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1、第五章第五章 金属基复合材料金属基复合材料MMC科学是一门较新的材料科学。它的发展与航空航天、电子、汽车及先进武器系统的迅速发展对材料提出日益增高的性能要求密切相关。航天装置越来越大，结构的效率变得更为重要。这就要求采用高比强度、高比模量的轻质材料。与传统金属材料相比，MMC具有高比强度、比刚度；与RMC相比，具有优良的导电性与导热性；与陶瓷材料性比，又有较高的韧性和较高的抗冲击性能。5.1 MMC的种类和基本性能的种类和基本性能5.1.1 MMC分类分类1）按基体分类 铝基、镍基、钛基、镁基2）按增强材料分类 颗粒增强、层状MMC、 纤维增强MMC。3）按用途分类 结构MMC、功能MMC。
2、5.1.2 MMC的性能特征的性能特征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：l l高比强度、高比模量l l导热、导电性能l l热膨胀系数小、尺寸稳定性好l l良好的高温性能l l耐磨性好l l良好的断裂韧性和抗疲劳性能l l不吸潮、不老化、气密性好 1）高比强度、高比模量）高比强度、高比模量l l高强度、高模量、低密度的增强纤维的加入，使MMC的比强度和比模量成倍地提高。l l例如：铝合金的比强度为1.4e6cm、比模量为2.8e8cm； 而石墨/铝合金的比强度为3.6e6cm、比模量达到10.5e
3、8cm。 2）导热、导电性能）导热、导电性能l l良好的导热性可有效传热，减少构件受热后产生的温度梯度和迅速散热，这对尺寸的稳定性要求较高的构件和高集成度电子器件尤为重要。l l良好的导电性可防止飞行器构件产生静电聚集的问题。l lMMC中金属基体含量一般60%（vf），所以仍保持金属所具有的良好导热和导电性。 3）热膨胀系数小、尺寸稳定性好）热膨胀系数小、尺寸稳定性好l lMMC所用增强物如碳纤维、SiC纤维、B纤维，均具有很小的热膨胀系数，又有很高的模量，特别是高模量、超高模量石墨纤维具有负的热膨胀系数。l l加入适当含量增强物，并合理设计纤维铺层可使的热膨胀系数明显下降，甚至可以实现的零
4、膨胀。 ）良好的高温性能）良好的高温性能l l金属基体的高温性能比聚合物高很多，加上增强材料主要为无机物，在高温下具有很高的强度和模量，因此比基体金属具有更高的高温性能。l l例如：石墨铝复合材料在高温下，仍具有的高温强度；而铝基体在 强度已下降到以下。 5）耐磨性好）耐磨性好l l高耐磨性材料在汽车、机械工业中具有重要应用前景。如汽车发动机、刹车盘、活塞等。中加入了硬度高、耐磨的陶瓷纤维、晶须、颗粒，具有良好的耐磨性。l l例如：颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比铝高出倍以上，甚至比铸铁的耐磨性还好。 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l l的断裂韧性和抗疲劳性能取决于纤
5、维等增强物与金属基体的界面状态、增强物的分布以及各组分本身的特性。适中的界面结合强度即可有效地传递荷载，又能阻止裂纹的扩展，提高断裂韧性。l l例如：复合材料的疲劳强度与拉伸强度比约为。 7）不吸潮、不老化、气密性好）不吸潮、不老化、气密性好l l与聚合物相比，金属性能稳定、组织致密，不会老化、分解、吸潮等，在太空中使用不会分解出低分子物质污染仪器和环境。5.2 MMC的制造工艺l lMMC种类繁多，多数制造过程是将复合与成型过程合为一体。l l根据基体、增强物的物理、化学、几何形状的不同，应选不同的制造工艺。l l分类：固态法、液态法、自生成法及其他制备方法。 5.2.1 固态法工艺流程将金
6、属粉末或金属箔与增强物（纤维、晶须、颗粒）按设计要求以一定的含量、分布、排布在一起；加热、加压扩散粘接：将金属与增强物复合在一起，形成MMC。特点：l l整个工艺过程处于较低的温度，金属和增强物都处于固态；界面反应不严重。类型：粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、拉拔法。 5.2.2 液态金属法液态金属法方法：金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合成材料的方法。工艺过程：液态金属浸渍 挤压铸造成型。特点：制备温度高，易发生严重的界面反应，有效控制界面反应是液态法的关键。工艺类型：挤压铸造法、真空吸铸、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法，搅拌复合法。 5.2.3 自生成法及其他制备法自生成法及其
