金属基复合材料

1、金属基金属基复合材料复合材料金属基复合材料特点金属基复合材料特点其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点污染等优点。一、金属基复合材料的分类一、金属基复合材料的分类金属基复合材料是以金属为基体的复合材料，按增强体分金属基复合材料是以金属为基体的复合材料，按增强体分类：类：1）连续纤维增强金属基复合材料）连续纤维增强金属基复合材料2）非连续增强金属基复合

2、材料（包括颗粒、短纤维、晶）非连续增强金属基复合材料（包括颗粒、短纤维、晶须）须）3）自生增强金属基复合材料；）自生增强金属基复合材料；4）层板金属基复合材料）层板金属基复合材料按基体分有：按基体分有：铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、铅基、镍基、耐热金属铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、铅基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等，一般以铝、镁、钛基复合材料发基、金属间化合物基等，一般以铝、镁、钛基复合材料发展较为成熟。展较为成熟。 按用途分：按用途分： 结构型结构型功能型功能型 三、金属基复合材料的基体材料三、金属基复合材料的基体材料基体的作用：基体的作用：1）固结增强体；）固结增强体；2）传递和承受

3、各种载荷（力、热、电）的作用；）传递和承受各种载荷（力、热、电）的作用；基体的含量：基体的含量：1）在）在连续纤维增强连续纤维增强金属基复合材料中，基体占金属基复合材料中，基体占50%70%；2）颗粒增强金属基复合材料中，占）颗粒增强金属基复合材料中，占8090%。3）而晶须、短切纤维增强金属基复合材料的基体含量在）而晶须、短切纤维增强金属基复合材料的基体含量在70%以以上，一般为上，一般为8090%。四选择基体的原则四选择基体的原则金属与合金的种类繁多，作为复合材料的基体有，铝及其合金属与合金的种类繁多，作为复合材料的基体有，铝及其合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜合金、铅、钛铝、镍铝、金金、

4、镁合金、钛合金、镍合金、铜合金、铅、钛铝、镍铝、金属间化合物等，基体材料的正确对能否充分组合和发挥金属增属间化合物等，基体材料的正确对能否充分组合和发挥金属增强体的性能特点获得预期优异综合性能以满足使用要求十分重强体的性能特点获得预期优异综合性能以满足使用要求十分重要。要。金属基复合材料的使用要求金属基复合材料的使用要求航天、航空技术航天、航空技术比强度、比模量高，尺寸稳定性好。比强度、比模量高，尺寸稳定性好。飞行器和卫星构件宜选密度小的轻金属合金镁、铝合金为飞行器和卫星构件宜选密度小的轻金属合金镁、铝合金为基体，与高强、高模石墨纤维、硼纤维基体，与高强、高模石墨纤维、硼纤维组成组成石墨石墨/

5、镁、石墨镁、石墨/铝、硼铝、硼/铝等复合材料；铝等复合材料；高性能发动机要求：高比强、比模量，优良的耐高温性能在高性能发动机要求：高比强、比模量，优良的耐高温性能在高温氧化性气氛中工作。高温氧化性气氛中工作。而选用钛合金、镍基合金及金属间化而选用钛合金、镍基合金及金属间化合物，如碳化硅合物，如碳化硅/钛、镥、钛、镥、钨丝钨丝/镍基起合金复合材料，可用镍基起合金复合材料，可用于喷气发动机于喷气发动机叶片、转轴等重要叶片、转轴等重要零件。零件。汽车发动机要求：耐热、耐摩、导热、一定高温强度汽车发动机要求：耐热、耐摩、导热、一定高温强度等，要求成本低适合批量生产，则选用铝合金作为基等，要求成本低适合

6、批量生产，则选用铝合金作为基体与陶瓷颗粒、短纤维组成复合材料，如碳化硅体与陶瓷颗粒、短纤维组成复合材料，如碳化硅/铝铝复合材料，氧化铝复合材料，氧化铝/铝复合材料可制作发动机活塞、铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。缸套等零件。电子工业集成电路电子工业集成电路高导热、低热膨胀系数金属基高导热、低热膨胀系数金属基复合材料作为散热元件和基板。用具有高导热率的银、复合材料作为散热元件和基板。用具有高导热率的银、铜铝等金属基体与高导热、低热膨胀性的超高模石墨铜铝等金属基体与高导热、低热膨胀性的超高模石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅纤维复合成具有低热膨胀纤维、金刚石纤维、碳化硅纤维复合成具有低热膨胀系数

