 MMC的制造工艺 MMC种类繁多，多数制造过程是将复合 与成型过程合为一体。 根据基体、增强物的物理、化学、几何形 状的不同，应选不同的制造工艺。 分类：固态法、液态法、自生成法及其他 制备方法。 5.2.1 固态法 工艺流程 l将金属粉末或金属箔与增强物（纤维、晶 须、颗粒）按设计要求以一定的含量、分布 、排布在一起； l加热、加压扩散粘接：将金属与增强物复 合在一起，形成MMC。 特点： 整个工艺
6、过程处于较低的温度，金属和增 强物都处于固态；界面反应不严重。 类型：粉末冶金法、热压法、热等静压法 、轧制法、拉拔法。 5.2.2 液态金属法 方法：金属基体处于熔融状态下与固体增 强物复合成材料的方法。工艺过程：液态金 属浸渍 挤压铸造成型。 特点：制备温度高，易发生严重的界面反 应，有效控制界面反应是液态法的关键。 工艺类型：挤压铸造法、真空吸铸、液态 金属浸渍法、真空压力浸渍法，搅拌复合法 。 5.2.3 自生成法及其他制备法 自生成法：在金属内部通过加入反应物质 或通入反应气体在液态金属内部反应，产生 微小的固态相，如TiC、TiB2、Al2O3等微粒 起增强作用。通过控制工艺参数获
7、得所需的 增强物含量和分布。 复合涂镀法：将增强物悬浮于镀液中，通 过电镀或化学镀将金属与颗粒同时沉积在基 板或零件表面，形成复合材料层。 等离子、热喷镀法：将金属与增强物同时 喷镀到底板上形成复合材料。 表5-1 MMC主要制作方法及适用范围 5.3 铝基复合材料 航空航天工业中需要大型的、质量轻 的结构材料，尤其是需要比强度、比模量高 的材料。铝基MMC具备了比强度、比模量高 的特性，已被广泛地应用于航空航天制品中 。铝基MMC主要有： 颗粒（晶须）增强铝基复合材料 纤维增强铝基复合材料 5.3.1 颗粒（晶须）增强铝基 MMC 颗粒（晶须）增强铝基MMC的性能 好，且可用常规方法加工。增
8、强颗粒价格低 廉，某些晶须（如SiC)由于找到了便宜的原 料和较为简单的生产方法，成本大幅下降。 因此，具有广泛的应用前景。目前主要使用 的有SiC、Al2O3颗粒（晶须）增强铝基MMC 。 表5-2 SIC颗粒和晶须增强铝基复合材料的性 能 基体增强物颗颗粒含量 /% 弹弹性模量 /GPa 屈服强度 /MPa 拉伸强度 /MPa 断裂伸长长 /% PM5456- SiCw SiCw SiCp SiCp 0 8 20 8 20 71 88 119 81 106 259 275 380 253 324 433 503 635 459 552 23 7 2 15 7 PM2124- SiCw Si
9、Cw SiCp SiCp 0 8 20 8 20 73 97 130 91 110 - - - 368 435 587 669 890 - - 18 9 3 - - 5.3.2 纤维增强铝基MMC 按纤维长短分为长纤维增强、短纤维增强 铝基MMC。 一、长纤维增强铝基MMC 长纤维对铝的增强方式：单向纤维增强、 二维织物增强和三维织物增强。 主要增强材料：BF、CF、SiCf、Al2O3f 、不锈钢丝等。 表5-3 Bf/Al复合材料的室温拉伸性能 表5-3 Bf/Al复合材料的室温拉伸 性能 基体 纤维 体积 含量 /% 纵向横向 拉伸强度 /MPa 弹性模量 /GPa 拉伸强度 /MPa
10、弹性模量 /GPa 1100铝合 金 20 30 40 54 540 890 1130 1270 136.7 163.4 199.3 245.0 117 117 108 79 77.9 94.8 127.6 139.1 二、 短纤维增强铝基MMC 特点：与长纤维相比，短纤维增强铝基复 合材料具有增强体来源广、价格低、成形性 好等优点，可采用传统的金属成型工艺方法 如铸、锻、挤、轧等，而且材料性能是各向 同性的。 短纤维增强材料：氧化铝、硅酸铝、碳化 硅等 表5-4 氧化铝短纤维增强铝基MMC的性 能 表5-4 氧化铝短纤维增强铝基MMC的性 能 Vf /% 屈服强度 /MPa 拉伸强度 /MP
