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1、姓名姓名：学号学号：班级：班级：金属基复合材料金属基复合材料目目 录金金属属基基复复合材料合材料概概述述金金属属基基复复合材料的合材料的种种类及性能及性能铝基基复复合材料合材料镁基基复复合材料合材料钛基基复复合材料合材料金金属属基基复复合材料成型工合材料成型工艺简介介3 金属基复合材料金属基复合材料是指以金属及其合金为基体，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，均保持各自分材料，组分材料一般不发生作用，均保持
2、各自的特性独立存在。的特性独立存在。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，还要求其其重量要轻重量要轻，尤其是在航空航天领域。，尤其是在航空航天领域。一、金属基复合材料概述一、金属基复合材料概述4金属基复合材料金属基复合材料(MetalMatrixComposite,MMC)，这一术语包括很广的成分与结构，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（包括金属间共同点是有连续的金属基体（包括金属间化合物基体）。化合物基体）。目的：目的：把基体的优越的塑性和成形性与增强体的承受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。
3、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把基体的高热传导性与增强体的低热膨胀系数结合起来。结合起来。5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传统的金属材料料来说，具有来说，具有较高的较高的比强度比强度与与比刚度比刚度；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性导电性与与耐热性耐热性；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和和高冲击性能高冲击性能。按增强体类型分按增强体类型分颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料层状增强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纤维（长
4、短及晶须）增强金属基复合材料 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。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，归纳为以金属基复合材料品种繁多，有各种分类方式，归纳为以下下3 3种：种：二、二、金属基复合材料的分类及性能金属基复合材料的分类及性能（1）、颗粒增强金属基复合材料 颗颗粒粒增增强强复复合合材材料料是是指指增增强强相相为为弥弥散散分分布布的的颗颗粒体，颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于粒体，颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1 1微米微米。 在在这这种种复复合合材材料料中中，增增强强相相
5、是是主主要要的的承承载载相相，而而基基体体的的作作用用则则在在于于传传递递载载荷荷。颗颗粒粒增增强强复复合合材材料料的的强强度度通通常常取取决决于于增增强强颗颗粒粒的的直直径径和和体体积积分分数数，同同时时还还与与基基体体性性质质，颗颗粒粒与与基基体体的的界界面面及及颗颗粒粒排排列的形状密切相关。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。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，因由于薄片增
6、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，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。料相比具有明显的优越性。(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，它们均属于一维一维一维一维增强
7、体增强体增强体增强体。因此，由纤维增强的复合材料均表现出。因此，由纤维增强的复合材料均表现出明显的明显的各向异性各向异性各向异性各向异性特征。特征。 短纤维和晶须在基体中为随机分布，因而性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。能在宏观上表现为各向同性。纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料金金金金属属属属的的的的熔熔熔熔点点点点高高高高，故故故故高高高高强强强强度度度度纤纤纤纤维维维维增增增增强强强强后后后后的的的的金金金金属属属属基基基基复复复复合合合合材料（材料（材料（材料（MMCMMC）可以使用在较高温的工作环境
