《金属基复合材料的制备》PPT课件

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1、第第5 5章章 金属基复合材料的制备金属基复合材料的制备本章教学目的：本章教学目的：了解复合材料的定义、分类、了解复合材料的定义、分类、制备方法制备方法难点：难点：复合材料制备的方法复合材料制备的方法第第1 1节节 绪绪 论论1.1 引言引言材料种类材料种类特性特性金属材料金属材料强度大，易腐蚀强度大，易腐蚀无机非金属材料无机非金属材料硬度大，脆性大硬度大，脆性大高分子材料高分子材料质量轻，易老化质量轻，易老化 复合材料复合材料Composite material第第1 1节节 绪绪 论论1.2 复合材料的定义复合材料的定义复合材料复合材料：由二种或二种以上不同性能，不同形态的由二种或二种以上

2、不同性能，不同形态的组分材料通过复合工艺组合而成的一种组分材料通过复合工艺组合而成的一种多相材料多相材料，它既保，它既保持了原组分材料的主要特点，又显示原组分材料所没有的持了原组分材料的主要特点，又显示原组分材料所没有的新性能新性能。复合材料构成：复合材料构成：基体相，增强相，界面相基体相，增强相，界面相第第1 1节节 绪绪 论论1.3 复合材料的命名及分类复合材料的命名及分类命名：命名：根据增强材料和基体材料的名称来命名根据增强材料和基体材料的名称来命名 “增强材料增强材料+基体材料基体材料”复合材料复合材料碳纤维环氧树脂复合材料碳纤维环氧树脂复合材料 碳碳/环氧复合材料环氧复合材料第第1

3、1节节 绪绪 论论1.3 复合材料的命名及分类复合材料的命名及分类分类分类 金属基复合材料金属基复合材料 聚合物基复合材料聚合物基复合材料 无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料 碳纤维复合材料碳纤维复合材料 玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料 芳纶纤维复合材料芳纶纤维复合材料 连续纤维（短纤维）复合材料连续纤维（短纤维）复合材料 片状（粒状）材料增强复合材料片状（粒状）材料增强复合材料复复合合材材料料基体材料基体材料增强材料增强材料种类种类外形外形第1节 绪 论1.4 复合材料的应用复合材料的应用航空航天： 第1节 绪 论1.4复合材料的应用航空航天： 1.4 复合材料的应用复合材料的应用航

4、空航天航空航天：飞机机翼、尾翼、垂尾、机身飞机机翼、尾翼、垂尾、机身 波音波音-747-747型客机上使用聚合物基复合材料的部位型客机上使用聚合物基复合材料的部位 B787客机客机(2007年年7月首架飞机下线月首架飞机下线,复合材料占总质量复合材料占总质量50%,节省燃油节省燃油20%) 技技术参数：术参数： 翼展：翼展：50.3-51.8米；机长米；机长: 55.5米；高度：米；高度：16.5米；最大起飞总重米；最大起飞总重:163000千克；巡航速度：千克；巡航速度： 0.85马赫（马赫马赫（马赫=1126公里公里/小时）小时） ；载客量：；载客量：289；最大航程：；最大航程：1570

5、0公里公里 A380客机客机(2007年年10月月,首次商业航行首次商业航行,复合材料占总质量复合材料占总质量25%) 是目前世界上是目前世界上唯一采用全机身长度双层客舱唯一采用全机身长度双层客舱,最先进、最宽敞和最高效的飞机。最先进、最宽敞和最高效的飞机。 技术参数：翼展：技术参数：翼展：79.8米；机长：米；机长：73米；宽度：米；宽度：7.14米；最大起飞重量：米；最大起飞重量：560吨；巡航速度：吨；巡航速度：0.89马赫；载马赫；载 客客 量：量：555人；最大航程：人；最大航程：15000公里。公里。 我国研制的我国研制的ARJ21 （Advanced Regional Jet）支

6、线客机）支线客机-“翔凤翔凤”(复复合材料占总质量合材料占总质量2%)2007年年12月月21日下线，日下线，2008年上半年首飞；载客量年上半年首飞；载客量70-100人人;最大燃油航程：最大燃油航程： 4164 km. 聚合物基复合材料在导弹火箭上的应用聚合物基复合材料在导弹火箭上的应用(导弹减轻导弹减轻1公斤公斤,射程增加射程增加16-20公里公里)1.4 复合材料的应用复合材料的应用交通运输交通运输：各种车身构件、车门、地板、冷藏车、座椅各种车身构件、车门、地板、冷藏车、座椅建筑工业建筑工业：轻型房屋、建筑装饰及雕塑轻型房屋、建筑装饰及雕塑电子电器电子电器：层压板、电线杆、路灯灯具层压

