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1、2018年9月8日星期六,1,第7章 金属基复合材料的性能,江苏大学 材料科学与工程学院,2018年9月8日星期六,2,现代科学技术的发展对材料性能的要求越来越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的发展，使得单一材料难以满足实际工程的要求，这促进了金属基复合材料的迅猛发展。,与传统金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度、比刚度，耐磨损.,与树脂基复合材料相比，金属基复合材料具有优良的导电、导热性，高温性能好，可焊接.,与陶瓷材料相比，金属基复合材料具有高韧性和高冲击性能、线胀系数小等优点.,2018年9月8日星期六,3,7.1 金属基复合材料的性能简介,几种典型的金属基复合材料的力学性
2、能列于表7-1中。,金属基复合材料中所用的增强物的力学性能都很高、且密度低，因此它们的比强度和比模量高。,图7-1和图7-2中分别示出了金属基复合材料的比强度和比模量与温度的关系。,图7-3表示出了常见金属基复合材料热膨胀系数。,2018年9月8日星期六,4,2018年9月8日星期六,5,2018年9月8日星期六,6,图7-3 复合材料的热膨胀系数,2018年9月8日星期六,7,7.2颗粒增强金属基复合材料7.2.1颗粒增强铝基复合材料增强体颗粒加入到铝合金后，引起基体合金微观结构的变化，同时使合金的性能发生改变。,表7-2中给出一些颗粒增强铝基复合材料的力学性能数据。,2018年9月8日星期
3、六,8,表7-2 颗粒增强铝基复合材料的力学性能,2018年9月8日星期六,9,(1) 弹性模量,增强体的加入，使复合材料的弹性模量（E）显著提高。,影响复合材料弹性模量的因素主要有增强体种类、含量、长径比、定向排布程度和基体合金种类以及热处理状态等。,表7-2所示，随着增强体颗粒的加入及体积分数增大，弹性模量大致呈线性关系提高。,2018年9月8日星期六,10,图7-4说明SiC颗粒和晶须增强不同铝合金基复合材料所产生的强化效果与基体强度密切相关，强度低的基体对颗粒或晶须的增强效果明显。,图7-4 不同铝基复合材料的室温拉伸强度,(2) 强度,2018年9月8日星期六,11,相对于基体合金具
4、有更高的耐热性是复合材料的又一重要特点。图7-5和图7-6分别为40%（体积分数）AlNp/6061 Al复合材料和不同合金基复合材料的高温拉伸性能。,图7-5 AlNp/6061Al复合材料以及基体合金的高温强度,2018年9月8日星期六,12,图7-6 复合材料的拉伸强度与温度之间的关系曲线,2018年9月8日星期六,13,(3) 导热性,传统的Invar和Kovar系列合金、Mo合金、W合金等由于电阻、热阻或密度较大的原因，都难以满足现代航空航天电子封装集成材料的要求。而目前大部分电子封装材料主要采用Al2O3陶瓷，SiC陶瓷和AlN陶瓷，前两种材料的热导率较低且密度较高，后者成型较为困
5、难。表7-3显示了部分传统材料和目前使用的电子封装材料的热导率和热膨胀性能。图7-9为SiCp/A1复合材料的热导率和线胀系数与SiC体积分数的关系，可见通过适当条件可以获得不同的热导率与线胀系数匹配，以满足不同的电子元器件的要求。,2018年9月8日星期六,14,表7-3 部分材料的热导率和热膨胀性能,2018年9月8日星期六,15,(4) 热膨胀性能,表7-4 SiCP/Al复合材料与常规材料力学性能的比较,注:A用于精密仪器的金属基复合材料，6061-T6,40%SiCP(体积分数)； B用于光学仪器的金属基复合材料，2124-T6，30% SiCp(体积分数).,2018年9月8日星期
