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1、姓名： 学号： 班级：,金属基复合材料,目 录,金属基复合材料概述 金属基复合材料的种类及性能 铝基复合材料 镁基复合材料 钛基复合材料 金属基复合材料成型工艺简介,3,金属基复合材料是指以金属及其合金为基体，一种或几种金属或非金属为增强相，人工结合成的复合材料。组成复合材料的各种分材料称为组分材料，组分材料一般不发生作用，均保持各自的特性独立存在。 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。,一、金属基复合材料概述,4,金属基复合材料(Metal Matrix Composite, MMC)，这一术语包括很广的成分与结构，共同点是有连续的金属基体（包括金属间化合
2、物基体）。 目的： 把基体的优越的塑性和成形性与增强体的承受载荷能力及刚性结合起来。 把基体的高热传导性与增强体的低热膨胀系数结合起来。,5,金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度； 而与树脂基复合材料相比，它又具有优良的导电性与耐热性； 与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能。,按增强体类型分 颗粒增强金属基复合材料 层状增强复合材料 纤维（长短及晶须）增强金属基复合材料,金属基复合材料是以金属或合金为基体，以高性能的第二相为增强体的复合材料。 金属基复合材料品种繁多，有各种分类方式，归纳为以下3种：,二、金属基复合材料的分类及性能,（1）、颗粒增强金属基复合
3、材料 颗粒增强复合材料是指增强相为弥散分布的颗粒体，颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1微米。 在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传递载荷。颗粒增强复合材料的强度通常取决于增强颗粒的直径和体积分数，同时还与基体性质，颗粒与基体的界面及颗粒排列的形状密切相关。,(2)、层状增强复合材料 层状复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。 由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，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，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性
4、。,(3)、纤维（长短及晶须）增强复合材料 金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须，它们均属于一维增强体。因此，由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特征。 短纤维和晶须在基体中为随机分布，因而性能在宏观上表现为各向同性。,纤维增强金属基复合材料 金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。 常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。,作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中。,金属基复合材料纤维选择要点 高强度、高模量。（明显高于金属基体） 耐热性高 （如：KF不
5、宜选用） 价格低 （比较突出的制约因素） 相容性好 （膨胀系数相近，高温惰性）,12,按基体材料分类：,铝基复合材料 镁基复合材料 钛基复合材料 金属间化合物基复合材料,目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。,按用途分 （1）、结构复合材料 （2）、功能复合材料 （3）、智能复合材料,结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。 功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性。化学性能包括抗氧化性和耐腐蚀性等，用于电子、仪器
6、、汽车等工业。 智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。 应当注意，功能复合材料和智能复合材料容易混淆。,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,金属基复合材料的性能特点,（1）、高比强度、比模量 在金属基体中加入适量的高强度，高模量，低密度的纤维，晶须及颗粒等增强体，显著提高了复合材料的比强度，比刚度和比模量。 在金属中加
7、入高性能，低密度的增强体，可使复合材料的比强度，比模量成倍增加。采用高比强度，高比模量的金属基复合材料制成的构件相对密度轻，强度高，刚性好，是航空，航天领域中的理想材料。,（2）、导热导电性能,虽然有的增强体为绝缘体，但在复合材料中占很小份额，基体导电及导热性并未被完全阻断，金属基复合材料仍具有良好的导电与导热性。 为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的热导率比纯铝、铜还高，用它们制成的集成电路底板和封装件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路的可靠性。,（3）、热膨胀系数小、尺寸稳定性好,金属基复合材料中的碳纤维、碳
8、化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热膨胀系数。加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种应用的要求。 例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量达到48时，复合材料的热膨胀系数为零，在温度变化时使用这种复合材料做成的零件不发生变形。,（4）、良好的高温性能,由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强材料主要是无机物，在高温下又都具有很高的高温强度和模量，因此金属基复合材料比基体金属具有更高的高温性能。 如石墨纤维增强铝基复