7、板、电线杆、路灯灯具体育体育：撑杆、弓箭、赛车、滑板撑杆、弓箭、赛车、滑板机械：机械：各种配件、风机各种配件、风机1.4 复合材料的应用复合材料的应用1.4 复合材料的应用复合材料的应用1.4 复合材料的应用复合材料的应用1.4 复合材料的应用复合材料的应用1.4 复合材料的应用复合材料的应用分类分类 金属基复合材料金属基复合材料 聚合物基复合材料聚合物基复合材料 无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料 碳纤维复合材料碳纤维复合材料 玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料 芳纶纤维复合材料芳纶纤维复合材料 连续纤维（短纤维）复合材料连续纤维（短纤维）复合材料 片状（粒状）材料增强复合材料片状（粒状

8、）材料增强复合材料复复合合材材料料基体材料基体材料增强材料增强材料种类种类外形外形本节教学目的：本节教学目的：1.了解增强材料的作用、种类了解增强材料的作用、种类第第2节节 增强材料增强材料增强纤维增强纤维显著提高基体材料的机械性能（高强度、高模量）显著提高基体材料的机械性能（高强度、高模量）无机纤维：无机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维维、氧化铝纤维有机纤维：有机纤维：芳纶纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维芳纶纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维第第2节节 增强材料增强材料2.2 玻璃纤维玻璃纤维(20世纪世纪20年代，生产并投入使用，美国；年代

9、，生产并投入使用，美国；1950年，中国年，中国)第第2节节 增强材料增强材料2.2 玻璃纤维玻璃纤维的组成玻璃纤维的组成 玻璃纤维是由玻璃纤维是由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属无定形离子结构物质。物，属无定形离子结构物质。SiO2：主要组分，形成基本骨架，有高的熔点主要组分，形成基本骨架，有高的熔点金属氧化物金属氧化物：（Al2O3 ，CaO ，MgO ，BeO ，Na2O,K2O，B2O3）第第2节节 增强材料增强材料2.3碳纤维（碳纤维（CF）第2节 增强材料碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化高温碳化而

10、成的而成的纤维状碳纤维状碳化合物化合物。（高强度、高模量、耐热性好、密度低）（高强度、高模量、耐热性好、密度低）1959年美国研制人造丝碳纤维；年美国研制人造丝碳纤维；1963年日本以沥青为原料研制出碳纤维；年日本以沥青为原料研制出碳纤维；1964年英国，聚丙烯腈基碳纤维年英国，聚丙烯腈基碳纤维20世纪世纪70年代，中国生产碳纤维年代，中国生产碳纤维（品种少，性能一般，产量低）（品种少，性能一般，产量低）1969年年 100t1985年年 4700t2000年年 20000t2.3碳纤维（碳纤维（CF）第第2节节 增强材料增强材料2.3碳纤维（碳纤维（CF）第第2节节 增强材料增强材料碳纤维的

11、用途碳纤维的用途2.3碳纤维（CF）第2节 增强材料碳纤维的用途NH-90NH-90直升机直升机2.3碳纤维（碳纤维（CF）第第2节节 增强材料增强材料碳纤维的用途碳纤维的用途 NH-90NH-90直升机机体结构中，大绝部分均采用复合材料整体结构，直升机机体结构中，大绝部分均采用复合材料整体结构，与全金属结构相比，其零件数目减少与全金属结构相比，其零件数目减少20%20%，重量减轻，重量减轻15%15%。 2.3碳纤维（碳纤维（CF）第第2节节 增强材料增强材料碳纤维的用途碳纤维的用途2.3碳纤维（CF）第第2节节 增强材料增强材料碳纤维的用途2.4 芳纶纤维（芳纶纤维（KF，VF）第第2节节

12、 增强材料增强材料 KF是一种低密度、高强度、高模量和耐腐蚀的有是一种低密度、高强度、高模量和耐腐蚀的有机纤维，机纤维，1960年美国杜邦公司发明。年美国杜邦公司发明。2.4 芳纶纤维（KF，VF）第第2节节 增强材料增强材料2.5 其它纤维其它纤维硼纤维（硼纤维（BF）第第2节节 增强材料增强材料 20世纪世纪50年代末，美国开发的高性能纤维，年代末，美国开发的高性能纤维，主要用于制造树脂基和金属基复合材料。主要用于制造树脂基和金属基复合材料。CF比比BF生产工艺简单，成本低，性能相当，生产工艺简单，成本低，性能相当，BF被被CF替代。替代。目前，主要用于金属基复合材料。目前，主要用于金属基