8、之下。）可以使用在较高温的工作环境之下。）可以使用在较高温的工作环境之下。）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。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。l l作为增强体的连续纤作为增强体的连续纤作为增强体的连续纤作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、SiCSiC和和和和C C纤维；纤维；纤维；纤维；AlAl2 2OO3 3纤维通常以短纤维的纤维通常以短纤维的纤维通常以短纤维的纤维通常以短纤维的形式用于形式用于形式用于形式用于MM
9、CMMC中。中。中。中。金属基复合材料纤维选择要点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）高强度、高模量。（明显高于金属基体） 耐热性高耐热性高 （如：（如：KFKF不宜选用）不宜选用） 价格低价格低 （比较突出的制约因素）（比较突出的制约因素） 相容性好相容性好 （膨胀系数相近，高温惰（膨胀系数相近，高温惰性）性）12按基体材料分类：按基体材料分类：铝基复合材料铝基复合材料铝基复合材料铝基复合材料镁基复合材料镁基复合材料镁基复合材料镁基复合材料钛基复合材料钛基复合材料钛基复合材料钛基复合材料金属间化合物基复合材料金属间化合物基复合材料金属间化合物基复合材料金属间化合物
10、基复合材料目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。工业中应用。按用途分按用途分（1）、结构复合材料）、结构复合材料（2）、功能复合材料）、功能复合材料（3）、智能复合材料）、智能复合材料结结构构复复合合材材料料：高高比比强强度度、高高比比模模量量、尺尺才才稳稳定定性性、耐耐热热性性等等是是其其主主要要性性能能特特点点。用用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。功功能能复复合合材材料料：高高导导热热、导导电电
11、性性、低低膨膨胀胀、高高阻阻尼尼、高高耐耐磨磨性性等等物物理理性性能能的的优优化化组组合合是是其其主主要要特特性性。化化学学性性能能包包括括抗抗氧氧化化性性和和耐耐腐腐蚀蚀性性等等，用用于于电电子子、仪仪器器、汽汽车车等等工工业业。智能复合材料智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。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。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MMCMMC的的性性能能取取决决于于所所选选组组分分的的特特性性、含含量量、分分布布等等。通通过过优优化化组组合合可可以以具具有有金金属属特特性性，又
12、又有有较较好好综综合合性性能能的的MMCMMC。归纳起来。归纳起来MMCMMC有以下性能特点：有以下性能特点：高比强度、高比模量高比强度、高比模量导热、导电性能导热、导电性能热膨胀系数小、尺寸稳定性好热膨胀系数小、尺寸稳定性好良好的高温性能良好的高温性能耐磨性好耐磨性好良好的断裂韧性和抗疲劳性能良好的断裂韧性和抗疲劳性能不吸潮、不老化、气密性好不吸潮、不老化、气密性好金属基复合材料的性能特点金属基复合材料的性能特点（1 1）、高比强度、比模量）、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，显著提高了复密度的纤
13、维，晶须及颗粒等增强体，显著提高了复合材料的合材料的比强度，比刚度和比模量比强度，比刚度和比模量。 在金属中加入高性能，低密度的增强体，可使在金属中加入高性能，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，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，航天领域中的理度轻，强度高，刚性好，是航空，航天领域中的理想材料。想材料。 （2 2）、导热导电性能）、导热导电性能 虽然有的增强体为绝缘体，但在复合材料中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
14、及导热性并未被完全阻断，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金属基复合材料仍具有良好的导电与导热性导电与导热性。 为了解决高集成度电子器件的散热问题，现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、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，提高了集成电路装件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路的可靠性。的可靠性。（3 3）、热膨胀系