7、他制备法自生成法：在金属内部通过加入反应物质或通入反应气体在液态金属内部反应，产生微小的固态相，如TiC、TiB2 2、Al2 2O3 3等微粒起增强作用。通过控制工艺参数获得所需的增强物含量和分布。复合涂镀法：将增强物悬浮于镀液中，通过电镀或化学镀将金属与颗粒同时沉积在基板或零件表面，形成复合材料层。等离子、热喷镀法：将金属与增强物同时喷镀到底板上形成复合材料。 表表5-1 5-1 MMCMMC主要制作方法及适用范围主要制作方法及适用范围5.3 铝基复合材料铝基复合材料 航空航天工业中需要大型的、质量轻的结构材料，尤其是需要比强度、比模量高的材料。铝基MMC具备了比强度、比模量高的特性，已被
8、广泛地应用于航空航天制品中。铝基MMC主要有：l l 颗粒（晶须）增强铝基复合材料l l 纤维增强铝基复合材料 5.3.1 颗粒（晶须）增强铝基颗粒（晶须）增强铝基MMC 颗粒（晶须）增强铝基MMC的性能好，且可用常规方法加工。增强颗粒价格低廉，某些晶须（如SiC)由于找到了便宜的原料和较为简单的生产方法，成本大幅下降。因此，具有广泛的应用前景。目前主要使用的有SiC、Al2 2O3 3颗粒（晶须）增强铝基MMC。表表5-2 5-2 SICSIC颗粒和晶须增强铝基复合材料的性能颗粒和晶须增强铝基复合材料的性能基体基体基体基体增强物增强物增强物增强物颗粒含量颗粒含量颗粒含量颗粒含量/%/%弹性模
9、量弹性模量弹性模量弹性模量/ /GPaGPa屈服强度屈服强度屈服强度屈服强度/ /MPaMPa拉伸强度拉伸强度拉伸强度拉伸强度/ /MPaMPa断裂伸长断裂伸长断裂伸长断裂伸长/%/%PM5456PM5456- -SiCwSiCwSiCwSiCwSiCpSiCpSiCpSiCp0 08 820208 8202071718888119119818110610625925927527538038025325332432443343350350363563545945955255223237 72 215157 7PM2124PM2124- -SiCwSiCwSiCwSiCwSiCpSiCpSiCp
10、SiCp0 08 820208 82020737397971301309191110110- - - -368368435435587587669669890890- - -18189 93 3- - - 5.3.2 纤维增强铝基纤维增强铝基MMCl l按纤维长短分为长纤维增强、短纤维增强铝基MMC。一、长纤维增强铝基MMCl l长纤维对铝的增强方式：单向纤维增强、二维织物增强和三维织物增强。l l主要增强材料：BF、CF、SiCf f、Al2 2O3f3f、不锈钢丝等。 表5-3 Bf f/Al复合材料的室温拉伸性能 二、 短纤维增强铝基MMCl l特点：与长纤维相比，短纤维增强铝基复合材料
11、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型工艺方法如铸、锻、挤、轧等，而且材料性能是各向同性的。l l短纤维增强材料：氧化铝、硅酸铝、碳化硅等l l表5-4 氧化铝短纤维增强铝基MMC的性能 5.3.3 铝基铝基MMC的应用的应用一、纤维增强铝基一、纤维增强铝基一、纤维增强铝基一、纤维增强铝基MMCMMC：比强度、比模量高，尺寸稳定比强度、比模量高，尺寸稳定性，但价格昂贵。目前主要应用于航天飞机、人造卫星、性，但价格昂贵。目前主要应用于航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。空间站等的结构材料。l lBf/AlBf/Al：应用最早的铝基应用最早的铝基MMCMMC，美国和前苏
12、联的航天器美国和前苏联的航天器中用作机身框架及支柱和起落架拉杆等。中用作机身框架及支柱和起落架拉杆等。l lC C（石墨）石墨）/ /AlAl：尺寸稳定性好。用作卫星抛物线天线骨尺寸稳定性好。用作卫星抛物线天线骨架，如哈勃望远镜中用沥青基架，如哈勃望远镜中用沥青基C/AlC/Al作波导杆。作波导杆。l lSiCSiC/Al/Al：主要用作飞机、导弹、发动机的高性能结构件，主要用作飞机、导弹、发动机的高性能结构件，如飞机的如飞机的Z Z型加强板、喷漆战斗机垂直尾翼平衡器、导型加强板、喷漆战斗机垂直尾翼平衡器、导弹弹体等弹弹体等 。l lAlAl2 2OO3f3f/Al/Al：最成功的例子，制造柴