13、复合材料。2.5 其它纤维碳化硅纤维（碳化硅纤维（SiCF）第第2节节 增强材料增强材料1.制造方法CVD法:钨丝/碳丝 沉积室沉积室烷基硅烷分解烷基硅烷分解SiCF2.5 其它纤维其它纤维高硅氧纤维与石英纤维高硅氧纤维与石英纤维第第2节节 增强材料增强材料 由高纯由高纯二氧化硅二氧化硅和天然和天然石英石英晶体晶体制成的制成的纤维纤维。纯度纯度99.95%，密度，密度2.2g/cm3,直径直径0.7 -10m。具有耐热、耐。具有耐热、耐腐蚀腐蚀和柔软性。和柔软性。高温下强度保持率高、尺寸稳定、抗热震性、化学稳定性、透高温下强度保持率高、尺寸稳定、抗热震性、化学稳定性、透光性及电绝缘性好。光性及

14、电绝缘性好。用途用途:主要用作电绝缘材料、主要用作电绝缘材料、隔热材料隔热材料和和复合材料复合材料的增强体。的增强体。用于制用于制飞机飞机雷达罩雷达罩、火箭火箭的尾喷管、空间航天器的的尾喷管、空间航天器的烧蚀材料烧蚀材料等。等。 2.5 其它纤维其它纤维超高相对分子量聚乙烯纤维超高相对分子量聚乙烯纤维 （分子量（分子量300万以上）万以上）第第2节节 增强材料增强材料目前世界上最新的超轻、高比强度、高比模量、成本低的目前世界上最新的超轻、高比强度、高比模量、成本低的高性能有机纤维。高性能有机纤维。1975年荷兰年荷兰DSM公司发明，公司发明，1990年，第年，第一条小型生产线。一条小型生产线。

15、2.5 其它纤维其它纤维超高相对分子量聚乙烯纤维超高相对分子量聚乙烯纤维 第第2节节 增强材料增强材料2.5 其它纤维其它纤维玄武岩纤维（玄武岩纤维（CBF）第第2节节 增强材料增强材料以火山岩为原料，经以火山岩为原料，经1500 1500 熔融拉丝而成的纤维。熔融拉丝而成的纤维。（外观为金褐色，（外观为金褐色，20062006年全世界产量年全世界产量30003000吨，中国吨，中国700700吨，吨，70%70%用于建筑工业。）用于建筑工业。）第三节金属基复合材料的制备工艺第三节金属基复合材料的制备工艺 随着现代科学技术的飞速发展，人们随着现代科学技术的飞速发展，人们对材科的要对材科的要对材

16、科的要对材科的要求求求求越来越高。越来越高。 在在结构材料结构材料结构材料结构材料方面，不但要求方面，不但要求强度高强度高，还要求其，还要求其重重量要轻量要轻，尤其是在航空航天领域。，尤其是在航空航天领域。 金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。正是为了满足上述要求而诞生的。金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料相对于相对于传统的金属材料传统的金属材料来说，具来说，具有有较高的较高的比强度比强度比强度比强度与与比刚度比刚度比刚度比刚度；而与而与树脂基复合材料树脂基复合材料相比，它又具有相比，它又具有优良的优良的导电导电导电导电性

17、性性性与与耐热性耐热性耐热性耐热性；与与陶瓷基材料陶瓷基材料相比，它又具有相比，它又具有高韧性高韧性高韧性高韧性和和高冲击性高冲击性高冲击性高冲击性能能能能。金属基复合材料金属基复合材料的这些的这些优良的性能优良的性能决决定了它已定了它已从诞生之日起从诞生之日起就成了新材料家族就成了新材料家族中的重要一员，它已经在一些领域里得到中的重要一员，它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。应用并且其应用领域正在逐步扩大。 金属基复合材料是金属基复合材料是以金属为基体以金属为基体，以高以高强度的第二相为增强体强度的第二相为增强体而制得的复合材料。而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可

