金属基复合材料-肖晨

1、12p 金属基复合材料的定义及特性金属基复合材料的定义及特性p 金属基复合材料的使用要求金属基复合材料的使用要求p 金属基复合材料的发展和分类金属基复合材料的发展和分类p 金属基复合材料的制备工艺金属基复合材料的制备工艺3 金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高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；的比强度与比刚度； 与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性；与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性； 与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能。与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能。 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）是）是，非均质混合

2、物，共同点是具有连续的金属基体。非均质混合物，共同点是具有连续的金属基体。4构件的使用性能要求构件的使用性能要求是选择金属基体材料最是选择金属基体材料最重要的依据，也是其发重要的依据，也是其发展的动力。展的动力。v在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重要的性能要求。稳定性是最重要的性能要求。 作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金镁镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨硼纤维等组成石墨/ /镁、石墨镁、石

3、墨/ /铝、硼铝、硼/ /铝复合材料。铝复合材料。5 19631963年，年，NASANASA制备出钨丝增强制备出钨丝增强CuCu基复合材料，是纤维基复合材料，是纤维增强金属基复合材料的研究起点，增强金属基复合材料的研究起点，SiC/Al,AlSiC/Al,Al2 2O O3 3/Al/Al； 19781978年年B/AlB/Al复合材料在哥伦比亚航天飞机上应用；复合材料在哥伦比亚航天飞机上应用； 1964 1964年，年，KraftKraft通过共晶合金定向凝固制备出金属基复通过共晶合金定向凝固制备出金属基复合材料，界面结合良好，合材料，界面结合良好，Ni-NiNi-Ni3 3AlAl，Ni

4、-NiNi-Ni3 3SiSi； 2020世纪世纪8080年代，金属基复合材料迅速发展，开始注重年代，金属基复合材料迅速发展，开始注重颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料，在汽车、体育颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料，在汽车、体育用品等领域得到应用；用品等领域得到应用； 9090年代后期，电子产品和技术迅速发展，低膨胀、高年代后期，电子产品和技术迅速发展，低膨胀、高强度和高导热性的金属基复合材料在电子产品得到应用；强度和高导热性的金属基复合材料在电子产品得到应用； 近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。6基体基体增强体增强体7 铝基复合材料

5、是金属基复合材料中铝基复合材料是金属基复合材料中、的一种。的一种。 金属铝为金属铝为结构，无同素异构体，密度结构，无同素异构体，密度为钢的为钢的1/3左右，具有良好的左右，具有良好的，以及，以及、及及等优点，在工程等优点，在工程上广泛应用。上广泛应用。 工业纯铝：工业纯铝： 塑性优异，适用各种形式的冷、热加工；塑性优异，适用各种形式的冷、热加工； 导电、导热性能好，代替铜制作导线；导电、导热性能好，代替铜制作导线； 强度不高，不适合做承力大的结构材料。强度不高，不适合做承力大的结构材料。8根据各种方法的基本特点，把金属基复合材根据各种方法的基本特点，把金属基复合材料的制备工艺分为四大类：料的制

6、备工艺分为四大类：910 扩散结合也称扩散粘接法或扩散焊接法，是加压焊扩散结合也称扩散粘接法或扩散焊接法，是加压焊接的一种，包括热压法和热等静压法。接的一种，包括热压法和热等静压法。 在一定的温度和压力下，把表面新鲜清洁的相同或在一定的温度和压力下，把表面新鲜清洁的相同或不相同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。不相同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。 扩散结合是在较长时间的高温及不大的塑性变形作扩散结合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。用下依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。 扩散结合的过程：粘接表面之间的最初接触，由于扩散结合的过

7、程：粘接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、表面膜破坏；发生加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜破坏；发生界面扩散和体扩散，使接触面密着粘接；热扩散界面最界面扩散和体扩散，使接触面密着粘接；热扩散界面最终消失，粘接过程完成。终消失，粘接过程完成。 扩散结合成为一种制造连续纤维增强金属基复合材扩散结合成为一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺方法。料的传统工艺方法。11a)a)金属箔复合法金属箔复合法 b)b)金属无纬带重叠法金属无纬带重叠法 c)c)表面镀有金属的纤维结合法表面镀有金属的纤维结合法 12 采用搅拌法制备金属基复合材料时，采用搅拌法制备金属基复合材料时

