金属基体材料和高性能金属基复合材料

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1、6 金属基体和高性能金属基复合材料,6 金属基体与高性能金属基复合材料,6.1 复合材料的金属基体 6.2 高性能金属基复合材料,6.1 复合材料的金属基体(Metal Matrix in High Performance Composite）,6.1.1 金属基体概述 6.1.2 用纤维增强金属的原因 6.1.3 选择金属基体的原则 6.1.4 常用金属基体材料 6.1.5 金属的晶体结构与晶体缺陷 6.1.6 金属的强化方法,6.1.1 金属基体概述,6.1.1.1 金属基体在复合材料中的作用 6.1.1.2 金属基体在复合材料中的体积比 6.1.1.3 与陶瓷、聚合物基体相比，金属基体的

2、优势 6.1.1.4 利用金属基体制成MMCs的综合性能,6.1.1 金属基体概述,以金属或金属间化合物作为基体的复合材料称为金属基复合材料(Metal Matrix Composites;简记为MMCs)。 例如：硼纤维增强铝、镁、钛及其合金(B/Al、B/Mg、B/Ti）；碳纤维增强铝、镁及其合金（C/Al、C/Mg)；碳化硅纤维增强铝、镁、钛及其合金（SiC/Al、SiC/Mg、SiC/Ti)；氧化铝纤维增强铝及其合金(Al2O3/Al、Al2O3/Al-Li)钨丝增强铜(W/Cu);铬丝增强镍铝金属间化合物(Cr/Ni-Al);,6.1.1.1 金属基体在复合材料中的作用,基体在复合材

3、料中所起的作用主要有： （1）固结增强体，使之成为一整体，保护纤维使之不受环境侵蚀； （2）传递和承受载荷，在颗粒增强金属基复合材料中基体是主要承载相，在纤维增强金属基复合材料中，基体对力学性能的贡献也远大于在聚合物基和陶瓷基复合材料中的贡献； （3）赋予复合材料一定形状，保证复合材料具有一定的可加工性; （4）复合材料的比强度、比刚度、耐高温、耐介质、导电、导热等性能均与基体密切相关。,6.1.1.2 金属基体在复合材料中的体积比,基体在复合材料中占有很大的体积比： 连续纤维增强金属基复合材料中基体约占50%70%； 颗粒增强金属基复合材料中，根据不同性能要求，基体体积比可在90%25%范围

4、内变化，多数为80%90%； 短纤维、晶须增强金属基复合材料中，基体体积比在70%以上，一般为80%90%。,6.1.1.3 与陶瓷、聚合物基体相比，金属基体的优势,（1）金属是最古老、最通用的工程材料之一，它们有许多可以借鉴的、成熟的成型、加工、连接方法。在使用寿命等方面有丰富的技术资料； （2）金属材料的模量和耐热性比聚合物高； （3）金属基体强度高，如下页图所示。金属材料还可以通过各种工程途径来进行强化； （4）金属的塑性、韧性好，因此，金属是强而韧（strong and tough)的材料; （5）金属的电、磁、光、热、弹等性能好，有优势向多功能复合材料方向发展。,图6-1 工程材料的

5、断裂能之比较,金属,无机玻璃,未改性的环氧、聚酯 和聚酰亚胺,有机玻璃(PMMA),聚砜热塑性(PSF),合成橡胶改性环氧,6.1.1.4 利用金属基体制成MMCs的综合性能,（1）高比强度；（2）高比模量；（3）高的韧性及抗冲击性能；（4）良好的耐热性；（5）良好的耐磨与阻尼性；（6）与增强纤维复合后可以制造低热膨胀系数的、尺寸稳定性好的复合材料；（7）表面耐久性好，对表面裂纹敏感性低；（8）导电导热性强；（9）对温度变化或热冲击的敏感性低；（10）抗腐蚀性好；（11）无放气污染；（12）不吸湿、不老化、防燃、抗辐射；（13）性能再现性好；（14）便于制造、成型、加工、连接和精整。,6.1.

