第5章金属陶瓷基复合材料

1、第五章、结构复合材料第五章、结构复合材料2022-4-1422022-4-145.2.1 概述概述 金属基复合材料金属基复合材料(MMC)定义定义 金属基体的作用：金属基体的作用： 固结增强体固结增强体 传递和承受载荷传递和承受载荷 赋予形状，可加工性赋予形状，可加工性 影响材料强度、刚度等性能影响材料强度、刚度等性能 性能优势：性能优势： 资源丰富资源丰富 模量、耐热性高模量、耐热性高 强度高、可强化强度高、可强化 塑性、韧性好塑性、韧性好 光、电、磁、热、弹等性能优良光、电、磁、热、弹等性能优良复合材料基体共复合材料基体共有的特性和功能有的特性和功能2022-4-1432022-4-145

2、.2.2 金属基体金属基体(1)常用金属基体常用金属基体 包括：包括：铝、镁、钛、铜、铝、镁、钛、铜、金属间化合物和高温合金金属间化合物和高温合金 常用金属基体有：常用金属基体有： 铝及其合金铝及其合金 镁及其合金镁及其合金 钛及其合金钛及其合金 铜及其合金铜及其合金 金属间化合物和镍及其合金金属间化合物和镍及其合金 不锈钢不锈钢现代武器装备的基础性材现代武器装备的基础性材料，纳入国家重大基础材料，纳入国家重大基础材料研究范畴。料研究范畴。2022-4-1442022-4-145.2.2 金属基体金属基体(2) 不同基体的金属基结构复合材料的使用温度范围不同基体的金属基结构复合材料的使用温度范

3、围 铝、镁及其合金使用温度铝、镁及其合金使用温度450； 钛合金钛合金450650； 金属间化合物和镍其、铁基耐热合金金属间化合物和镍其、铁基耐热合金6501200。2022-4-1452022-4-14(3)(3)功能复合材料的金属基体功能复合材料的金属基体l电子工业电子工业: SiC/Al, SiC/Cu; Cf/Al; Cf/Cu等等等等l耐磨零件耐磨零件： 碳化硅，氧化铝颗粒，晶须等碳化硅，氧化铝颗粒，晶须等l用作集电和电触头用作集电和电触头： SiC，金属丝，石墨颗粒增强铝，铜等，金属丝，石墨颗粒增强铝，铜等l耐腐蚀电池极板耐腐蚀电池极板： 石墨碳纤维增强铅合金等石墨碳纤维增强铅合金

4、等2022-4-1462022-4-145.2.3 金属基复合材料金属基复合材料 重要体系重要体系 Al2O3/(Al、Mg) 主要特点主要特点 高的比强度、比模量；高的比强度、比模量； 好的韧性；好的韧性； 比聚合物高的使用温度。比聚合物高的使用温度。2022-4-1472022-4-145.2.3 金属基复合材料金属基复合材料5.2.3.1 制造方法制造方法（1 1）固态制造工艺）固态制造工艺 粉末合金法粉末合金法 固态热压法固态热压法 热等静压法热等静压法 热轧法热轧法 热挤压法热挤压法 热拉拔法热拉拔法 爆炸焊接法爆炸焊接法2022-4-1482022-4-145.2.3.1 制造方法

5、制造方法（2 2）液态制造工艺）液态制造工艺 真空压力浸渍法真空压力浸渍法 液态金属浸渍法液态金属浸渍法 热喷涂法热喷涂法 挤压铸造法挤压铸造法 共喷沉淀法共喷沉淀法 液态金属搅拌铸造法液态金属搅拌铸造法2022-4-1492022-4-14（3 3）原位法）原位法 定向凝固法定向凝固法 反应自生成法反应自生成法（4 4）其他制造工艺）其他制造工艺 原位自生成法原位自生成法 物理气相沉积法物理气相沉积法 化学镀化学镀 电镀电镀 复合镀复合镀 自蔓延自蔓延大功率电子束物理气相沉积大功率电子束物理气相沉积 磁控溅射源的物理气相沉积磁控溅射源的物理气相沉积 电弧离子镀电弧离子镀 凝胶的自蔓延燃烧凝胶

6、的自蔓延燃烧 2022-4-14102022-4-145.2.3.2 金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能 (1)组成相的要求组成相的要求 (2)热处理性能；热处理性能； (3)力学性能力学性能; (4)热学性能热学性能; (5)抗蠕变性能抗蠕变性能; (6)磨损性能；磨损性能； (7)电学性能电学性能2022-4-14112022-4-14 5.2.3.3 金属基复合材料金属基复合材料的应用的应用 Bf/Al 用作航天飞机部件用作航天飞机部件; Cf/Al用作用作NASA空间望远镜的空间望远镜的天线支架天线支架; FP-Al2O3f/ (Al,Mg)用作汽车部用作汽车部件和内燃机连杆等等

7、件和内燃机连杆等等2022-4-14122022-4-14铝合金在飞机上的应用铝合金在飞机上的应用2022-4-14132022-4-145.3 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料5.3.1 常用陶瓷基体材料常用陶瓷基体材料（1 1）氧化物陶瓷）氧化物陶瓷 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷（2 2）氮化物陶瓷）氮化物陶瓷 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷 氮化铝陶瓷氮化铝陶瓷2022-4-14142022-4-145.3.1 常用陶瓷基体材料常用陶瓷基体材料（3）碳化物及碳陶瓷）碳化物及碳陶瓷 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 碳化锆陶瓷碳化锆陶瓷 碳化铬陶瓷碳化铬陶瓷 碳化钨陶瓷碳化钨陶瓷