15、数小、尺寸稳定性好）、热膨胀系数小、尺寸稳定性好 金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、晶须、金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、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的模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的具有负的热膨胀系数热膨胀系数。加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材。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，以满足各过调整增强物的含量获得不同的热
16、膨胀系数，以满足各种应用的要求。种应用的要求。 例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量达到量达到4848时，复合材料的热膨胀系数为零，在温度变时，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。化时使用这种复合材料做成的零件不发生变形。（4 4）、良好的高温性能）、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模量，
17、因此金属基复合材料比基体金属具有更高的高温性能。性能。 如石墨纤维增强铝基复合材料在如石墨纤维增强铝基复合材料在500500高温下，仍具高温下，仍具有有600MPa600MPa的高温强度，而铝基体在的高温强度，而铝基体在300300强度已下降到强度已下降到100MPa100MPa以下。又如钨纤维增强耐热合金，在以下。又如钨纤维增强耐热合金，在11001100，100h100h高温持久强度为高温持久强度为207MPa207MPa，而基体合金的高温持久强，而基体合金的高温持久强度只有度只有48MPa48MPa。 因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部
18、件上，可大幅度提高发动机的性能和效率。上，可大幅度提高发动机的性能和效率。（5 5）、良好的耐磨性）、良好的耐磨性 金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、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。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基体金属高出2 2倍以上；与铸铁比较，倍以上；与铸铁比较，SiCpSiCpAlAl复复合材料的耐磨性比铸铁还好。可用于汽车发动机、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刹车盘、活塞等重要零件
19、，能明显提高零件的性能和使用寿命。能和使用寿命。（6 6）、良好的断裂韧性和抗疲劳性能）、良好的断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，特别是物本身的特性，特别是界面状态界面状态，适中的界面，适中的界面结合强度既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹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，提高材料的断裂韧的形成与扩展和位错运动，提高材料的断裂韧性性。 （
20、7 7）、不吸潮、不老化、气密性好）、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，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，有明显的优越分子物质污染仪器和环境，有明显的优越性。性。铝木复合板铝木复合板铜包钢导线铜包钢导线镍镍/ /不锈钢不锈钢钛钛/ /铜复合铜复合陶瓷陶瓷/ /钢复合管钢复合管铝蜂窝复合板铝蜂窝复合板金属基复合材料实例航空航天工业中需要大
21、型的、重量轻的结构材航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料，例如波音料，例如波音747大型运输机、远距离通信天线、大型运输机、远距离通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问题之一就涉及到平方题之一就涉及到平方立方尺寸关系，即结构的立方尺寸关系，即结构的强强强强度与刚度度与刚度度与刚度度与刚度随其尺寸的随其尺寸的平方平方平方平方增加而增加而重量重量重量重量却随其线尺却随其线尺寸的寸的立方立方立方立方增加。所以，假若要保证大型结构的机动增加。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。性和高效率，就需要更完