11、a 弹性模量 （室温） /GPa 室温350室温350 0 5 20 210 232 282 35 54 110 297 282 312 55 63 112 72 78 95 5.3.3 铝基MMC的应用 一、纤维增强铝基MMC：比强度、比模量高，尺寸 稳定性，但价格昂贵。目前主要应用于航天飞机、人造卫 星、空间站等的结构材料。 Bf/Al：应用最早的铝基MMC，美国和前苏联的航天 器中用作机身框架及支柱和起落架拉杆等。 C（石墨）/Al：尺寸稳定性好。用作卫星抛物线天线 骨架，如哈勃望远镜中用沥青基C/Al作波导杆。 SiC/Al：主要用作飞机、导弹、发动机的高性能结构 件，如飞机的Z型加强
12、板、喷漆战斗机垂直尾翼平衡器、 导弹弹体等 。 Al2O3f/Al：最成功的例子，制造柴油发动机的活塞 。 二、晶须和颗粒增强铝基MMC的 应用 类型：SiC晶须和颗粒、氧化铝短纤维、硅酸铝短纤 维增强铝基MMC。 SiC晶须增强铝基MMC：导弹平衡翼和制导元件，航 天器的结构部件和发动机部件，战术坦克反射镜部件，轻 型坦克履带，汽车零件活塞、连杆、汽缸、气门顶杆、 凸轮随动机等。 SiC颗粒增强铝基MMC：卫星的结构的支架、结构连 接件、管材、型材，飞机起落架，汽车部件驱动轴、刹 车盘、发动机缸套、衬套和活塞镶圈等。 氧化铝短纤维、硅酸铝短纤维增强MMC：主要用于 制造汽车发动机零件，如活塞
13、镶圈、传动齿轮。 5.4 钛基复合材料（TMC） 特性： 钛合金：密度4.35.1，模量80130GPa，有较高 的比强度和比刚度，钛的熔点高，强度能保持到高温（ 使用温度800)，抗氧化和抗化学腐蚀性能好。 TMC：比钛合金更高的比强度、比模量，极佳的耐 疲劳、抗蠕变性能，优异的高温性能和耐腐蚀性能，并 克服了钛合金耐磨性和弹性模量低等缺点。 类型：颗粒增强、连续纤维增强钛基MMC。 相容性问题：几乎所有增强体与活性Ti基体发生界 面反应形成一种或多种化合物。因为所有TMC在制造和 热加工过程中，都要经历8001200的高温暴露，不 可避免地发生界面反应。 界面反应退化问题：采用对增强纤维涂
14、层处理。 5.4.1 颗粒增强TMC 特点：加工制造工艺比较经济、简便。常 用工艺精密铸造、粉末冶金、锻造、挤压 、轧制等都可以用用于加工TMC。 性能：钛和钛合金中加入颗粒增强剂后， TMC的硬度、耐磨性能、刚度、耐高温性能 得到明显改善，而塑性、断裂韧性和耐疲劳 强度有所下降，室温拉伸强度与基体相近或 低于基体。 表5-5 TiC和SiC颗粒增强TMC的力学 性能 表5-5 TiC和SiC颗粒增强TMC的力学性 能 材料性能温度/ 25565760 Ti-6Al-4V屈服强度/MPa 拉伸强度/MPa 断裂伸长/% 868 950 9.4 400 468 15.6 172 200 15.6
15、 Ti-6Al- 4V/TiCp10%, 44m 屈服强度/MPa 拉伸强度/MPa 断裂伸长/% 944 999 2.0 475 496 2.0 158 227 8.0 Ti-6Al- 4V/SiCp10%, 约23m 屈服强度/MPa 拉伸强度/MPa 断裂伸长/% - 655 0.16 - 517 0.07 317 330 2.0 5.4.2 连续纤维增强TMC 特点：具有较高的工作温度6001000 ），高抗腐蚀性和抗损伤性。但比重较高（ 工业纯钛密度4.51），制造困难和成本高。 力学性能：纵向强度和弹性模量提高很大 ，但横向性能较低。 表5-6 连续纤维增强TMC的力学性能 表5-
16、6 连续纤维增强TMC的力学性 能 材料拉伸强度 /MPa 弹性模 量/MPa 断裂延 伸率/% SiC/Ti-6Al-4V（35%）制造态 905，7h热处 理 1690 1434 186.2 190.3 0.96 0.86 B/Ti（25%）1000 400 160 130 工业纯钛345685 100 5.4.3 TMC的应用 利用TMC的耐高温性能，制造耐高温构 件。 美国SiC纤维增强TMC用于航天飞机的机 翼、机身的蒙皮、支撑梁及加强筋；导弹尾 翼、汽车发动机气门阀、连杆等。 5.5 镁基复合材料 特点：镁、镁合金及其镁基复合材料的密 度一般小于1.8，仅为铝或铝基复合材料的 66%左右，是密度最小的MMC之一，而且具 有更高的比强度、比刚度以及优良的力学和 物理性能。 镁基MMC常用