18、因此，对这种材料的分类既可按基体按基体来进行、来进行、也可也可按增强体按增强体来进行。来进行。一、金属基复合材料的种类一、金属基复合材料的种类 1按基体分类按基体分类(1)铝基复合材料铝基复合材料(2)镍基复合树树镍基复合树树(3)钛基复合材料钛基复合材料这是在金属基复合材料中这是在金属基复合材料中应用得最广应用得最广的的一种。由于一种。由于铝的基体铝的基体为为面心立方面心立方结构，因此结构，因此具有具有良好的良好的塑性和韧性塑性和韧性，再加之它所具有的，再加之它所具有的易加工性易加工性、工程可靠性工程可靠性及及价格低廉价格低廉等优点，等优点，为其为其在工程上应用在工程上应用创造了有利的条件。

19、创造了有利的条件。(1)铝基复合材料铝基复合材料在在制造铝基复合材料制造铝基复合材料时，通常并不是使用时，通常并不是使用纯铝而是纯铝而是用各种铝合金用各种铝合金。这主要是由于这主要是由于与纯铝相比与纯铝相比，铝合金具有更铝合金具有更好的综合性能好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体，。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中则根据实际中对复合材料的性能需要对复合材料的性能需要来决定。来决定。这种复合材料是以这种复合材料是以镍及镍合金为基体镍及镍合金为基体制造制造的。由于镍的的。由于镍的高温性能优良高温性能优良，因此这种复合，因此这种复合材料主要是用于制造材料主要是用于制造高温下工作的零部件高温下

20、工作的零部件。(2)镍基复合材料镍基复合材料人们研制人们研制镍基复合材料镍基复合材料的一个重要目的，的一个重要目的，即是希望用它来制造即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片燃汽轮机的叶片，从而，从而进一步进一步提高燃汽轮机的工作温度提高燃汽轮机的工作温度。但目前由于但目前由于制造工艺制造工艺及及可靠性可靠性等问题尚等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。未解决，所以还未能取得满意的结果。钛钛钛钛比任何其它的结构材料具有比任何其它的结构材料具有更高的比强度更高的比强度更高的比强度更高的比强度。此外，钛此外，钛在中温时在中温时比铝合金比铝合金能更好地保持其强度能更好地保持其强度能更好地保持其强度能更好

21、地保持其强度。 因此，对飞机结构来说，当速度因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速从亚音速提高到提高到超超音速音速时，时，钛比铝合金显示出了更大的优越性钛比铝合金显示出了更大的优越性钛比铝合金显示出了更大的优越性钛比铝合金显示出了更大的优越性。(3)钛基复合材料钛基复合材料随着随着速度的进一步加快速度的进一步加快，还需要，还需要改变改变飞机的结构设计飞机的结构设计，采用，采用更细长的机冀更细长的机冀和和其其它冀型它冀型，为此需要，为此需要高刚度的材料高刚度的材料，而，而纤维纤维增强钛增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求。恰可满足这种对材料刚度的要求。基体和增强体的热膨胀系数基体和增强体的热膨胀系数

22、基体和增强体的热膨胀系数基体和增强体的热膨胀系数钛基复合材料中钛基复合材料中最常用的增强体是最常用的增强体是硼纤维硼纤维，这是由于这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近钛与硼的热膨胀系数比较接近，如，如下表所示。下表所示。 2. 按增强体分类按增强体分类(1)颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料(2)层状复合材料层状复合材料(3)纤维增强复合材料纤维增强复合材料(1)颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料这里的这里的颗粒增强复合材颗粒增强复合材料料是指弥散的硬质是指弥散的硬质增强相的增强相的增强相的增强相的体积超过体积超过体积超过体积超过2020的复合材料，的复合材料，而不包括那种而不包括那种弥散质点体积弥

23、散质点体积弥散质点体积弥散质点体积比比比比很低的弥散强化金属。很低的弥散强化金属。此外，此外，颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料的的颗粒直径和颗粒直径和颗粒间距很大，颗粒间距很大，一般大于一般大于1um。在这种复合材料中，在这种复合材料中，增强相增强相是主要的是主要的承承载相载相，而，而基体基体的作用则在于的作用则在于传递载荷传递载荷和和便于便于加工加工。(2)层状复合材料层状复合材料这种复合材料是指这种复合材料是指在韧性和成型性较在韧性和成型性较好的金属基体材料中好的金属基体材料中，含有，含有重复排列的重复排列的高高强度强度、高模量高模量片层状增强物片层状增强物的复合材料。的复合材料。层状复合