6、2 用纤维增强金属的原因,6.1.2.1 为什么要用纤维增强金属？ 6.1.2.2 用高模量纤维增强金属的意义,6.1.2.1 为什么要用纤维增强金属？,虽然沉淀强化或弥散强化可以提高金属材料的屈服强度和加工硬化率，但对改善材料的弹性模量作用不大。这是由于第二相粒子主要是通过阻碍金属中的位错运动来提高其强度。而金属颗粒本征的高模量没有发挥出来。 因此，通过加入强化相(例如高模、高强纤维）来获得材料模量的提高，便成为强化金属材料的最新途径。 同时，大多数高模量增强纤维的密度远低于金属（除钨以外）。因此，可以通过在金属基体中掺杂高模量纤维来提高材料的比模量。,表6-1 一些商用金属及其合金的密度(

7、g/cm3) Metal Density Metal Density Aluminum 2.7 Lead 11.5 Beryllium 1.8 Nickel 8.9 Copper 8.9 Silver 10.5 Gold 19.3 Titanium 4.5 Iron 7.9 Tungsten 19.3,表6-2 一些增强纤维的密度(g/cm3),Fiber Density Fiber Density B(W芯) 2.6 B(C芯) 2.23 粘胶基HTC 1.6 沥青基HMC 2.2 PAN基HTC(T300) 1.75 PAN基HMC(M40) 1.81 SiC(W芯) 3.16 SiC(C

8、芯) 3.07 Nicalon 2.55 Tyranno 2.35 Hi-Nicalon 2.20 -SiC晶须 3.2 FP-Al2O3 3.9 住友-Al2O3 3.3 ICI-Al2O3 3.25 3M-Al2O3 2.59 单晶Al2O3 4.0,6.1.2.2 用高模量纤维增强金属的 意义,对于结构应用来说，常常涉及到弯曲和压缩载荷(flexural and compression loading)。 例如飞机(plane)、火箭(rocket)或汽车(truck)中的梁(beams),要求它们的 E/2 的值尽可能大，则其质量 M 才能减小。 考虑一个简单正方截面的悬臂梁，其长度为

9、l；厚度为t；施加力p。忽略自重，则这个梁的弹性挠度(the dlastic deflection ) 可由下页公式给出。,弹性挠度 = (pl3/3EI ) 式中，t厚度；I惯性矩，在此情况下， I=t4/12 ；p载荷。 已知梁的质量 M=lt2 t4= M 2/(l22) M=(4l5p/ )(2/E )1/2 因此，对于一个给定刚性率（p/）的结构，当参数E/2最大时，可以获得最小的质量,即E1/2/ M。E1/2/为材料的弯曲比模量。,用高模量纤维增强金属的意义,用高模量纤维增强金属的意义,同理，我们采用其他简化的模型，可以推导得出不同承载形式下的材料性能指标。 所谓材料指标，指的是

10、给出传递长度和载荷时，决定其结构件重量的指标。若材料指标大，就意味着可以轻量化。 下页表给出各种结构件受到各种载荷以及用各种适用的极限条件来决定设计时的结构材料指标。,表6-3 结构件的材料指标,构件 载荷 极限条件 材料指标 备注 棒 拉伸 破坏 B / 强度指标 棒 拉伸 延伸 E / 变形指标 棒 弯曲 破坏 B / 强度指标 棒 弯曲 挠曲 3 E/ 变形指标 棒 压缩 屈曲 E/ 屈曲指标 平板 压缩 屈曲 3 E/ 屈曲指标 圆筒 压缩 屈曲 E/ 屈曲指标 圆筒 弯曲 屈曲 ER / 屈曲指标,国防科技大学航天与材料工程学院,由上面的简单分析可知使用B 、 E、的纤维增强金属在结