22、善的设计和更好的材料。三 、铝基复合材料铝基复合材料铝基复合材料是在金属基复合材料中是在金属基复合材料中应用得最广应用得最广应用得最广应用得最广的一种。由于的一种。由于铝的基体铝的基体铝的基体铝的基体为为面心立方面心立方面心立方面心立方结构，因此具有良好的结构，因此具有良好的塑塑塑塑性和韧性性和韧性性和韧性性和韧性，再加之它所具有的，再加之它所具有的易加工性易加工性易加工性易加工性、工程可靠性工程可靠性工程可靠性工程可靠性及及价格价格价格价格低廉低廉低廉低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。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
23、纯铝而是时，通常并不是使用纯铝而是用各用各用各用各种铝合金种铝合金种铝合金种铝合金。铝基复合材料大型运载工具的首选材料。如波音大型运载工具的首选材料。如波音747747、757757、767767常用：常用：B/AlB/Al、C/AlC/Al、SiC/AlSiC/AlSiCSiC纤维密度较纤维密度较B B高高3030，强度较低，但相容性好。，强度较低，但相容性好。C C纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。基基体体材材料料可可选选变变形形铝铝、铸铸造造铝铝、焊焊接接铝铝及及烧烧结结铝铝。它它们们塑性好制备铝薄容易。塑性好制备铝薄容易。 基体
24、与增强体基体与增强体铝基复合材料的增强体主要有铝基复合材料的增强体主要有3种：长纤维，晶种：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。类较多，主要有两大类：变形合金和铸造合金。 (1)(1)、长纤维增强铝基复合材料、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维织物和三维织物存在。长纤维增强铝基复合材料主要有：要有：B Bf fAlAl、C Cf fAlAl、SiCSiCf fAlAl
25、、AlAl2 20 03f3fAlAl和不锈和不锈钢丝钢丝AlAl等。等。 B Bf fAlAl复合材料复合材料 硼纤维是在钨或碳丝化学气相沉积而形成的单丝，硼纤维是在钨或碳丝化学气相沉积而形成的单丝，直径较粗直径较粗(100(100140m)140m)，因而在工艺上较易制造。，因而在工艺上较易制造。 纤维含量越高，其拉伸强度的变化。纤维含量越高，其拉伸强度的变化。 硼硼- -铝复合材料的耐高温性突出。铝复合材料的耐高温性突出。 硼硼- -铝复合材料中由于纤维的纵向热膨胀系数与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基体的热膨胀系数差别较大，因此在界
26、面会产生较高的残余应力。的残余应力。B Bf fAlAl复合复合材料的制造材料的制造复合材料的制造包括将复合材料的组分复合材料的制造包括将复合材料的组分组装组装并并压合压合成适于制造复合材料零件的形状。成适于制造复合材料零件的形状。常用的工艺有两种常用的工艺有两种: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。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。然后再锻成零件
27、的形状。 C Cf fAlAl复合材料复合材料 碳纤维密度小，具有优异的力学性能，是目前碳纤维密度小，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，它们与很多种金属基体复合，制最便宜的一种，它们与很多种金属基体复合，制成了高性能的金属基复合材料。成了高性能的金属基复合材料。 但是由于碳但是由于碳( (石墨石墨) )纤维与液态铝的浸润性差，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。人们采取了多种纤影响复合材料性能的化合物。人们采
28、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。表面镀铬、铜等。 碳纤维对复合材料的力学性能影响很大。碳纤维对复合材料的力学性能影响很大。 表表5-105-10是液态金属浸渍法制备的碳纤维增强铝合金的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。表中前拉伸强度。最后一项是碳与铝反应产物的数量。表中前4 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应产物AlAl4 4C C3 3的量较少，拉伸强度较高。最后一种纤维是未的量较少，拉伸强度