8、 碳化钛陶瓷碳化钛陶瓷（4）玻璃、玻璃陶瓷和其他陶瓷）玻璃、玻璃陶瓷和其他陶瓷 玻璃（高硅氧玻璃，硼硅玻璃，铝硅玻璃）；玻璃（高硅氧玻璃，硼硅玻璃，铝硅玻璃）； 玻璃陶瓷（铝锂硅酸、镁铝硅酸玻璃陶瓷）；玻璃陶瓷（铝锂硅酸、镁铝硅酸玻璃陶瓷）； 其他陶瓷（硼化物陶瓷，硅化物陶瓷）其他陶瓷（硼化物陶瓷，硅化物陶瓷）2022-4-14152022-4-145.3.2 陶瓷基复合材料的制造陶瓷基复合材料的制造 制备步骤制备步骤: :将增强体材料掺入到未凝结的基体中将增强体材料掺入到未凝结的基体中,使基体使基体和增强体材料一道成为整体材料。和增强体材料一道成为整体材料。(1)(1)连续纤维增强陶瓷基复合

9、材料的制备工艺连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺 四大系列四大系列: Al2O3纤维纤维/ZrO2, SiC纤维纤维/SiC, Si3N4纤维纤维/Si3N4 SiC纤维纤维/Si3N4 2022-4-14162022-4-145.3.2 陶瓷基复合材料的制造陶瓷基复合材料的制造制备方法制备方法: 料浆浸渍料浆浸渍- -热压烧结法；化学气相渗透法热压烧结法；化学气相渗透法 有机先驱体热解法；有机先驱体热解法； 熔融渗透法熔融渗透法 直接氧化沉淀法；直接氧化沉淀法； 反应烧结法反应烧结法(2)(2)晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料的制备工艺 晶须复合材料制备工艺晶须复合材料制备工艺 a.烧结法烧结

10、法 b.先驱体转化法先驱体转化法 c.电泳沉积法电泳沉积法2022-4-14172022-4-14 原位生长晶须原位生长晶须 颗粒增强陶瓷基复合材料颗粒增强陶瓷基复合材料(3)纳米陶瓷复合材料的制造工艺及性能 熔融熔融-热压法热压法 冻胶铸造法冻胶铸造法 先驱体裂解法先驱体裂解法 原位生成法原位生成法 纳米相提高了复合材料的弯曲强度和使用温度纳米相提高了复合材料的弯曲强度和使用温度,改善了改善了断裂韧性和复合材料的抗蠕变性能断裂韧性和复合材料的抗蠕变性能。2022-4-14182022-4-14(4(4) )碳/碳陶瓷复合材料的制造工艺及性能 优点优点:高温热性能高温热性能 缺点缺点:性能性能

11、, 加工加工, 设计设计 制造工艺制造工艺: 碳纤维的胚体制备；碳纤维的胚体制备； 碳基体的制备；碳基体的制备； 基体与纤维的复合基体与纤维的复合.2022-4-14192022-4-14 碳碳/碳复合材料的性能碳复合材料的性能 力学性能力学性能 热物理性能热物理性能 烧蚀性能烧蚀性能 化学稳定性能化学稳定性能 碳碳/碳复合材料的应用碳复合材料的应用 导弹和宇航工业导弹和宇航工业 航空工业航空工业 汽车工业汽车工业 其他方面的应用其他方面的应用5.3.3 陶瓷基复合材料的应用陶瓷基复合材料的应用 可应用于切削刀具可应用于切削刀具,热机部件热机部件,耐腐蚀部件耐腐蚀部件,特殊电子特殊电子/电气部

12、件电气部件,能量转换元件能量转换元件.2022-4-14202022-4-145.2.4 碳碳/碳复合材料碳复合材料5.2.4.1 制备方法制备方法 碳/碳复合材料是由碳纤维与热固性树脂复合材料热分解而制成。 2022-4-14212022-4-14第一步：绝氧条件下，树脂热解转化成碳第一步：绝氧条件下，树脂热解转化成碳降低材料的强度降低材料的强度形成多孔的碳基体形成多孔的碳基体第二步：运用碳填充空隙，使之加密第二步：运用碳填充空隙，使之加密提高强度提高强度化学气相沉积法化学气相沉积法液相浸渍法液相浸渍法碳化硅保护高碳化硅保护高温下的氧化温下的氧化2022-4-14222022-4-145.2.4.2 性能性能 轻质、高强度、高硬度和耐高温；轻质、高强度、高硬度和耐高温； 熔点高熔点高, 高温抗氧化性能好高温抗氧化性能好; 化学稳定好化学稳定好, 耐辐射，具有较高的热辐射耐辐射，具有较高的热辐射率率; 具有碳纤维与碳材料的突出性能具有碳纤维与碳材料的突出性能; 低温下，易于氧化。低温下，易于氧化。2022-4-14232022-4-145.2.4.3 应用应用 航空和航天材料航空和航天材料;生物医学材料生物医学材料;坦克装坦克装甲用耐磨材料甲用耐磨材料;化工领域的抗腐蚀材料等化工领域的抗腐蚀材料等.2022-4-14242022-4-