24、材料的层状复合材料的强度强度和和大尺寸增强物的大尺寸增强物的性能性能比较接近。比较接近。因为因为增强薄片在二维方向上的尺寸增强薄片在二维方向上的尺寸相当相当于结构件的大小于结构件的大小。(3)纤维增强复合材料纤维增强复合材料 金属基复合材料中的纤维金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同根据其长度的不同根据其长度的不同根据其长度的不同可分为可分为长纤维长纤维长纤维长纤维、短纤维短纤维短纤维短纤维和和晶须晶须晶须晶须，它们均属于，它们均属于一一一一维增强体维增强体维增强体维增强体。因此，因此，由纤维增强的复合材料由纤维增强的复合材料均表现出明显均表现出明显的的各向异性各向异性各向异性各向异性特征。

25、特征。当当韧性金属基体韧性金属基体用用高强度脆性纤维高强度脆性纤维增增强时，强时，基体的屈服基体的屈服和和塑性流动塑性流动是复合材料是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性弹性模量的增强模量的增强具有相当大的作用。具有相当大的作用。 根据各种根据各种方法的基本特点方法的基本特点方法的基本特点方法的基本特点，把把金属基复合材金属基复合材金属基复合材金属基复合材料的制备工艺料的制备工艺料的制备工艺料的制备工艺分为四大类：分为四大类： (1) (1) 固态固态固态固态法；法；法；法；(2) (2) 液态液态液态液态法；法；法；法；(3) (3) 喷射与喷涂沉积喷

26、射与喷涂沉积喷射与喷涂沉积喷射与喷涂沉积法；法；法；法；(4) (4) 原位复合原位复合原位复合原位复合法。法。法。法。二、常用的金属基复合材料制备工艺二、常用的金属基复合材料制备工艺常用的金属基复合材料制备工艺常用的金属基复合材料制备工艺(1) 固态法固态法1) 扩散粘接扩散粘接在一定的在一定的温度和压力温度和压力下，把表面下，把表面新鲜清洁新鲜清洁的的相相同或不相同同或不相同的金属的金属，通过，通过表面原子的互相扩散表面原子的互相扩散表面原子的互相扩散表面原子的互相扩散而连而连接在一起。接在一起。因而，扩散结合也成为一种制造因而，扩散结合也成为一种制造连续纤维增强连续纤维增强连续纤维增强连

27、续纤维增强金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料的传统工艺方法。的传统工艺方法。扩散粘接工艺扩散粘接工艺中，中，增强纤维与基体的增强纤维与基体的结合结合主要分为三个关键步骤：主要分为三个关键步骤： 纤维的排布；纤维的排布； 复合材料的叠合和真空封装；复合材料的叠合和真空封装； 热压。热压。n扩散粘结法：扩散粘结法：n热压法热压法n铺层铺层放入模具或缸套内放入模具或缸套内加热、加压加热、加压冷冷却、取出却、取出n热等静压法热等静压法n预制坯预制坯放入包套放入包套抽真空抽真空高压容器高压容器注注入高压惰气、加热入高压惰气、加热均匀高压均匀高压扩散粘结扩散粘结n热压法热压法2) 粉

28、末冶金粉末冶金粉末冶金是以金属粉末粉末冶金是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉或金属粉末与非金属粉末的混合物末的混合物)为原料，通过成形、烧结或热成形为原料，通过成形、烧结或热成形制成金属制品或材料的一种冶金工艺技术，制成金属制品或材料的一种冶金工艺技术， 粉末冶金既可用于粉末冶金既可用于连续长纤维连续长纤维增强，又可用于增强，又可用于短纤维短纤维、颗粒颗粒或或晶须晶须增强的增强的金属基复合材料金属基复合材料。在粉未冶金法中，在粉未冶金法中，长纤维增强金属基复合材长纤维增强金属基复合材料料分两步进行。分两步进行。首先是将首先是将预先设计好的一定体积百分比的预先设计好的一定体积百分比的长长纤维和金

29、属基体粉末纤维和金属基体粉末混装于容器中，在混装于容器中，在真空或真空或保护气氛保护气氛下下预烧结预烧结。然后将然后将预烧结体预烧结体进行进行热等静压热等静压加工。加工。一般情况下，采用一般情况下，采用粉未冶金工艺粉未冶金工艺制制备的备的长纤维增强金属基复合材料中长纤维增强金属基复合材料中，纤，纤维的维的体积百分含量体积百分含量为为40% 60%，最多，最多可达可达75%。2液态法液态法液态法亦称为液态法亦称为熔铸法熔铸法熔铸法熔铸法，其中包括，其中包括液相浸渍液相浸渍液相浸渍液相浸渍、真空真空真空真空压力浸渍压力浸渍压力浸渍压力浸渍和挤压铸造等。和挤压铸造等。 液态法是目前制备液态法是目前制