29、较高。最后一种纤维是未经高温石墨化处理的碳纤维，它与铝的反应产物经高温石墨化处理的碳纤维，它与铝的反应产物AlAl4 4C C3 3的量的量很高，其拉伸强度大大下降。因此，未经高温石墨化处理很高，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作铝基体的增强物，除非经过表面处理。的碳纤维是不适宜作铝基体的增强物，除非经过表面处理。 （2 2）短纤维增强铝基复合材料）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、
30、轧等，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。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。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，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。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
31、密切相关。纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。纤纤纤纤维维维维无无无无规规规规排排排排列列列列时时时时，能能能能获获获获得得得得基基基基本本本本各各各各向向向向同同同同性性性性的的的的复复复复合合合合材材材材料料料料。均均均均一一一一方方方方向向向向的的的的纤纤纤纤维维维维使使使使材材材材料料料料具具具具有有有有明明明明显显显显的的的的各各各各向向向向异异异异性性性性。纤纤纤纤维维维维采采采采用用用用正正正正交交交交编编编编织织织织，相相相相互互互互垂垂垂垂直直直直的的的的方方方方向向向
32、向均均均均具具具具有有有有好好好好的的的的性性性性能能能能。纤纤纤纤维维维维采用三维编织，采用三维编织，采用三维编织，采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。可获得各方向力学性能均优的材料。可获得各方向力学性能均优的材料。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纤维在基体中的不同分布方式纤维在基体中的不同分布方式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层层层层状状状状复复复复合合合合材材材材料料料料是是是是指指指指在在在在基基基基体体体体中中中中含含含含有有有有多多多多重重重重层层层层片片片片状状状状高高高高强强强强高高高高模模模模量量量量增增增增强强强
33、强物物物物的复合材料。的复合材料。的复合材料。的复合材料。l l这种材料是各向这种材料是各向这种材料是各向这种材料是各向异性的异性的异性的异性的( ( ( (层内两层内两层内两层内两维同性维同性维同性维同性) ) ) )。如碳。如碳。如碳。如碳化硼片增强钛、化硼片增强钛、化硼片增强钛、化硼片增强钛、胶合板等。胶合板等。胶合板等。胶合板等。层状状陶瓷陶瓷复复合材料合材料断断口形貌口形貌三明治三明治复复合合双金属、表面涂层等也是层状复合材料。双金属、表面涂层等也是层状复合材料。双金属、表面涂层等也是层状复合材料。双金属、表面涂层等也是层状复合材料。结结结结构构构构层层层层状状状状材材材材料料料料根
34、根根根据据据据材材材材质质质质不不不不同同同同，分分分分别别别别用用用用于于于于飞飞飞飞机机机机制制制制造造造造、运输及包装等。运输及包装等。运输及包装等。运输及包装等。 有有TiNTiN涂层的涂层的高尔夫球头高尔夫球头层状状复复合合铝合合金金蜂蜂窝夹层板板3 3、颗粒、颗粒( (晶须晶须) )增强铝基复合材料增强铝基复合材料 主要使用的有主要使用的有SiCSiC、AlAl2 2O O3 3颗粒颗粒( (晶须晶须) )增强铝基增强铝基复合材料。复合材料。 SiC SiC颗粒颗粒( (晶须晶须) )增强铝基复合材料具有良好的增强铝基复合材料具有良好的力学性能和耐磨性能。随着力学性能和耐磨性能。随
35、着SiCSiC含量的增加，其热含量的增加，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。由于且其刚度比基体提高很多。由于SiCSiC的硬度很高，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。应大大提高。 复合材料的拉伸强度和弹性模量比基体高，复合材料的拉伸强度和弹性模量比基体高，且随着且随着SiCSiC晶须含量的增加，其拉伸强度和弹性晶须含量的增加，其拉伸强度和弹性模量均有
36、较大升高。模量均有较大升高。 在铝合金中加入脆性的在铝合金中加入脆性的SiCSiC颗粒或晶须，其断裂韧性颗粒或晶须，其断裂韧性下降很多。下降很多。颗粒：颗粒：particle晶须：晶须：whisker纤维：纤维：fiber在铝合金中加入脆性的在铝合金中加入脆性的SiCSiC颗粒，其耐磨性增加很多颗粒，其耐磨性增加很多。 硼硼- -铝复合材料可用作中子屏蔽材料，还可用来制造铝复合材料可用作中子屏蔽材料，还可用来制造废核燃料的运输容器和储存容器、可移动防护罩、控废核燃料的运输容器和储存容器、可移动防护罩、控制杆、喷气发动机风扇叶片、飞机机翼蒙皮、飞机起制杆、喷气发动机风扇叶片、飞机机翼蒙皮、飞机起