8、，常常会由于强烈搅拌将气体或表面金常常会由于强烈搅拌将气体或表面金属氧化物卷入金属熔体中；同时当颗属氧化物卷入金属熔体中；同时当颗粒与金属基体湿润性差时，颗粒难以粒与金属基体湿润性差时，颗粒难以与金属基体复合，而且颗粒在金属基与金属基体复合，而且颗粒在金属基体中由于比重关系而难以得到均匀分体中由于比重关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。布，影响复合材料性能。 半固态复合铸造主要是针对半固态复合铸造主要是针对而提出的改进工艺。这种方法而提出的改进工艺。这种方法是将颗粒加入处于半固态的金属基体是将颗粒加入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使颗粒在金属基体中均中，通过搅拌使颗粒在金属基体中均匀分

9、布，并取得良好的界面结合，然匀分布，并取得良好的界面结合，然后浇注成型或将半固态复合材料注入后浇注成型或将半固态复合材料注入模具中进行压铸成型。模具中进行压铸成型。13是将金属熔体的温度控制在是将金属熔体的温度控制在之间，通过之间，通过搅拌使部分搅拌使部分破碎成固相颗粒，熔体中的固相颗破碎成固相颗粒，熔体中的固相颗粒是一种粒是一种，可以防止半固态熔体粘度的增加。，可以防止半固态熔体粘度的增加。 当加入预热后的当加入预热后的时，因熔体中含有一定量的时，因熔体中含有一定量的，在搅拌中，在搅拌中而滞留在半固态金属熔而滞留在半固态金属熔体中，增强颗粒不会体中，增强颗粒不会而得到一定的分散。而得到一定的

10、分散。强烈的强烈的增强颗粒与金属熔体的接触、增强颗粒与金属熔体的接触、。 浇注时金属基复合材料是处于半固态，直接浇注成型或浇注时金属基复合材料是处于半固态，直接浇注成型或压铸成型所得的铸件几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密。压铸成型所得的铸件几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密。 半固态复合铸造主要应用于颗粒增强金属基复合材料。半固态复合铸造主要应用于颗粒增强金属基复合材料。短纤维、晶须在加入时容易结团或缠结在一起，虽经搅拌也短纤维、晶须在加入时容易结团或缠结在一起，虽经搅拌也不易分散均匀。不易分散均匀。14 半固态复合铸造工艺中，金属基体半固态复合铸造工艺中，金属基体应使熔体达到应使熔体达到3

11、0%-50%30%-50%固态；固态； 应应不产生湍流不产生湍流以防止空气裹入，以防止空气裹入，并使熔体中并使熔体中形成固态颗粒，降低熔体的粘形成固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗粒的加入。度，从而有利于增强颗粒的加入。15 通过纤维或纤维预制件通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金属而制成金属浸渍熔融态金属而制成金属基复合材料的方法。基复合材料的方法。 工艺效率较高、成本较工艺效率较高、成本较低，适用于制成板材、线材低，适用于制成板材、线材和棒材等。和棒材等。 加工时，可以抽真空，加工时，可以抽真空，利用渗透压迫使熔融金属浸利用渗透压迫使熔融金属浸透到纤维的间隙中，也可以透到纤维的间隙中，

12、也可以在熔融的金属一侧用惰性气在熔融的金属一侧用惰性气体或外载荷施加压力的方法体或外载荷施加压力的方法实现渗透。实现渗透。16将增强材料制成将增强材料制成，置于氧化铝容器内。，置于氧化铝容器内。将基体金属坯料置于可渗透的将基体金属坯料置于可渗透的上部或下部。上部或下部。 氧化铝容器、预制体和基体金属坯料均装入可通氧化铝容器、预制体和基体金属坯料均装入可通入流动氮气的入流动氮气的中。中。通过加热，通过加热，并自发渗透进入网络，并自发渗透进入网络状状中。中。17 例如以例如以55-60%Al55-60%Al2 2O O3 3或或SiCSiC预制成零件的形状，放入同样形预制成零件的形状，放入同样形状

13、的状的，将含有，将含有3%-10%Mg3%-10%Mg的的（基体）（基体）放置在放置在上，在流动的氮气气氛下，加热上，在流动的氮气气氛下，加热至至800-1000800-1000，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。 由于由于发生反应，在金属基复合材料的显微发生反应，在金属基复合材料的显微组织中还有组织中还有AlNAlN。控制。控制、以及以及，可以，可以控制控制AINAIN的生成量。的生成量。AlNAlN在在中起到提高复合材中起到提高复合材料料，降低，降低的作用。的作用。采用这种方法制备的采用这种方法制备的是铝合金基体的两倍，是铝合金基体的两倍，而而SiC/AlSiC