30、备颗粒颗粒颗粒颗粒、晶须晶须晶须晶须和和短纤维短纤维短纤维短纤维增强金属增强金属基复合材料的基复合材料的主要工艺方法主要工艺方法。液态法液态法主要特点主要特点是金属基体是金属基体在制备复合材料时在制备复合材料时均均处于液态。处于液态。与固态法相比，液态法的与固态法相比，液态法的工艺及设备相工艺及设备相对简便易行对简便易行，与传统金属材料的成型工艺，与传统金属材料的成型工艺，如铸造、压铸等方法非常相似，如铸造、压铸等方法非常相似，制备成本较制备成本较低低，因此液态法得到较快的发展。，因此液态法得到较快的发展。工艺过程工艺过程工艺过程工艺过程如下：如下：是将是将增强材料增强材料制成制成预制体预制体

31、预制体预制体，置于容器内。，置于容器内。再将再将基体金属坯料基体金属坯料置于可渗透的置于可渗透的增强材料预制体增强材料预制体增强材料预制体增强材料预制体周围。周围。通过加热，通过加热，基体金属熔化基体金属熔化基体金属熔化基体金属熔化，并自发渗透进入网络，并自发渗透进入网络状状增强材料预制体增强材料预制体增强材料预制体增强材料预制体中。中。1) 无压渗透无压渗透 例如例如以以5560%Al2O3预制成预制成零件的形状零件的形状，放，放入同样形状的入同样形状的刚玉陶瓷槽内刚玉陶瓷槽内， 将含有将含有3%10%Mg的的铝合金铝合金（基体）（基体）坯料坯料放放置在置在增强材料预制体增强材料预制体上，上

32、， 在流动的氮气气氛下，加热至在流动的氮气气氛下，加热至8001000，铝合金熔化并自发渗入预制体内铝合金熔化并自发渗入预制体内。无压渗透无压渗透工艺工艺能较明显能较明显降低降低金属基复合材金属基复合材料的制造料的制造成本成本，但复合材料的，但复合材料的强度较低强度较低。 采用这种方法制备的采用这种方法制备的Al2O3/Al的刚度的刚度是是铝铝合金基体合金基体的两倍，而的两倍，而SiC/Al的刚度也达到钢的刚度也达到钢的水平。的水平。2）液相浸渍）液相浸渍3)真空压力浸渍法真空压力浸渍法3喷射沉积喷射沉积首先，将首先，将基体金属基体金属在坩埚中熔化后，在坩埚中熔化后，在在压力作用下压力作用下通

33、过喷咀送入通过喷咀送入雾化器雾化器，在，在高速惰高速惰性气体射流性气体射流的作用下，的作用下，液态金属被分散为细液态金属被分散为细小的液滴小的液滴，形成所谓，形成所谓“雾化锥雾化锥” ；然后，通过一个或多个然后，通过一个或多个喷咀喷咀向向“雾化锥雾化锥”喷射喷射入入增强颗粒增强颗粒，使之与，使之与金属雾化液滴金属雾化液滴一一齐齐在基板（收集器）上沉积在基板（收集器）上沉积，并，并快速凝固快速凝固形形成颗粒增强金属基复合材料，如下图所示。成颗粒增强金属基复合材料，如下图所示。雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图喷射沉积法的优越性喷射沉积法的优越性 该该工艺流程短工艺流程短

34、，工序简单工序简单，喷射，喷射沉积沉积效率高效率高，有利于实现工业化生产。，有利于实现工业化生产。 高致密度高致密度，直接沉积的复合材料密度，直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的一般可达到理论的95%98%；属属快速凝固方法快速凝固方法，冷速可达，冷速可达103 106 K/s，故金属，故金属晶粒及组织细化晶粒及组织细化，消除了，消除了宏观宏观偏析偏析，合金成分均匀合金成分均匀，同时增强材料与金属，同时增强材料与金属液滴接触时间短，液滴接触时间短，很少或没有界面反应很少或没有界面反应； 具有具有通用性通用性和和产品多样性产品多样性。该工艺。该工艺适于适于多种金属材料基体多种金属材料基体，如高