37、落架部件、自行车架、高尔夫球杆等。落架部件、自行车架、高尔夫球杆等。 碳纤维增强铝基复合材料用在飞机上，如它使用在碳纤维增强铝基复合材料用在飞机上，如它使用在F-15F-15战斗机上，使其质量减轻战斗机上，使其质量减轻20203030。用碳纤维。用碳纤维增强铝合金管材还可制作网球拍架。增强铝合金管材还可制作网球拍架。 氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是用氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是用来制造柴油发动机的活塞。来制造柴油发动机的活塞。铝基复合材料的应用铝基复合材料的应用铝基复合材料的二次加工铝基复合材料的二次加工二次加工是指对基本的复合材料型二次加工是指对基本的复合材料型件如平板
38、、梁和管等所进行的加工、包件如平板、梁和管等所进行的加工、包括括成型成型、连接机械加工连接机械加工和和热处理热处理等工艺等工艺过程。过程。1成成型型硼硼铝复合材料的成型涉及到它的组分铝复合材料的成型涉及到它的组分强而强而近于脆性的纤维和软而延性的铝。近于脆性的纤维和软而延性的铝。纤维在室温拉伸实验时具有完全纤维在室温拉伸实验时具有完全弹性的弹性的弹性的弹性的应力应力应变应变特性，在高温下具有很高的抗蠕变能力，不会有什么特性，在高温下具有很高的抗蠕变能力，不会有什么塑性延伸。塑性延伸。由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴向断裂延伸率小于向断裂延伸率
39、小于1，致使零件的加工制造在很多，致使零件的加工制造在很多情况下是在复合材料热压过程中用易于弯曲的预制板情况下是在复合材料热压过程中用易于弯曲的预制板加工成最终形状的。加工成最终形状的。2连连接接硼铝复台材料与承载结构的硼铝复台材料与承载结构的附件附件附件附件的连接是复的连接是复合材料应用中最重要的工程领域之一。合材料应用中最重要的工程领域之一。硼硼铝复合材料的连接技术是基于铝的连接铝复合材料的连接技术是基于铝的连接而并不考虑硼同硼连接。其目的是想要得到高剪而并不考虑硼同硼连接。其目的是想要得到高剪切强度的基体连接而不使复合材料的机械性能降切强度的基体连接而不使复合材料的机械性能降低。低。连结
40、工艺包括固态扩散结合。连结工艺包括固态扩散结合。焊接焊接焊接焊接：标准的焊接工艺是把焊箔放入需要连接的零：标准的焊接工艺是把焊箔放入需要连接的零件之间并在接触压力下进行炉中焊。件之间并在接触压力下进行炉中焊。机械固定机械固定机械固定机械固定和和胶接胶接胶接胶接也是复合材料的有效连接力法。也是复合材料的有效连接力法。MMCMMC虽虽虽虽强强强强度度度度和和和和弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量（刚刚刚刚度度度度）增增增增加加加加，但但但但塑塑塑塑性性性性和和和和韧韧韧韧性性性性因因因因使使使使用用用用陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷纤纤纤纤维维维维而而而而有有有有所所所所降降降降低低低低。这这这这在在在在一一一一
41、定定定定程程程程度度度度上上上上限限限限制了制了制了制了MMCMMC的应用范围。的应用范围。的应用范围。的应用范围。航天飞机内航天飞机内航天飞机内航天飞机内MMC(Al/MMC(Al/B B纤维纤维纤维纤维) )桁架桁架桁架桁架以以陶陶瓷瓷颗颗粒粒、纤纤维维或或晶晶须须作作为为增增强强体体，可可制制成成镁镁基基复复合合材材料料，集集超超轻轻、高高比比刚刚度度、高高比比强强度度于于一一身身，该该类类材材料料比比铝铝基基复复合合材材料料更更轻轻，具具有有更更高的比强度和比刚度将是航空航天优选材料。高的比强度和比刚度将是航空航天优选材料。四四 、镁基复合材料镁基复合材料镁基复合材料镁基复合材料特特点
42、点：镁、镁合合金金及及其其镁基基复复合合材材料料的的密密度度一一般般小小于于1.81.8，仅为铝或或铝基基复复合合材材料料的的66%66%左左右右，是是密密度度最最小小的的MMCMMC之之一一，而而且且具具有有更更高高的的比比强度、比强度、比刚度以及度以及优良的力良的力学学和物理性能。和物理性能。镁基基MMCMMC常常用用基基体体合合金金：纯镁强强度度较低低，不不适适合合用用作作MMCMMC，一一般般需需添添加加合合金金元元素素以以合合金金化化。主主要要合合金金元元素素有有AlAl、ZnZn、AgAg、MnMn、和和稀稀土土金金属属等。等。镁基MMC的增强体基基本本要要求求：与与基基体体有有良
43、良好好的的物物理理、化化学学相相容容性性，尽尽量避免增强体与基体之间的界面反应，浸润性好。量避免增强体与基体之间的界面反应，浸润性好。常用的增强体：常用的增强体：C C纤维、纤维、SiCSiC晶须和颗粒、晶须和颗粒、B B4 4C C颗粒等。颗粒等。C C与与纯纯镁镁不不反反应应，但但与与镁镁合合金金中中的的AlAl、LiLi等等反反应应，可可生生成成碳碳化化铝铝、碳碳化化锂锂等等化化合合物物，严严重重损损伤伤C C纤纤维维，需在需在C C纤维表面进行涂层保护。纤维表面进行涂层保护。研研究究表表明明：SiCSiC、B B4 4C C纤纤维维、晶晶须须、颗颗粒粒是是镁镁基基MMCMMC的的合适增
