金属基体复合材料讲义

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1、第六章 金属基体复合材料,2011.05.01,目标与要求,掌握常见的金属基体性能 掌握金属基复合材料基体的选择原则 掌握金属复合材料的性能 掌握金属复合材料的制备方法 掌握铝基复合材料的性能、制备 了解铝基复合材料应用,随着现代科学技术的飞速发展，人们对材科的要求越来越高。在结构材料方面，不但要求强度高，还要求其重量要轻，尤其是在航空航天领域。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。,金属基复合材料相对于传统金属材料，具有较高的比强度与比刚度；与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能。 从复合材料的使用温度和比强度考虑，聚合物基复合材料在室

2、温附近具有优势，Al和Ti基等金属基复合材料在中温区域、金属间化合物材料在高温领域，而陶瓷基复合材料在更高温度具有优势。,金属基复合材料中，最早源于1963美国国家航空和宇宙航行局成功研制出钨丝增强铜基复合材料，之后又有SiC/Al、Al2O3/Al复合材料的报道研究。 1982年日本丰田公司率先报道Al2O3SiO2/Al复合材料在汽车发动机活塞上应用，开创了金属基复合材料在民用产品的先例。 近年来，功能金属基复合材料和纳米金属基复合材料成为了复合材料的研究热点。,6.1、常见的金属基体性能,1、铝和铝合金铝 面心立方点阵。第三周期第三主族元素，原子序数为13，原子核最外层电子有3个。密度2

3、.72g/cm3，熔点660，导热和导电性能极好，化学性质活泼，但在大气中具有很好的抗腐蚀性（酸碱除外）。具有很高的塑性核较低的强度，加工性能好。 在实际使用中，纯铝中常加入锌、铜、镁、锰等元素形成合金。铝合金密度2.52.88g/cm3，熔点降低，与掺如合金元素有关，都低于纯铝。,2、镁和镁合金 镁密度1.74g/cm3，熔点650。镁的低温塑性较低。镁的强度和模量都较低，但比模量和比强度高。镁的化学性能活泼，在室温可以与大气中氧发生作用生成氧化镁薄膜，抗腐蚀能力差。但在氢氟酸水溶液中和碱类以及石油产品中具有较高的抗腐蚀能力。,目前常用的镁合金主要包括Mg-Mn，Mg-Al-Zn，Mg-Cr

4、等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合材料的基体。,主要是以合金的形式被广泛的应用。例如，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，并已形成工业规模生产。,铝、镁基复合材料用于450 以下，属于低温复合材料,镁和镁合金基体复合材料,钛 密度4.4 g/cm3，有两种晶形，-钛：六方密堆积，低于885时稳定； -钛：体心立方，高于885时稳定，熔点1678。,3、钛及钛合金,导热性好，热膨胀系数小。塑性好，延伸率可达5070。力学性能明显高于铝和镁。化学性能活泼，易与氧、氢、氮、碳发生化学反应形成稳定的化合物，极难提炼。在海水中具有极高的抗腐蚀性。在室温下对不同浓度的酸、碱的抗腐

5、蚀性，但是不耐氢氟酸,通过添加不同的合金元素，可以改变钛同素异形体的转变温度。添加铝、氧、氮、碳等元素，可以扩大相区，称为稳定剂。添加钼、钒、铌、钽等元素，可以扩大相区，所以称为稳定剂,钛合金,4、镍及镍合金,密度8.9 g/cm3，熔点1455。有铁磁性和延展性，导电和导热性能好，力学性能明显好于铝和镁。常温下，在潮湿空气中表面形成致密的氧化膜，耐碱、盐溶液。用来制造不锈钢和其他抗腐蚀合金，也作加氢催化剂和用于陶瓷制品等。,加入钨、钼、钴、铬、铌等合金元素，使用温度可达6501000，具有较高的强度、良好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力，用于制造燃气涡轮发动机的燃烧室等。用钨丝、钍钨丝增强镍基合金还

6、可以大幅度提高高温性能。,5、铜及铜合金,密度8.94g/cm3，熔点1080。导电导热性好。铜的塑性好，强度和弹性模量不高，热膨胀系数大，容易铸造和加工。,铜在复合材料中的主要用途是作为铌基超导体的基体材料。,6、金属间化合物,通常是一些高温合金（如硅化物、铝化物、铍化物等），使用温度可达1600决定金属间化合物相结构的主要因素有电负性、尺寸因素和电子浓度等 使用温度界于高温合金和高温结构陶瓷之间。根据其组成，A、B两元之间可形成AB、A2B、A3B、A5B3 、A7B6等化合物；根据组成元素，可分为铝化物、硅化物和铍化物。 密度小、弹性模量高，但室温脆性是致命弱点,Ti - Al 系金属间

7、化合物,低密度、高强度、高刚度、良好的高温性能、抗蠕变和抗氧化性能。Ti-Al系金属间化合物一般分 2-Ti3Al和 - TiAl两类。,但目前实用化的主要障碍有：1) 难以热压加工； 2) 严重的室温脆性。,二、金属基体材料的选择原则基体材料成分的正确选择，对能否充分组合和发挥基体金属和增强物的性能特点，获得预期的优异综合性能满足使用要求十分重要。所以，在选择基体金属时应考虑以下几方面：,1、根据金属基复合材料的使用要求使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。在航天、航空技术中，要求高比强度和比模量以及尺寸稳定性，宜选用密度小的轻金属合金（如镁合金和铝合金）作为基体，与高强度、高模量的石

8、墨纤维、硼纤维等组成复合材料。高性能发动机则要求复合材料有高比强度和比模量，耐高温性能。此时应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。,在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、高温强度等，同时成本低廉，适合于批量生产，选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。 工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。因此，选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料。,2、 根据金属基复合材料组成特点选用不同类型的

