第五章金属基复合材料

1、12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，人们越来越高。越来越高。在在方面，不但要求方面，不但要求强度高强度高，还，还要求其要求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。正是为了满足上述要求正是为了满足上述要求而诞生的。而诞生的。3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，具有较高的较高的与与；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与与；与与陶瓷基材料陶瓷基材料相比，它又具有相比，它又具有和和。由于金属基复合材料具有极高的比强度、比刚由于金属基复合材料具有极高的比强度、比刚度，以及高温强度，首先在

2、航空航天上得到应度，以及高温强度，首先在航空航天上得到应用，今后也将在航空航天领域占据重要位置。用，今后也将在航空航天领域占据重要位置。随后，在汽车、体育用品等领域也得到了应用，随后，在汽车、体育用品等领域也得到了应用，特别是晶须增强复合材料和颗粒增强复合材料特别是晶须增强复合材料和颗粒增强复合材料在日本的民用领域得到较好的应用。在日本的民用领域得到较好的应用。45碳化物金属陶瓷作为工具碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作材料已被广泛应用，称作。硬质合金通常。硬质合金通常以以CoCo、NiNi作为作为，WCWC、TiCTiC等作为强化相。等作为强化相。 6 硬质合金组织硬质合金组织(

3、(Co+WC)78按用途分类：按用途分类：结构复合材料结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。用于稳定性、耐热性等是其主要性能特点。用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。等高性能结构件。功能复合材料功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。强调具有电、热、磁等功能特性强调具有电、热、磁等功能特性智能复合材

4、料智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。测、自修复等特性。 应当注意，功能复合材料和智能复合材料应当注意，功能复合材料和智能复合材料容易混淆。容易混淆。910金属基复合材料的性能特征金属基复合材料的性能特征1.1.高比强度、比模量高比强度、比模量2.2.良好的导热、导电性能良好的导热、导电性能3.3.热膨胀系数小、尺寸稳定性好热膨胀系数小、尺寸稳定性好4.4.良好的高温性能良好的高温性能5.5.良好的耐磨性良好的耐磨性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7.7.不吸潮、不老化、气密性好不吸潮、不老化、气密性好11金属基复合材料

5、制备工艺的分类：金属基复合材料制备工艺的分类：1）固态法固态法：真空热压扩散结合、超塑性成：真空热压扩散结合、超塑性成型型 / 扩散结合、模压、热等静压、粉末扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。冶金法。2）液态法液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。造、半固态铸造。3）喷射成型法喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成：等离子喷涂成型、喷射成型。型。4）原位生长法原位生长法。 12铝合金铝合金 固态、液态法固态、液态法镁合金镁合金 固态、液态法固态、液态法钛合金钛合金 固态法固态法高温合金高温合金 固态法固态法金属间化合物金属间化合物 固态法固态法13碳纤维

6、碳纤维硼纤维硼纤维SiC纤维纤维Al2O3纤维纤维铝合金铝合金 固态、液态、原位生长、喷射成型法固态、液态、原位生长、喷射成型法镁合金镁合金 液态法液态法钛合金钛合金 固态、液态法、原位生长法固态、液态法、原位生长法高温合金高温合金 原位生长法原位生长法金属间化合物金属间化合物 粉末冶金、原位生长法粉末冶金、原位生长法14颗粒颗粒晶须晶须短纤维短纤维1516 航空航天工业中需要大型的、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

7、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，即结构的随其尺寸的随其尺寸的增加而增加而却随其线尺却随其线尺寸的寸的增加。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，就需要更完善的设计和更好的材料。17是在金属基复合材料中是在金属基复合材料中的一种。由于的一种。由于为为结构，因此具有良好的结构，因此具有良好的，再加之它所具有的，再加之它所具有的、及及等优点，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

8、不是使用纯铝而是时，通常并不是使用纯铝而是。这主要是由于。这主要是由于与纯铝相比与纯铝相比，。18硼纤维极高强度的共价结合，铝是被选用最广的基体材料。硼纤维极高强度的共价结合，铝是被选用最广的基体材料。硼硼-铝复合材料在研究上很重视。铝复合材料在研究上很重视。硼铝的弹性模量接近各向同性，非轴向强度也较高，横向抗硼铝的弹性模量接近各向同性，非轴向强度也较高，横向抗拉强度和剪切强度大约与铝合金基体的强度相等。比树脂基拉强度和剪切强度大约与铝合金基体的强度相等。比树脂基材料可能达到的强度要高得多。材料可能达到的强度要高得多。硼硼铝复合材料还具有高的导电件和导热性、塑性和韧性、耐铝复合材料还具有高的导

9、电件和导热性、塑性和韧性、耐磨性、可涂复性、连接性、成型性和可热处理性及不可燃性。磨性、可涂复性、连接性、成型性和可热处理性及不可燃性。高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久性也常常是重要的。高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久性也常常是重要的。19硼硼铝复合材料的研究的主要内容：铝复合材料的研究的主要内容： (1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航空航天领域中显得尤为重要。空航天领域中显得尤为重要。 (2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材料及构件。料及构件。 (3)改进硼改进硼铝复合材料的制造应用技术