13、油发动机的活塞。最成功的例子，制造柴油发动机的活塞。 二、晶须和颗粒增强铝基二、晶须和颗粒增强铝基MMC的应用的应用l l类型类型：SiCSiC晶须和颗粒、氧化铝短纤维、硅酸铝短纤维晶须和颗粒、氧化铝短纤维、硅酸铝短纤维增强铝基增强铝基MMCMMC。l lSiCSiC晶须增强铝基晶须增强铝基MMCMMC：导弹平衡翼和制导元件，航天导弹平衡翼和制导元件，航天器的结构部件和发动机部件，战术坦克反射镜部件，轻器的结构部件和发动机部件，战术坦克反射镜部件，轻型坦克履带，汽车零件型坦克履带，汽车零件活塞、连杆、汽缸、气门顶杆、活塞、连杆、汽缸、气门顶杆、凸轮随动机等。凸轮随动机等。l lSiCSiC颗粒
14、增强铝基颗粒增强铝基MMCMMC：卫星的结构的支架、结构连接卫星的结构的支架、结构连接件、管材、型材，飞机起落架，汽车部件件、管材、型材，飞机起落架，汽车部件驱动轴、刹驱动轴、刹车盘、发动机缸套、衬套和活塞镶圈等。车盘、发动机缸套、衬套和活塞镶圈等。l l氧化铝短纤维、硅酸铝短纤维增强氧化铝短纤维、硅酸铝短纤维增强MMCMMC：主要用于制主要用于制造汽车发动机零件，如活塞镶圈、传动齿轮。造汽车发动机零件，如活塞镶圈、传动齿轮。5.4 钛基复合材料（钛基复合材料（TMC）特性：特性：l l钛合金：密度钛合金：密度4.34.35.15.1，模量，模量8080130130GPaGPa，有较高的有较高
15、的比强度和比刚度，钛的熔点高，比强度和比刚度，钛的熔点高，强度能保持到高温强度能保持到高温（使用温度（使用温度800800)，抗氧化和抗化学腐蚀性能好。，抗氧化和抗化学腐蚀性能好。l lTMCTMC：比钛合金更高的比强度、比模量，极佳的耐疲比钛合金更高的比强度、比模量，极佳的耐疲劳、抗蠕变性能，优异的高温性能和耐腐蚀性能，并劳、抗蠕变性能，优异的高温性能和耐腐蚀性能，并克服了钛合金耐磨性和弹性模量低等缺点。克服了钛合金耐磨性和弹性模量低等缺点。类型类型：颗粒增强、连续纤维增强钛基：颗粒增强、连续纤维增强钛基MMCMMC。相容性问题相容性问题：几乎所有增强体与活性：几乎所有增强体与活性TiTi基
16、体发生界面反基体发生界面反应形成一种或多种化合物。因为所有应形成一种或多种化合物。因为所有TMCTMC在制造和热在制造和热加工过程中，都要经历加工过程中，都要经历80080012001200的高温暴露，不的高温暴露，不可避免地发生界面反应。可避免地发生界面反应。界面反应退化问题界面反应退化问题：采用采用对增强纤维涂层处理。对增强纤维涂层处理。 5.4.1 颗粒增强颗粒增强TMC特点：加工制造工艺比较经济、简便。常用工艺精密铸造、粉末冶金、锻造、挤压、轧制等都可以用用于加工TMC。性能：钛和钛合金中加入颗粒增强剂后，TMC的硬度、耐磨性能、刚度、耐高温性能得到明显改善，而塑性、断裂韧性和耐疲劳强
17、度有所下降，室温拉伸强度与基体相近或低于基体。l l 表5-5 TiC和SiC颗粒增强TMC的力学性能 5.4.2 连续纤维增强连续纤维增强TMC特点：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。力学性能：纵向强度和弹性模量提高很大，但横向性能较低。l l表5-6 连续纤维增强TMC的力学性能 5.4.3 TMC的应用的应用利用TMC的耐高温性能，制造耐高温构件。美国SiC纤维增强TMC用于航天飞机的机翼、机身的蒙皮、支撑梁及加强筋；导弹尾翼、汽车发动机气门阀、连杆等。5.5 镁基复合材料镁基复合材料特点：镁、镁合金及其镁基复
18、合材料的密度一般小于1.8，仅为铝或铝基复合材料的66%左右，是密度最小的MMC之一，而且具有更高的比强度、比刚度以及优良的力学和物理性能。镁基MMC常用基体合金：纯镁强度较低，不适合用作MMC，一般需添加合金元素以合金化。主要合金元素有Al、Zn、Li、Ag、Zr、Mn、Ni和稀土金属等 5.5.1 镁基镁基MMC的增强体的增强体l l基本要求基本要求：与基体有良好的物理、化学相容性，尽：与基体有良好的物理、化学相容性，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。l l常用的增强体常用的增强体：C C纤维、纤维、TiTi纤维、纤维、B B纤维，纤