7、和高热导率、高比强、比模量等性能的金属基复系数和高热导率、高比强、比模量等性能的金属基复合材料。合材料。 五、结构复合材料的基体五、结构复合材料的基体1）航天、航空、汽车、先进武器：）航天、航空、汽车、先进武器：选用铝及铝合金，镁及镁合金作为基体材料。选用铝及铝合金，镁及镁合金作为基体材料。2）发动机、燃气轮机：）发动机、燃气轮机：要求：工作温度在要求：工作温度在6501200左右，良好的抗氧化、抗蠕变、左右，良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳；良好的高温力学性能耐疲劳；良好的高温力学性能使用温度：使用温度：铝、镁铝、镁450左右，左右，钛合金：钛合金：650，镍、钴基：镍、钴基：1200用于用于4

8、50以下的轻质金属基体以下的轻质金属基体铝镁合金；铝镁合金；用于用于450 700的复合材料：钛金属可用于高性能发动机叶片和转动轴等部件；的复合材料：钛金属可用于高性能发动机叶片和转动轴等部件；用于用于1000以上的高温复合材料：主要是镍基、铁基复合材料和金属间化合物，主要用以上的高温复合材料：主要是镍基、铁基复合材料和金属间化合物，主要用于航空发动机叶片。于航空发动机叶片。六、功能用金属基六、功能用金属基复合材料具有复合材料具有1）高力学性能，）高力学性能，2）高导热性能；）高导热性能；3）低热膨胀；）低热膨胀；4）高电导率；）高电导率；5）高抗电弧烧蚀性；）高抗电弧烧蚀性；6）高摩擦系数和

9、耐摩性等。）高摩擦系数和耐摩性等。电子封装材料；电子封装材料；耐摩材料；耐摩材料；集电和电触头材料；集电和电触头材料；七、金属基复合材料的制造方法七、金属基复合材料的制造方法制备金属基复合材料应考虑以下几个方面：制备金属基复合材料应考虑以下几个方面：1）增强体的分散问题）增强体的分散问题;2）制造过程对制品性能的影响；）制造过程对制品性能的影响；3）制造过程中应避免各种不利反应）制造过程中应避免各种不利反应;4）简单易行，适于批量生产，尽可能直接制成接近最终形状和简单易行，适于批量生产，尽可能直接制成接近最终形状和尺寸的零件。尺寸的零件。金属基复合材料的制造难点及解决方法金属基复合材料的制造难

10、点及解决方法难点：难点：1）高温下的界面反应、氧化反应等；）高温下的界面反应、氧化反应等；2）金属与增强体之间浸润性差，甚至不浸润；）金属与增强体之间浸润性差，甚至不浸润；3）将增强体按设计要求的含量、分布、方向均匀）将增强体按设计要求的含量、分布、方向均匀地分布；地分布；解决办法：解决办法：1）增强体表面处理）增强体表面处理作用是：作用是：有效防止的界面反应，相互扩散，溶解等；有效防止的界面反应，相互扩散，溶解等；有效改善基体与增强体的润湿性；有效改善基体与增强体的润湿性；优化界面结构和性能优化界面结构和性能表面处理方法：表面处理方法：化学气相沉积化学气相沉积物理气相沉积物理气相沉积溶胶、凝

11、胶法溶胶、凝胶法电镀、化学镀电镀、化学镀2)加入适当合金元素，优化合金成份加入适当合金元素，优化合金成份有效改善金属基体之间的浸润性；有效改善金属基体之间的浸润性；有效在防止界面反应；有效在防止界面反应；例如：加入钛、锆、铌、铈等元素，可有效改善纤维与铝液的浸润性，例如：加入钛、锆、铌、铈等元素，可有效改善纤维与铝液的浸润性，3）优化工艺方法及工艺参数）优化工艺方法及工艺参数金属基复合材料制造方法的分类金属基复合材料制造方法的分类归纳起来可分为四大类：归纳起来可分为四大类：1）固态法；）固态法；2）液态成型法；）液态成型法；3）自生成法；）自生成法；4）其它方法还有：复合涂（镀）法；）其它方法