35、、低合金钢、，如高、低合金钢、铝及铝合金、高温合金等。同时可铝及铝合金、高温合金等。同时可设计雾设计雾化器和收集器的形状化器和收集器的形状和一定的机械运动，和一定的机械运动，以直接形成以直接形成盘盘、棒棒、管管和和板带板带等接近等接近零件零件实际形状实际形状的复合材料的坯料；的复合材料的坯料；4原位自生成法原位自生成法在复合材料制造过程中，在复合材料制造过程中，增强材料增强材料在基在基体中体中生成和生长的方法生成和生长的方法称作原位自生成法。称作原位自生成法。以以原位自生成法原位自生成法原位自生成法原位自生成法制造的金属基复合材料中，基体与制造的金属基复合材料中，基体与增强材料间的增强材料间的

36、相容性好相容性好相容性好相容性好，界面干净界面干净界面干净界面干净，结合牢固结合牢固结合牢固结合牢固。特别当特别当增强材料与基体之间增强材料与基体之间有有共格共格共格共格或或半共格半共格半共格半共格关系时，关系时，能非常能非常有效地传递应力有效地传递应力；而且；而且界面上不生成有害反应界面上不生成有害反应产物产物，因此这种复合材料有较优异的力学性能。，因此这种复合材料有较优异的力学性能。原位自生成原位自生成有三种方法有三种方法1) 共晶合金共晶合金定向凝固法定向凝固法2) 直接直接金属氧化法金属氧化法（DIMOXTM）3) 反应反应自生成法自生成法（XDTM） 1) 共晶合金定向凝固法共晶合金

37、定向凝固法增强材料增强材料以共晶的形式以共晶的形式从基体中凝固析出从基体中凝固析出，通，通过控制过控制冷凝方向冷凝方向，在基体中生长出，在基体中生长出排列整齐的排列整齐的类似类似纤维的纤维的条状或片层状条状或片层状共晶增强材料共晶增强材料。以这种方式生产的以这种方式生产的镍基镍基、钴基钴基定向凝固共晶复定向凝固共晶复合材料合材料已得到应用。已得到应用。定向凝固共晶定向凝固共晶复合材料的组织复合材料的组织是是层片层片状状还是还是棒状棒状（纤维状）取决于共晶中（纤维状）取决于共晶中含量含量较少的组元的体积分数较少的组元的体积分数Xf。在二元共晶中，当在二元共晶中，当Xf 32 %时为层片状。时为层

38、片状。2) 直接金属氧化法（直接金属氧化法（DIMOXTM）DIMOXTM是一种可以制备是一种可以制备金属基复合材金属基复合材料料和和陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的的原位复合工艺原位复合工艺。DIMOXTM法根据是否有法根据是否有预成型体预成型体又可分又可分为为惟一基体法惟一基体法和和预成型体法预成型体法，两者原理相同。，两者原理相同。惟一基体法惟一基体法的特点的特点制备制备金属基复合材料的金属基复合材料的原材料中原材料中没有填充没有填充物（增强材料预成型体）和增强相物（增强材料预成型体）和增强相，只是通过，只是通过基体金属的氧化或氮化基体金属的氧化或氮化来获取复合材料。来获取复合材料。在在惟

39、一基体法惟一基体法中，例如需制备中，例如需制备Al2O3/Al，则，则可通过可通过铝液的氧化铝液的氧化来获取来获取Al2O3增强相。增强相。在在DIMOXTM工艺中，工艺中，熔化温度熔化温度上升到上升到9001300，远超过铝的熔点，远超过铝的熔点660。通过进一步加入通过进一步加入促进氧化反应的合金元促进氧化反应的合金元素素Si和和Mg，使熔化金属，使熔化金属通过显微通道通过显微通道渗透渗透到氧化层外边到氧化层外边，并顺序氧化，即铝被氧化。，并顺序氧化，即铝被氧化。利用利用惟一基体法惟一基体法工艺，可以工艺，可以根据氧化根据氧化程度程度来控制来控制Al2O3的量。的量。如果这一工艺过程在如果