44、强体。合适增强体。镁基MMC的性能颗粒粒增强镁基MMC的抗拉强度与基体差不多，但耐磨性和耐温性提高。晶晶须增强镁基MMC的抗拉强度和模量都有所提高。纤维增强镁基MMC的抗拉强度和弯曲强度提高很多。镁基MMC的制备表5-9 几种主要镁合金基MMC制备方法制备工艺制备工艺增强体类型增强体类型优点优点缺点缺点挤压铸造挤压铸造短纤维、晶须、颗粒短纤维、晶须、颗粒工艺简单，成本低，易于工艺简单，成本低，易于批量生产；铸造缺陷少；批量生产；铸造缺陷少；界面结合良好；界面结合良好；MMC的的性能力学性能较高性能力学性能较高难以直接制备形状难以直接制备形状复杂的零件复杂的零件粉末冶金粉末冶金颗粒颗粒增强体分布
45、均匀增强体分布均匀设备复杂；小批量设备复杂；小批量成本高；不安全成本高；不安全搅拌铸造搅拌铸造晶须、颗粒晶须、颗粒设备简单；生产效率高设备简单；生产效率高铸造气孔较多；颗铸造气孔较多；颗粒分布不均匀粒分布不均匀喷射沉积喷射沉积短纤维、晶须、颗粒短纤维、晶须、颗粒基体合金晶粒度小；近无基体合金晶粒度小；近无界面反应界面反应MMC的致密度不的致密度不高；强度不高高；强度不高镁基MMC的应用汽汽车制造制造：方向盘减震轴、活塞环、支架、变速箱外壳等；通通讯电子子：手机、便携式电脑等的外壳机机械械工工业：SiC晶须增强镁基MMC用于制造齿轮，SiC颗粒增强镁基MMC耐磨性好可用于制造油泵的壳体、止推板、
46、安全阀等。五、钛基复合材料（TMC）特性：特性：钛合合金金：密密度度4.34.35.15.1，模模量量8080130GPa130GPa，有有较高高的的比比强强度度和和比比刚度度，钛的的熔熔点点高高，强强度度能能保保持持到到高高温温（使用（使用温温度度800)800)，抗，抗氧氧化和抗化化和抗化学学腐腐蚀性能好。性能好。TMCTMC：比比钛合合金金更更高高的的比比强强度度、比比模模量量，极极佳佳的的耐耐疲疲劳、抗抗蠕蠕变性性能能，优异异的的高高温温性性能能和和耐耐腐腐蚀性性能能，并并克服了克服了钛合金耐磨性和合金耐磨性和弹性模量低等缺点。性模量低等缺点。类型型：颗粒增强、粒增强、连续纤维增强增强
47、钛基基MMCMMC。相相容容性性问题：几几乎乎所所有有增增强强体体与与活活性性TiTi基基体体发生生界界面面反反应形形成成一一种种或或多多种种化化合合物物。因因为所所有有TMCTMC在在制制造造和和热加加工工过程程中中，都都要要经历80080012001200的的高高温温暴暴露露，不可避免地不可避免地发生界面反生界面反应。界面反界面反应退化退化问题：采用采用对增强增强纤维涂涂层处理。理。颗粒增强TMC特特点点：加加工工制制造造工工艺比比较经济、简便便。常常用用工工艺精精密密铸造造、粉粉末末冶冶金、金、锻造、造、挤压、轧制等都可以用于加工制等都可以用于加工TMCTMC。性性能能：钛和和钛合合金金
48、中中加加入入颗粒粒增增强强剂后后，TMCTMC的的硬硬度度、耐耐磨磨性性能能、刚度度、耐耐高高温温性性能能得得到到明明显改改善善，而而塑塑性性、断断裂裂韧性性和和耐耐疲疲劳强强度度有有所所下降，室下降，室温温拉伸强度拉伸强度与与基体相近或低于基体。基体相近或低于基体。 连续纤维增强TMC特特点点：具有较高的工作温度6001000），高抗腐蚀性和抗损伤性。但比重较高（工业纯钛密度4.51），制造困难和成本高。力力学学性能性能：纵向强度和弹性模量提高很大，但横向性能较低。连续纤维增强TMC的力学性能材料拉伸强度/MPa弹性模量/MPa断裂延伸率/%SiC/Ti-6Al-4V（35%）制造态 905
49、，7h热处理16901434186.2190.30.960.86B/Ti（25%）1000400160 130工业纯钛345685 100 钛基复合材料 钛钛及及其其合合金金是是比比强强度度、比比刚刚度度最最好好的的基基材材，耐耐蚀蚀性和耐高温性也很好，易做耐热件。（低于相变温度）性和耐高温性也很好，易做耐热件。（低于相变温度） 但但钛钛薄薄难难制制，化化学学活活性性高高，与与C C纤纤维维和和B B纤纤维维反反应应生成生成TiCTiC和和TiBTiB2 2白亮层白亮层 。解决办法：。解决办法： 高速工艺高速工艺 - - 缩短高温停留时间缩短高温停留时间 低温工艺低温工艺 - 850- 850
50、热压热压1515分钟分钟 表面包覆表面包覆 - - 涂涂SiCSiC 合金化合金化 - - 提高基体稳定性提高基体稳定性TMC的应用利用利用TMCTMC的耐高温性能，制造耐高温构件。的耐高温性能，制造耐高温构件。美美国国SiCSiC纤纤维维增增强强TMCTMC用用于于航航天天飞飞机机的的机机翼翼、机机身身的的蒙蒙皮皮、支支撑撑梁梁及及加强筋；导弹尾翼、汽车发动机气门阀、连杆等。加强筋；导弹尾翼、汽车发动机气门阀、连杆等。六六、金属基复合材料的制备工艺金属基复合材料的制备工艺 金金金金属属属属基基基基复复复复合合合合材材材材料料料料的的的的制制制制备备备备工工工工艺艺艺艺种种种种类类类类繁繁繁繁