9、合材料在500高温下，仍具有600MPa的高温强度，而铝基体在300强度已下降到100MPa以下。又如钨纤维增强耐热合金，在1100，100h高温持久强度为207MPa，而基体合金的高温持久强度只有48MPa。 因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上，可大幅度提高发动机的性能和效率。,（5）、良好的耐磨性,金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。 如碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比基体金属高出2倍以上；与铸铁比较，SiCpAl复合材料的耐磨性比铸铁还好。可用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件，能明显提高零件的性能和使用寿命。,（6）、良好的断
10、裂韧性和抗疲劳性能,金属基复合材料的断裂韧性和抗疲劳性能取决于增强物与金属基体的界面结合状态，增强物在金属基体中的分布以及金属基体、增强物本身的特性，特别是界面状态，适中的界面结合强度既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的形成与扩展和位错运动，提高材料的断裂韧性。,（7）、不吸潮、不老化、气密性好,与聚合物相比金属基复合材料性质稳定、组织致密，不老化、分解、吸潮等，也不会发生性能的自然退化，这比聚合物基复合材料好，在太空使用不会分解出低分子物质污染仪器和环境，有明显的优越性。,金属基复合材料实例,航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料，例如波音747大型运输机、远距离通信天线、巨型火箭及宇航飞
11、行器等。在设计这些结构时，问题之一就涉及到平方立方尺寸关系，即结构的强度与刚度随其尺寸的平方增加而重量却随其线尺寸的立方增加。所以，假若要保证大型结构的机动性和高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。,三 、铝基复合材料,铝基复合材料是在金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、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。,在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金。,铝基复合材料,大型运载工具的首选材料。如波音747、757、767 常用：B/Al、C/Al、SiC/Al SiC纤维密度较
12、B高30，强度较低，但相容性好。 C纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。 基体材料可选变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝。它们塑性好制备铝薄容易。,基体与增强体 铝基复合材料的增强体主要有3种：长纤维，晶须和颗粒；基体主要有纯铝及其合金。基体合金的种类较多，主要有两大类：变形合金和铸造合金。,(1)、长纤维增强铝基复合材料,长纤维对铝基体的增强方式可以以单向纤维、二维织物和三维织物存在。长纤维增强铝基复合材料主要有：BfAl、CfAl、SiCfAl、Al203fAl和不锈钢丝Al等。,BfAl复合材料,硼纤维是在钨或碳丝化学气相沉积而形成的单丝，直径较粗(100140m)，因而在工艺上较
13、易制造。,纤维含量越高，其拉伸强度的变化。,硼-铝复合材料的耐高温性突出。,硼-铝复合材料中由于纤维的纵向热膨胀系数与基体的热膨胀系数差别较大，因此在界面会产生较高的残余应力。,BfAl复合材料的制造 复合材料的制造包括将复合材料的组分组装并压合成适于制造复合材料零件的形状。 常用的工艺有两种: 一、纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行; 二、先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制成最终形状的零件。 前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先铸锭然后再锻成零件的形状。,CfAl复合材料,碳纤维密度小，具有优异的力学性能，是目前可作金属基复合材料增强物的高性能纤维中价格最便宜的一种，它们与很多
14、种金属基体复合，制成了高性能的金属基复合材料。 但是由于碳(石墨)纤维与液态铝的浸润性差，高温下相互之间又容易发生化学反应，生成严重影响复合材料性能的化合物。人们采取了多种纤维表面处理方法来解决这个问题，比如在碳纤维表面镀铬、铜等。,碳纤维对复合材料的力学性能影响很大。 表5-10是液态金属浸渍法制备的碳纤维增强铝合金的拉伸强度。最后一项是碳与铝反应产物的数量。表中前4种纤维都是经高温石墨化处理的石墨纤维，它们与铝的反应产物Al4C3的量较少，拉伸强度较高。最后一种纤维是未经高温石墨化处理的碳纤维，它与铝的反应产物Al4C3的量很高，其拉伸强度大大下降。因此，未经高温石墨化处理的碳纤维是不适宜
15、作铝基体的增强物，除非经过表面处理。,（2）短纤维增强铝基复合材料,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形工艺如铸、锻、挤、轧等，而且材料的性能是各向同性的。 可用做铝基复合材料增强物的短纤维有氧化铝、硅酸铝和碳化硅等。,氧化铝和硅酸铝短纤维增强铝基复合材料的室温拉伸强度并不比基体合金高，但它们的高温强度明显优于基体，弹性模量在室温和高温都有较大的提高，热膨胀系数减小，耐磨性能得到改善。,纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。 纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采用正交
16、编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。,纤维在基体中的不同分布方式,37,层状复合材料 层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。,这种材料是各向异性的(层内两维同性)。如碳化硼片增强钛、胶合板等。,双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。,3、颗粒(晶须)增强铝基复合材料,主要使用的有SiC、Al2O3颗粒(晶须)增强铝基复合材料。 SiC颗粒(晶须)增强铝基复合材料具有良好的力学性能和耐磨性能。随着SiC含量的增加，其热膨胀系数降低，并低于基体。这些复合材料的韧性低于基体，但高于连续纤维增强铝基复合材料，而且其刚度比基体提高很多。由于SiC的硬度很高，使得这种复合材料的硬度大大提高，其耐磨性也相应大大提高。,复合材料的拉伸强度和弹性模量比基体高，且随着SiC晶须含量的增加，其拉伸强度和弹性模量均有较大升高。,在铝合金中加入脆性的SiC颗粒或晶须，其断裂