9、增强材料如连续纤维、短纤维或晶须，对基体材料的选择有较大影响。在连续纤维增强的复合材料中，基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。选用纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体,对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基体的强度对复合材料具有决定性的影响，因此，要选用较高强度的合金来作为基体。一般选用高强度铝合金（如A365，6061，7075）为基体,3、基体金属与增强物的相容性化学相容性 首先，由于金属基复合材料需要在高温下成型，制备过程高温状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成脆性的反应层

10、。反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。选用基体合金成分时充分考虑，尽可能选择既有利于金属与增强物浸润复合，又有利于形成合适稳定的界面合金元素。,物理相容性中最重要的是要求纤维和基体的热膨胀系数匹配。如基体的韧性较强、热膨胀系数也较大，复合后容易产生拉伸残余应力，而纤维多为脆性材料，复合后容易产生压缩残余应力。在选择金属基复合材料的组分材料时，为避免过高的残余应力，要求增强纤维与基体的热膨胀系数不要相差很大。,基体和增强体的热膨胀系数,选择基体材料时，应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并尽可能

11、在复合材料成型过程中抑制界面反应。例如：对增强纤维进行表面处理；在金属基体中添加其他成分；选择适宜的成型方法；缩短材料在高温下的停留时间等。,6.2 金属基体复合材料,金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可按基体来进行、也可按增强体来进行。,一、金属基体复合材料分类（1）,1、按照基体材料分： (1)铝基复合材料 (2)镁基复合材料 (3)钛基复合材料 (4)镍基复合树树 (5)铜基复合材料,2、按照增强材料分： (1)颗粒增强复合材料 (2)层状复合材料 (3)纤维增强复合材料,金属基体复合材料分类（2）,按照用途分： 结构复合材料

12、 功能复合材料,按照使用温度： 低温复合材料（1000 ）,1）铝基复合材料,金属基复合材料中应用得最广的一种。具有密度小、塑性和韧性良好，易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性能需要来决定,1、按照基体材料分,2）钛基复合材料,比任何其它的结构材料具有更高的比强度。在中温时比铝合金能更好地保持其强度。钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维，是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近。,3）镍基复合材料,以镍及镍合金为基体这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。,但目前由于制造工艺

13、及可靠性等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。,在低温（1000）复合材料，主要有镍基、铁基、钼基和金属间化合物为基体的复合材料，目前比较成熟的是镍基复合材料,1）颗粒增强复合材料,不包括弥散颗粒体积分数很低的弥散强化金属，其颗粒直径和颗粒间距一般大于1m，体积超过20、甚至达到90% 。这种材料中，基体材料是传递载荷的，增强材料是主要的承载相。,颗粒复合材料的强度取决于颗粒的直径、间距和体积比，但基体的性质也很重要,2、按照增强材料分,2）短纤维、晶须增强金属复合材料,短纤维和晶须的增强效果介于颗粒和连续纤维之间，晶须的增强效果强于短纤维。但晶须制备工艺难度也较短纤维大，成本高。短纤维、

14、晶须增强体在基体中随机分布时，复合材料表现出各向同性。短纤维、晶须增强复合材料可以通过热挤压工艺在金属基体中定向排布，提高某一方向上的强度 。 短纤维增强金属基复合材料研究中，基体多采用Al、Mg合金，纤维以碳纤维、碳化硅纤维、Al2O3纤维和硅酸铝纤维为主。 短纤维的加入使复合材料的强度明显增加，并且随短纤维含量的增加而增加，但延展性逐渐下降。,3）长纤维增强复合材料,长纤维增强的金属基复合材料中基体起粘结成形及力的传递作用，而纤维是主要受力单元 增强方式可以是单向纤维，二维织物和三维织物 常用的纤维有C纤维、B纤维、SiC纤维等 将纤维和基体金属组成预制带或预制线，然后按要求裁剪、层合制成

15、预制体，再通过一定工艺形成复合材料。,当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用,4）片状复合材料,增强材料是片状的，基体主要是韧性和成型较好的金属,片状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强效果 薄片增强相的强度不如纤维增强相高，因此片状复合材料的强度受到限制,二、金属基体复合材料特点,高比强度、比模量 导热、导电性好 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 良好的高温性能 良好的耐磨性 良好的断裂韧性和抗疲劳性能 不吸潮、不老化、气密性能好 容易在高温下发

16、生界面反应,作业,常见的金属基体有哪些？都有什么样的性能特点？ 制备金属基体复合材料时，基体材料选择原则是什么？ 金属基体复合材料的特点是什么？都有哪些分类？,6.3 金属基体复合材料的制备工艺,金属基复合材料由于加工温度高、制备工艺复杂、界面反应控制困难，在制备过程中要注意的关键：1）成型温度高 合金基体与增强体容易发生不利的化学反应 2）合金基体与增强体的浸润性 绝大多数合金基体对增强体浸润性较差 3）增强体在基体中的分布 对增强体进行表面处理，增加润湿性，或采用适当的加压工艺，提高增强体的分散性。,常用的金属基复合材料制备工艺,碳纤维,硼纤维,SiC纤维,氧化铝纤维,铝合金 固态、液态法,镁合金 固态、液态法,钛合金 固态法,高温合金 固态法,金属间化合物 固态法,连续增强相金属基复合材料的制备工艺,不连续增强相金属基复合材料的制备工艺,颗粒,晶须,短纤维,铝合金 固态、液态、原位生长、喷射成型法,镁合金 液态法,钛合金 固态、液态法、原位生长法,