10、，促使其铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可能降低。成本尽可能降低。20 对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复合材料。性好、价格低以及易于制造成复合材料。玻璃纤维玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易与铝起反应。强度较高价格低廉，但它的模量低易与铝起反应。氧化铝纤维氧化铝纤维的比模量和比强度较低且价格昂贵。的比模量和比强度较低且价格昂贵。碳化硅纤维碳化硅纤维与铝的反应比硼小，并已作为硼纤维的涂层使与铝的反应比硼小，并已作为硼纤维的涂层使用但其密度比硼高用但其密度比硼高30、且强度较低。、且强度较低

11、。 - 钛合金钛合金Ti-6Al-4V的冷拉丝材和沉淀硬化钢的冷拉丝材和沉淀硬化钢“火箭火箭”丝丝NS355，内于密度大而在比强度和比模量上难以与硼相比。内于密度大而在比强度和比模量上难以与硼相比。纤维增强铝基复合材料纤维增强铝基复合材料21 硼纤维硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成的。将钨丝电阻加热到成的。将钨丝电阻加热到11001300并连续拉过反应器以获得并连续拉过反应器以获得一定厚度的硼沉积层这样便在钨丝上沉积了颗粒状的无定形硼。一定厚度的硼沉积层这样便在钨丝上沉积了颗粒状的无定形硼。 目前大量供应的纤维有目前大量供应的

12、纤维有100um和和140um两种直径，有的纤维两种直径，有的纤维带有带有2um厚的厚的，其目的是为了改进纤维的抗氧化性能。，其目的是为了改进纤维的抗氧化性能。140um硼纤维的室温密度为硼纤维的室温密度为2.55gcm3。22 硼纤维选择铝合金作为基体是出于铝合金具有良好的硼纤维选择铝合金作为基体是出于铝合金具有良好的综合性能。综合性能。较高的断裂韧性较高的断裂韧性，较强的阻止在纤维断裂或劈裂处的，较强的阻止在纤维断裂或劈裂处的裂纹扩展能力；裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性较强的抗腐蚀性，较高的强度较高的强度。 23 碳纤维增强铝合金碳纤维增强铝合金a.扩散结合, 热压法( 固相法) 在扩散结合

13、法中, 通过纤维前处理首先制作中间原料,然后 将这些中间原料重叠起来, 在真空中加热, 可得纤维增强金属, 该方法利用了金属的塑性变形和自身扩散作用, 可得质量较好 的碳纤维增强铝合金复合材料24b.挤压铸造 挤压铸造 将纤维的预成型体 放入金属模中, 适当加热, 加压 浸入熔化的基体金属, 在高压下 令其凝固, 从而得到形状复杂的 复合材料, 此法周期短, 能制造 纤维增强金属的机械零件, 生产 效率很高。在此法中, 金属熔化, 如温度条件选择不妥, 熔化的基 体金属有时会损伤纤维。 挤压铸造法在三种方法中是一 种最具有发展潜力的工艺方法25c.液态金属浸渍法该法先需要将太纤维预制成型，再将

14、铝合金加热融化，再将碳纤维预制体浸入铝液，再凝固从而得到复合材料。该法如果工艺温度过高，融化的基体铝合金也会损伤碳纤维，从而降低材料的性能。26 铝基复合材料具有高导热、密度小、成本低等综合优势，是金属基材料中的重要品类，在国际国内范围内有广泛研究并应用于工业化生产。铝基复合材料包含纤维增强和颗粒增强两大类。其中颗粒增强铝基复合材料成本低、性能稳定且易实现规模生产，成为铝基复合材料研究和应用的热点方向。以铝合金为基体的复合材料有铝碳化硅和硅铝等，广泛应用于航空航天、电子信息、壳体封装和现代交通等广泛领域铝基复合材料的应用铝基复合材料的应用27应用行业铝碳化硅、硅铝等铝基复合材料因其高导热、合适

15、的膨胀系数等优良特性可制成基板及热沉材料，用于光电子封装、微波封装外壳、功率模块基板、微电子基板、热沉和盖板、平板混合电路外壳等部件，广泛应用于航空航天、汽车、电子光学、体育用品、集成电路、功率模块、微处理器盖板及散热板等领域。汽车领域：铝硅颗粒增强铝基复合材料制备汽车零部件，如发动机活塞、发动机活塞和齿轮箱、刹车转子、刹车活塞、刹车垫板、卡钳、汽车驱动轴、摇臂等、汽车制动盘等零部件，能有效减轻重量、降低噪音、提升耐磨性能实现轿车轻量化。航天领域：铝基复合材料可代替钛合金制造飞机摄相镜方向架、卫星反动轮和方向架的支撑架等，在美国、美国等地成功地用于哈勃太空望远镜的高增益天线悬架、导弹零部件(弹体、尾翼、弹