11、构应用中的意义。从理论上解释了用模量高且密度低的纤维增强金属的原因。 用纤维增强金属将使复合材料结构具有更高的比强度与比模量。,用高模量纤维增强金属的意义,6.1.3 选择金属基体的原则,6.1.3.1 金属基复合材料的使用要求 6.1.3.2 金属基复合材料的组成特点 6.1.3.3 基体与增强材料的相容性,选择金属基体的原则,基体种类及成分的正确选择，对能否充分组合和发挥基体金属和增强材料的性能特点、获得预期的优异的综合性能以满足使用要求十分重要。 在选择基体金属时应考虑金属基复合材料的使用要求、组成特点和基体与增强体的相容性。,国防科技大学航天与材料工程学院,6.1.3.1 金属基复合材

12、料的使用要求,（1）在航天、航空领域 性能要求：比强度高、比模量高、尺寸稳定性高。 作为航天飞行器和卫星的构件时，基体应选用密度小的轻金属合金：镁合金、铝合金；增强体应选用高强度、高模量的连续石墨纤维、硼纤维等。,金属基复合材料的使用要求,（2）高性能发动机 性能要求：高比强度、比模量、优良的耐高温持久性能、能在高温氧化性气氛中长期工作。 基体选用钛基合金、镍基合金及金属间化合物；增强体选用碳化硅纤维（增强钛合金）、钨丝（增强镍基超合金）等。 制作喷气发动机叶片、传动轴等零件。,金属基复合材料的使用要求,（3）汽车发动机 性能要求：耐热、耐磨、热膨胀系数小、一定的高温强度、成本低廉和适合于批量

13、生产。 基体选用铝合金；增强体选用碳化硅颗粒、氧化铝短纤维和碳短纤维等。 制作发动机活塞、缸套、连杆等零件。,金属基复合材料的使用要求,（4）电子工业集成电路 性能要求：高导电、高导热、低热膨胀系数。 基体选用导电、导热性能优异的银、铜、铝等；增强体选用高模量石墨纤维等。 制作散热元件和基板等。,6.1.3.2 金属基复合材料的组成特点,（1）连续纤维增强金属基复合材料 基体的作用是保证纤维性能的充分发挥，因为纤维是主要承载相，它们本身的强度已经非常高（如高强度碳纤维的最高强度已高于7GPa)。基体应有好的塑性和与纤维良好的相容性。 不需要基体有高强度和高模量，也不需要基体金属具有热处理强化等

14、性质。 在研究碳/铝复合材料中已得到证明。,图6-2 不同铝合金性能与复合材料性能的比较,金属基复合材料的组成特点,（2）非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料 基体是主要承载相，基体的强度对复合材料的性能具有决定性的影响。 欲获得高性能的复合材料，必须选用高强度的、能热处理强化的合金为基体。,6.1.3.3 基体与增强材料的相容性,在制造金属基复合材料过程中，如果基体不润湿增强体、或与增强体发生化学反应，则它们之间的相容性不好。 所以，需选用既有利于基体与增强体良好润湿，又有利于形成合适的、稳定的界面的合金元素。如在碳/纯铝复合材料的基体中加少量钛； 不宜选用易破坏碳纤维结构的铁、镍

15、基合金作为碳纤维复合材料的基体。,6.1.4 常用金属基体材料,6.1.4.1 铝、镁、钛、铜、金属间化合物和高温合金 6.1.4.2 结构复合材料的金属基体 6.1.4.3 功能复合材料的金属基体,6.1.4.1 铝、镁、钛、铜、金属间化合物和高温合金,铁及铁合金称为黑色金属 除钢铁以外所有的其他金属统称为有色金属，如铝、铜、镁、钛、钨等。 金属与非金属、金属与金属之间形成的化合物称为金属间化合物，如钛铝、镍铝、铁铝等。 高温合金主要是镍基、铁基合金。,铝、镁、钛、铜和金属间化合物,MMCs常用金属基体有： 铝（Aluminum）及其合金 镁（Magnesium）及其合金 钛（Titanium）及其合金 铜（Copper）及其合金 镍（Nickel）及其合金 不锈钢 （stainless steel） 金属间化合物(Intermetallic compounds),（1）铝及铝合金,1）概述 纯铝：元素周期表中第三