6、六,16,图7-7中SiCP/2024Al复合材料线胀系数与SiC颗粒体积分数的关系.这表明复合材料的线胀系数在一定范围可调，因此，SiCP/Al复合材料在光学仪表和航空电子元件领域具有较好的应用前景。,图7-7 SiCp/Al性能与SiC体积的关系,2018年9月8日星期六,17,(5) 高温力学性能表7-5给出了SiCP/A356复合材料的高温性能由表中可见SiC颗粒体积分数增加,复合材料的高温性能提高,当体积分数为20%时,复合材料在200左右的强度仍与铝基合金室温强度相当。,表7-5 SiCP/A356复合材料高温性能,2018年9月8日星期六,18,7.2.2 颗粒增强镁基复合材料,
7、SiCP/Mg复合材料的性能见表7-6。由表7-6可见在同一温度下，随着增强颗粒的加入及其体积含量的增加，复合材料的屈服强度、拉伸强度、弹性模量都有所提高，伸长率则有所下降。但对于同一含量增强相而言，随着温度的升高，屈服强度、拉伸强度、弹性模量都有所降低，伸长率有所提高，说明温度对这种材料的性能有较大的影响。另外，对铸态复合材料进行压延，可使其力学性能大大提高，压延之所以能达到这种效果是由于经过压延陶瓷颗粒增强相在基体内分布更加均匀，消除了气孔、缩松等缺陷。,2018年9月8日星期六,19,表7-6 SiCpMg复合材料不同温度的力学性能,2018年9月8日星期六,20,宝马方向盘,2018年
8、9月8日星期六,21,镁合金摩托车车轮,镁合金汽车车轮,2018年9月8日星期六,22,笔记本电脑外壳,2018年9月8日星期六,23,7.2.3 颗粒增强锌基复合材料SiCP/Zn复合材料的性能见表7-7。由表7-7可见随着SiC颗粒体积分数的增加， SiCP/ZA27复合材料的弹性模量及硬度均有所提高，拉伸强度降低，这可能是因为ZA27基体塑性差所致，但是对于SiCPZA22复合材料而言拉伸强度却有一个峰值，可能是由于位错密度升高导致的结果。,表7-7 SiCP/Zn复合材料的性能,2018年9月8日星期六,24,将ZA27合金在坩埚中熔化,并在600保温,随后在熔体表面加入SiC颗粒,用
9、高能超声处理6090s,得到熔体-颗粒悬浮液,并在金属型中浇注成形，得到SiCp/ZA27复合材料。图7-10为SiC增强体在相同的颗粒粒径(7m)条件下,颗粒的体积分数对复合材料力学性能的影响。,2018年9月8日星期六,25,图7-8 SiCp(7m)/ZA27的室温性能与SiC体积分数的关系,2018年9月8日星期六,26,2018年9月8日星期六,27,7.2.4 颗粒增强铜基复合材料,TiB2-Cu基复合材料和TiB2陶瓷材料的力学性能如表7-9所示。由表可见，由于金属Cu的加入，TiB2-Cu基复合材料的致密度、弯曲强度和断裂韧性均大幅度提高。,表7-9 TiB2-Cu基复合材料的
10、力学性能,2018年9月8日星期六,28,采用内氧化工艺制备了质量分数为0.89%铜基复合材料，其增强体Al2O3的质量分数为0.89%，其增强体比例与用机械合金化工艺的相当。复合材料经烧结、挤压和冷拔后的综合性能列于表7-10，复合材料加工率与强度的关系、复合材料硬度与退火温度的关系分别示于图7-9和图7-10。,2018年9月8日星期六,29,表7-10 Al2O3/Cu复合材料的力学及电学性能,2018年9月8日星期六,30,图7-9 复合材料加工率与强度的关系,图7-10 复合材料硬度与退火温度的关系,2018年9月8日星期六,31,7.2.5 颗粒增强钛基复合材料,钛基复合材料比钛合
11、金具有更高的比强度、比刚度、抗高温性能等，使其成为先进飞行器和航空发动机的候选材料，而成本较低的颗粒增强钛基复合材料在广泛的民用领域则有着巨大的应用市场。表7-11列出了钛合金和颗粒增强钛基复合材料的机械性能。,表7-11 颗粒增强钛基复合材料的室温拉伸性能,2018年9月8日星期六,32,图7-13为TiC颗粒增强钛基复合材料（TP-650）在不同试验温度下的强度与延伸率关系曲线。,图7-11 TP-650复合材料在不同试验温度下的强度与延伸率关系曲线,2018年9月8日星期六,33,1）SiCW/Al复合材料的弹性模量 SiC晶须的加入，可以明显提高复合材料的弹性模量和强度。表7-12给出