40、这一工艺过程在所有金属被氧化所有金属被氧化之前之前停止的话，则所制备的复合材料就是停止的话，则所制备的复合材料就是致密互连的致密互连的Al2O3陶瓷基复合材料，其中含陶瓷基复合材料，其中含有有5% 30%的的Al。除了可以除了可以直接氧化直接氧化外，还可以外，还可以直接氮化直接氮化。通过通过DIMOXTM工艺还可以获得工艺还可以获得AlN/Al，ZrN/Al和和TiN/Ti等等金属基或陶瓷基金属基或陶瓷基复合材料。复合材料。当当DIMOXTM工艺采用工艺采用增强材料预成型体增强材料预成型体时，时，由于由于增强材料预成型体增强材料预成型体是透气的，金属基体是透气的，金属基体可以通过可以通过渗透的

41、氧或氮渗透的氧或氮顺序氧（氮）化顺序氧（氮）化形成形成基体。基体。预成型体法预成型体法3) 反应自生成法（反应自生成法（XDTM）这种方法是在近这种方法是在近20年中发展起来的技术，年中发展起来的技术，主要用于制造主要用于制造金属间化合物金属间化合物复合材料。复合材料。在反应自生成法中，在反应自生成法中，增强材料增强材料是由是由加入加入基体中的基体中的相应元素之间的反应，相应元素之间的反应，或者或者合金熔合金熔体中的体中的某种组分某种组分与与加入的元素或化合物之间加入的元素或化合物之间反应反应生成的。生成的。在在XDTM工艺中，可以根据工艺中，可以根据所选择的所选择的原位生成的原位生成的增强相

42、的类别或形态增强相的类别或形态，选择，选择基基体和增强相生成所需的体和增强相生成所需的原材料原材料，如一定粒，如一定粒度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比例度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比例（反应要求）混合。（反应要求）混合。XDTM工艺原理示意图工艺原理示意图当这种混合物制成当这种混合物制成预制体预制体，加热到，加热到金属金属熔点以上熔点以上或者或者自蔓延的反应发生的温度自蔓延的反应发生的温度时，时，混合物的组成元素进行放热反应混合物的组成元素进行放热反应，用以生成，用以生成在基体中弥漫的在基体中弥漫的微观增强颗粒微观增强颗粒、晶须晶须和和片晶片晶等增强相。等增强相。XDTM工艺的工艺的关键技术

43、关键技术是可以生成一种是可以生成一种韧韧相相。例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉以以一定比例一定比例混合成型混合成型，加热后反应生成，加热后反应生成TiB2，进而形成进而形成TiB2增强的铝基复合材料。增强的铝基复合材料。 Al + Ti + B TiB2 + Al XDTM法不仅可以用法不仅可以用粉末反应粉末反应粉末反应粉末反应生成复合材料，生成复合材料，也可以也可以在熔融的合金中在熔融的合金中导入导入参加反应的粉末或气参加反应的粉末或气参加反应的粉末或气参加反应的粉末或气体体体体而生成复合材料。而生成复合材料。如在熔融的如在熔融的Al-Ti合金中导入合金中导入

44、载碳气体载碳气体载碳气体载碳气体，反应，反应生成生成TiC，进而形成，进而形成TiC增强铝基复合材料。增强铝基复合材料。Al + Ti + C TiC + Al 增强相是增强相是原位形成原位形成原位形成原位形成，具有，具有热稳定性热稳定性； 增强相的增强相的类型、形态类型、形态可以可以选择和设计选择和设计选择和设计选择和设计； 各种各种金属或金属间化合物金属或金属间化合物金属或金属间化合物金属或金属间化合物均可作为基体；均可作为基体；XDTM工艺特点工艺特点XDTM材料包括材料包括Al、Ti、Fe、Cu、Pb和和Ni基复合材料，还可以是基复合材料，还可以是TiAl、Ti3Al和和NiAl等等金

45、属化合物基金属化合物基复合材料。复合材料。其中，其中，增强相增强相包括包括硼化物硼化物、氮化物氮化物和和碳碳化物化物等，其等，其形态形态可以是可以是颗粒颗粒、片晶片晶和和杆状杆状，还可以还可以原位生成晶须原位生成晶须。小结：小结：了解复合材料的定义、分类、制备方法了解复合材料的定义、分类、制备方法 (1) (1) 固态固态固态固态法；法；法；法；(2) (2) 液态液态液态液态法；法；法；法；(3) (3) 喷射与喷涂沉积喷射与喷涂沉积喷射与喷涂沉积喷射与喷涂沉积法；法；法；法；(4) (4) 原位复合原位复合原位复合原位复合法。法。法。法。制备的方法：制备的方法：没有作业！没有作业！温馨提示：本PPT课件下载后，即可以编辑修改，也可以直接使用。（希望本PPT课件对您有所帮助）