14、/Al的刚度也达到钢的水平，但强度水平较低。的刚度也达到钢的水平，但强度水平较低。 18加压熔浸装置加压熔浸装置1920 将将在坩埚中熔化在坩埚中熔化后，在压力作用下通过喷咀后，在压力作用下通过喷咀送入雾化器，在高速惰性气送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，体射流的作用下，形成，形成所谓所谓“” ； 通过一个或多个通过一个或多个向向“雾化锥雾化锥”喷射入喷射入，使之与使之与一齐在一齐在基板（收集器）上沉积，并基板（收集器）上沉积，并快速凝固形成颗粒增强金属快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。基复合材料。211) 共晶合金定向凝固法共晶合金定向凝固法2) 直接金属氧化法（直接金属氧化法（DI

15、MOXTM）3) 反应自生成法（反应自生成法（XDTM）22 增强材料增强材料从从基体中凝固析出，通过控制冷基体中凝固析出，通过控制冷凝方向，在基体中生长出排列凝方向，在基体中生长出排列整齐的类似纤维的条状或片层整齐的类似纤维的条状或片层状状。 要求合金成分为共晶或接要求合金成分为共晶或接近共晶成分，以及有包晶或偏近共晶成分，以及有包晶或偏晶反应的两相结合。晶反应的两相结合。 工艺过程：合金原料在真空或惰性气体中通过感应加热熔工艺过程：合金原料在真空或惰性气体中通过感应加热熔化，控制冷却方向，进行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方化，控制冷却方向，进行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方向整齐排列，连续

16、相为基体，类似纤维的条状或片层状的分向整齐排列，连续相为基体，类似纤维的条状或片层状的分散相为增强体。散相为增强体。23 DIMOXDIMOXTMTM是一种可以制备金属基复合材料和陶瓷基复合材料是一种可以制备金属基复合材料和陶瓷基复合材料的的。DIMOXDIMOXTMTM法根据是否有法根据是否有又可分为又可分为和和，两者原理相同。，两者原理相同。制备金属基复合材料的制备金属基复合材料的没有填充物没有填充物（增强材料预成型体）和增强相，只是通过（增强材料预成型体）和增强相，只是通过来获取复合材料。来获取复合材料。 利用利用，制备，制备AlAl2 2O O3 3/Al/Al。 通过通过来获取来获取

17、AlAl2 2O O3 3增强相。通常铝合金表面迅速氧化，增强相。通常铝合金表面迅速氧化，形成一种内聚、结合紧密的形成一种内聚、结合紧密的，这层氧化铝膜使得氧无法进，这层氧化铝膜使得氧无法进一步渗透，从而阻止了膜下的铝进一步氧化。但是在一步渗透，从而阻止了膜下的铝进一步氧化。但是在DIMOXDIMOXTMTM工艺工艺中，中，上升到上升到900-1300900-1300，远超过铝的熔点，远超过铝的熔点660660。通过进。通过进一步加入一步加入SiSi和和MgMg，使熔化金属通过显微通，使熔化金属通过显微通道道，并顺序氧化，即铝被氧化，但，并顺序氧化，即铝被氧化，但未被堵塞。未被堵塞。24 利用

18、唯一基体法工艺，可以根据氧化程度来控制增强利用唯一基体法工艺，可以根据氧化程度来控制增强相的含量。相的含量。 如果工艺过程在所有金属被氧化之前停止的话，则所如果工艺过程在所有金属被氧化之前停止的话，则所制备的复合材料就是致密互连的制备的复合材料就是致密互连的AlAl2 2O O3 3陶瓷基复合材料，陶瓷基复合材料，其中含有其中含有5%-30%5%-30%的的AlAl。 除了可以直接氧化外，还可以直接氮化。通过除了可以直接氧化外，还可以直接氮化。通过DIMOXDIMOXTMTM工艺还可以获得工艺还可以获得AlN/AlAlN/Al，ZrN/AlZrN/Al和和TiN/TiTiN/Ti等金等金属基或陶瓷基复合材料。属基或陶瓷基复合材料。 当当DIMOXDIMOXTMTM工艺采用增强材料预成型体时，由于增强工艺采用增强材料预成型体时，由于增强材料预成型体是透气的，金属基体可以通过渗透的氧或材料预成型体是透气的，金属基体可以通过渗透的氧或氮顺序氧（氮）化形成基体。氮顺序氧（氮）化形成基体。25 是新近发展起来的技术，主要用于制造金属间化合物是新近发展起来的技术，主要用于制造金属间化合物复合材料。复合材料。 在反应自生成法中，增强材料是由加入基体中的相应在反应自生成法中，增强材料是