51、多多多多，主主主主要要要要根根根根据据据据基基基基体体体体与与与与增强体的性质决定，基体的选择一般有增强体的性质决定，基体的选择一般有增强体的性质决定，基体的选择一般有增强体的性质决定，基体的选择一般有3 3条原则：条原则：条原则：条原则：1）复合材料的使用要求）复合材料的使用要求这是选择基体材料的主要依据。这是选择基体材料的主要依据。2）复合材料的组成特点）复合材料的组成特点不同的增强体对基体的选择影响较大。不同的增强体对基体的选择影响较大。3）复合材料的界面相容性）复合材料的界面相容性复复合合材材料料的的界界面面相相容容性性包包括括增增强强体体与与基基体体间间的的物物理理相相容容性和化学相
52、容性。性和化学相容性。 金金属属基基复复合材料制造方法及合材料制造方法及关关键技技术 金金属属基基复复合材料的制合材料的制备方法根据增强体方法根据增强体产生的方式不同可以分生的方式不同可以分为内内生型法生型法和和外生型法外生型法两两种种。 内内生型法是指增强体通生型法是指增强体通过组分材料分材料间放放热反反应在基体中在基体中产生，增强体的表面无生，增强体的表面无污染，染，与与基体的界面干基体的界面干净，结合强度高，化合强度高，化学学稳定性好，定性好，且反且反应放放热还可以使可以使挥发性性杂志离志离开开基体，起基体，起到到净化基体的作用。又化基体的作用。又称称原位反原位反应法，包括自法，包括自蔓
53、延燃蔓延燃烧反反应法，放法，放热弥散法，接弥散法，接触触反反应法等。法等。 1.SHS自蔓延燃烧反应法自蔓延燃烧反应法基基本本原原理理是是将将增增强强相相的的组组分分原原料料A与与与与金金属属粉粉末末B充充分分混混合合，挤挤压压成成型型，在在真真空空或或惰惰性性气气氛氛中中预预热热或或室室温温下下点点火火引引燃燃，使使A与与B之之间间发发生生放放热热化化学学反反应应，放放出出的的热热量量引引起起未未反反应应的的邻邻近近部部分分相相继继反反应应，直直至至反反应应全全部部完完成成。反反应应生生成成的的增增强强相相弥弥散散分分布布于于基基体体中中。 A+B AB Reaction ZoneSHS自蔓
54、延燃自蔓延燃烧示意示意图 2.XD放热弥散法放热弥散法 XDXD法是美国在法是美国在SHSSHS法的基础上改进而来的，其基法的基础上改进而来的，其基本原理是将增强相组分物料与金属基粉末按一定的本原理是将增强相组分物料与金属基粉末按一定的比例均匀混合，冷压或热压成型，置于真空炉中。比例均匀混合，冷压或热压成型，置于真空炉中。 以一定的加热速度预热试样至一定温度时以一定的加热速度预热试样至一定温度时（通常高于基体的温度，而低于增强相的熔点），（通常高于基体的温度，而低于增强相的熔点），增强各组分之间进行放热化学反应，生成增强相，增强各组分之间进行放热化学反应，生成增强相，并在基体中成弥散分布。并在
55、基体中成弥散分布。外生型法包括固态法和液态法外生型法包括固态法和液态法1.固态法固态法固固态态法法是是指指基基体体和和增增强强体体均均处处于于固固态态下下制制备备金金属属基基复复合合材材料料的的方方法法。即即将将金金属属粉粉末末或或金金属属箔箔与与增增强强体体（纤纤维维，晶晶须须及及颗颗粒粒等等）按按设设计计要要求求以以一一定定的的含含量量，分分布布和和方方向向或或排排布布混混合合在在一一起起，再再经经加加热热和和加加压压，使使金金属属基基体体与与增增强强体体均均处处于于固固态态，尽尽量量避避免免基基体体与与增增强强体体之之间间发发生生不不良良的的界界面面反反应应。固固态态法法包包括括粉粉末末
56、冶冶金金法法，热热压压扩扩散散结结合合法法，扎扎制制法，拉拔法及爆炸焊接法等。法，拉拔法及爆炸焊接法等。2.液态法液态法（1）挤压铸造法造法 挤压铸造成型是将液态或半液态的颗粒增强金属基挤压铸造成型是将液态或半液态的颗粒增强金属基复合材料在压力作用下充满铸型并凝固的方法。复合材料在压力作用下充满铸型并凝固的方法。 该法的作用在很大程度上受零件尺寸和设备条件的该法的作用在很大程度上受零件尺寸和设备条件的限制，主要用于制造形状简单而性能要求质量高的复合限制，主要用于制造形状简单而性能要求质量高的复合铸件。件。（2)真真空空压力浸力浸渍 真空压力浸渍成型是在真空和惰性气体的共同作用真空压力浸渍成型是
57、在真空和惰性气体的共同作用下，使熔体金属渗入预制件中制成金属基复合材料的方下，使熔体金属渗入预制件中制成金属基复合材料的方法。法。 该法适用性强，可制备纤维，颗粒及晶须或混杂增该法适用性强，可制备纤维，颗粒及晶须或混杂增强的金属基复合材料，增强材料的的形状，尺寸等不受强的金属基复合材料，增强材料的的形状，尺寸等不受限制，可以制造形状复杂，尺寸精确的复合材料限制，可以制造形状复杂，尺寸精确的复合材料。本章小结本章小结 金属材料概论金属材料概论金属材料概论金属材料概论金属基复合材料的种类和基本性能金属基复合材料的种类和基本性能金属基复合材料的种类和基本性能金属基复合材料的种类和基本性能金属基复合材料的制备工艺金属基复合材料的制备工艺金属基复合材料的制备工艺金属基复合材料的制备工艺铝基、钛基、镁基等复合材料铝基、钛基、镁基等复合材料铝基、钛基、镁基等复合材料铝基、钛基、镁基等复合材料谢谢聆听