12、了采用粉末冶金法制备的SiCw/Al复合材料的室温拉伸性能。,7.3 晶须增强金属基复合材料7.3.1 晶须增强铝基复合材料,2018年9月8日星期六,34,表7-12 SiCw/Al复合材料的拉伸性能,2018年9月8日星期六,35,2）SiCw/Al复合材料的强度,SiCw/Al复合材料的强度与晶须体积分数、晶须排列与分布、界面状态、基体合金种类以及热处理状态等因素有关.虽然SiCw/Al复合材料的比例极限与铝合金相近甚至要低于铝合金的比例极限，但其屈服与拉伸强度要远高于相应的铝合金。有关SiCw/Al复合材料的强度理论研究较多，最简单的为混合定则，但其理论值与实际强度值差异很大，主要原因
13、为混合定律并未考虑进诸如增强体形状、空间分布等组织有关的因素。此外，对于SiCw/Al复合材料，混合定律的等应变假设也不成立，由此模型预报的流变应力与弹性模量通常是正确值的上限。,2018年9月8日星期六,36,3）断裂韧性,关于SiC晶须或颗粒增强铝基复合材料断裂行为的研究涉及的断裂形式有拉伸断裂、压缩断裂、弯曲断裂、疲劳断裂、蠕变、应力腐蚀断裂等诸种，其中有关拉伸断裂、疲劳断裂的研究占绝大部分，而后者的内容又为复合材料疲劳研究的重点。,2018年9月8日星期六,37,表7-13 SiCw/Al复合材料室温拉伸的断裂应变,2018年9月8日星期六,38,(1) SiCw/Al复合材料的断裂特
14、怔 断裂应变小、断裂韧性低 是SiCw/Al复合材料断裂的显著特征，也是目前限制该种材料推广应用的主要障碍。SiCw/Al复合材料的断裂在宏观上表现为脆性断裂，而微观上则表现出韧窝塑性断裂的特征。,(2) SiCw/Al复合材料的断裂应变与断裂韧性 SiCw/Al复合材料通常具有较低的塑性。表7-13给出了以不同铝合金为基体的复合材料的拉伸断裂应变，可见对于晶须体积分数Vf为15%30%的SiCw/Al复合材料，其最大断裂应变b只有3%左右，并且基体合金的种类和增强体含量的变化（上述Vf范围内）对b的影响不大。研究表明，SiCw/Al复合材料的断裂韧性明显低于相应的基体合金。,2018年9月8
15、日星期六,39,目前对SiCw/Al复合材料断裂韧性的测定还没有标准化，其中一个主要的原因是预制裂纹的加工比较困难，而产生疲劳裂纹的门槛值Ka较高，裂纹萌生后又迅速扩展难以控制。很多研究参考金属材料的标准如ASTM399平面断裂韧性的测试方法及ASTM813J积分的测量方法测试中大都采用紧凑拉伸试样，在试样加工时通过计算机控制缺口试样底部的曲率半径来解决预制裂纹的加工问题。根据SiC/Al复合材料的性质，许多工作研究测试复合材料裂纹萌生断裂韧性，也有人研究裂纹长大过程中复合材料的断裂韧性，但主要是针对颗粒增强的复合材料。,2018年9月8日星期六,40,SiCw/Al复合材料的断裂韧性受到晶须
16、体积分数及分散程度、基体合金的种类及其微观结构、SiCw-Al界面性质、时效处理工艺等因素的影响。试验表明，提高晶须的体积分数、晶须分散不均匀、增大SiC粒子的尺寸，界面产生析出物或结合强度过高、基体合金的韧性差均可导致复合材料断裂韧性的降低。,2018年9月8日星期六,41,表7-14给出了热处理工艺对20%SiC/6061Al复合材料断裂韧性的影响。,表7-14 热处理工艺对SiCw6061Al复合材料断裂韧性的影响,综上所述，应通过控制SiC晶须的分布、改善基体的韧性、净化基体以及热加工等手段提高SiCw/Al复合材料的断裂韧性。,2018年9月8日星期六,42,7.3.2 晶须增强镁基
17、复合材料的性能,表7-15为采用不同粘结剂的压铸态SiCW/AZ91镁基复合材料的拉伸性能.与基体合金AZ91相比, SiCW/AZ91的屈服强度、拉伸强度和弹性模量均大大提高,而伸长率下降。,表7-15 采用不同粘结剂的SiCW/AZ91镁基复合材料的拉伸性能,2018年9月8日星期六,43,图7-14为采用硅胶粘结剂与采用酸性磷酸铝粘结剂的SiCW/AZ91镁基复合材料中，复合材料铸锭不同部位沿压铸方向的拉伸强度。在采用硅胶粘结剂的复合材料中,不仅拉伸强度较低，而且强度分散性较大，复合材料靠近表面部分的强度要高于心部强度。而采用酸性磷酸铝粘结剂的复合材料的强度分布比较均匀，虽然边界部的强度稍高。,