19、维，SiCSiC晶须晶须和颗粒、和颗粒、B B4 4C C颗粒等。颗粒等。l lAlAl2 2OO3 3与与MgMg反应生成反应生成MgOMgO会降低与基体之间的结合会降低与基体之间的结合强度，所以镁基强度，所以镁基MMCMMC中很少用中很少用AlAl2 2OO3 3短纤维、晶须、短纤维、晶须、颗粒。颗粒。l lC C与纯镁不反应，但与镁合金中的与纯镁不反应，但与镁合金中的AlAl、LiLi等反应，可等反应，可生成碳化铝、碳化锂等化合物，严重损伤生成碳化铝、碳化锂等化合物，严重损伤C C纤维，纤维，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。l l研究表明：研究表明：SiCSiC
20、、B B4 4C C纤维、晶须、颗粒是镁基纤维、晶须、颗粒是镁基MMCMMC的合适增强体。的合适增强体。 5.5.2 镁基镁基MMC的性能的性能颗粒增强镁基MMC的抗拉强度与基体差不多，但耐磨性和耐温性提高。晶须增强镁基MMC的抗拉强度和模量都有所提高。l l表5-7 SiC（晶须、颗粒）增强镁基MMC的力学性能纤维增强镁基MMC的抗拉强度和弯曲强度提高很多。l l表5-8 连续B纤维增强镁基MMC的力学性能 5.5.3 镁基镁基MMC的制备的制备l l表表5-9 5-9 几种主要镁合金基几种主要镁合金基MMCMMC制备方法制备方法制备工艺制备工艺制备工艺制备工艺增强体类型增强体类型增强体类型
21、增强体类型优点优点优点优点缺点缺点缺点缺点挤压铸造挤压铸造挤压铸造挤压铸造短纤维、晶须、颗粒短纤维、晶须、颗粒短纤维、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；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；界面结合良好；界面结合良好；MMCMMC的的的的性能力学性能较高性能力学性能较高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；复杂的零件；复杂的零件；VfVf有有有有一定限制一
22、定限制一定限制一定限制粉末冶金粉末冶金粉末冶金粉末冶金颗粒颗粒颗粒颗粒增强体分布均匀；增强体分布均匀；增强体分布均匀；增强体分布均匀；VfVf可任可任可任可任意调整意调整意调整意调整设备复杂；小批量设备复杂；小批量设备复杂；小批量设备复杂；小批量成本高；不安全成本高；不安全成本高；不安全成本高；不安全搅拌铸造搅拌铸造搅拌铸造搅拌铸造晶须、颗粒晶须、颗粒晶须、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粒分布不均匀粒分布不均匀喷射沉积喷射沉积喷射沉积喷射沉积短
23、纤维、晶须、颗粒短纤维、晶须、颗粒短纤维、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界面反应界面反应MMCMMC的致密度不的致密度不的致密度不的致密度不高；强度不高高；强度不高高；强度不高高；强度不高 5.5.4 镁基镁基MMC的应用的应用l l汽车制造：方向盘减震轴、活塞环、支架、变速箱外壳等；l l通讯电子：手机、便携式电脑等的外壳l l机械工业：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、安全阀等。5.6 镍基复合材料镍基复合材料优点：耐高温性
24、能好，镍基合金在是金属中耐高温最好的材料，可在1000以上长期使用。密度（5.869g/cm3)。缺点：制备困难，镍基合金具有高熔点（NiAl合金熔点1640），纤维和基体之间反应的可能性增加。l l表5-10 TiC/Ni3 3Al复合材料拉伸性能主要增强体：Al2 2O3 3和SiC颗粒、晶须、纤维，TiC和TiB2 2颗粒及W丝等。 5.6.1 镍基镍基MMC的制备方法的制备方法涂层制备：为了改善增强体与镍基体的浸润性及避免界面发生损伤增强体，需对增强体进行金属涂层。l l如Al2 2O3 3 、SiC增强体与Ni及其合金在材料制备时会发生反应，可用W作为表面涂层。制备方法：Ni的熔点高，因此制造Ni基MMC较少用液态法，主要用固态法中的扩散结合法即将纤维夹在金属板之间进行加压、加热，典型温度条件是1200、压力41.4MPa。 5.6.2 镍基镍基MMC的应用前景的应用前景l l镍基MMC的耐高温性能好，因此在航空航天及工业燃气涡轮发动机部件等领域具有广阔的应用前景。但由于制备难度大，目前大都处于实验室研究阶段。小结小结l l了解MMC的基本制备方法；l l掌握MMC的基本特性；l l几种典型MMC的性能、制备方法和应用。