12、还有：复合涂（镀）法；固态法固态法1、粉未冶金法粉未冶金法2、热压法热压法（也称扩散粘结法）（也称扩散粘结法）3、热等静压法、热等静压法4、热轧法、热轧法5、热挤压和热拉法、热挤压和热拉法6、爆炸焊接法、爆炸焊接法热压法 热压法和热等静压法亦称扩散粘结法，是加压焊接的一种，因此有时也称扩散焊接法。它是在较长时间的高温及不大的塑性变形作用下依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。扩散粘结过程可分为三个阶段：粘结表面之间的最初接触，由于加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜(通常是氧化膜)破坏；随着时间的进行发生界面扩散和体扩散，使接触面密着粘结；由于热扩散结合界面最终消失，结过程完成。影响扩散粘结过

13、程的主要参数是温度、压力和一定温度及压力下维持的时间，其中温度最为重要，气氛对产品质量也有影响。 热压温度：温度控制在基体合金的固相线和液相线之间。 热压压力：选用压力可在较大范围内变化，但过高容易损伤纤维，一般控制在10MPa以下。压力的选择与温度有关，温度高、压力可适当降低。 热压时间：时间在10-20min即可。 热压气氛：热压可以在大气中进行热压法是目前制造直径较大的硼纤维和碳化硅纤维增强铝基、钛基复合材料的主要方法，其产品作为航天飞机主仓框架承力柱、发动机叶片、火倚部件等i得到应用。热压法也是制造钨丝-超合金、钨丝-铜等复合材料的主要方法之一。 颗粒（晶须） 合金粉未 混合 热压 成

14、品零件 复合材料坯料 挤压、 轧制等 颗粒（晶须） 合金粉未 混合 冷压 烧结 成品零件 颗粒（晶须） 合金粉未 混合 封装除氧 挤 压 热等静压法热等静压的工作原理：在高压容器内装置加热器，将金属基体(粉末或箔)与增强材料(纤维、品须、颗粒)按一定比例混合或排布后，或用预制片叠层后放入金属包套中，抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压，复合成金属基复合材料。热等静压装置的温度可在数百度到2000范围内选择，工作压力可达100-200MPa。热等静压的工艺关键： 温度：温度低于热压温度，以防止严重界面反应压力：压力是根据基休金属在高温下变形的难易程度而定易变形的金属压力选择低一些，难变形的金属

15、则选择较高的压力。保温保压时间：主要根据工件的大小确定。热等静压适用于多种复合材料的管、筒、柱及形状复杂零件的制造。特别适用于钛、金属间化合物、超合金基复合材料，产品的组织均匀致密，无缩孔、气孔等缺陷，形状、尺寸精确，性能均匀。热等静压法的主要缺点是设备投资大、工艺周期长、成本高。液态法液态法液态法是制备金属基复合材料的主要方法：液态法是制备金属基复合材料的主要方法：真空压力浸渍法；真空压力浸渍法；共喷沉积；共喷沉积；挤压铸造；挤压铸造；真空吸铸；真空吸铸；搅拌铸造等方法搅拌铸造等方法共喷沉积法共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料的有效方法，1960年由Siager发明，随后由Ospray金属有限公司发展成工业生产规模的制造技术，可用来制造铝、铜、镍、铁、金属间化合物基复合材料。基本原理是：基本原理是：液态金屑基体通过特殊的喷嘴，在隋性气体气流的作用下雾化成细小的液态金属沉，液态金屑基体通过特殊的喷嘴，在隋性气体气流的作用下雾化成细小的液态金属沉，喷向衬底将颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起并沉积在衬底上，喷向衬底将颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起并沉积在衬底上，凝固形成金属基复合材料。凝固形成金属基复合材料。共喷沉积法的特点：适用面广。可用于铝、铜、镍、钻等有色金同基体，也可用于铁