第6章 金属基复合材料

1、12在在方面，不但要求方面，不但要求强度高强度高，还要求其，还要求其重量重量要轻要轻，尤其是在航空航天领域。，尤其是在航空航天领域。 相对于相对于传统的金属材料传统的金属材料来说，具有来说，具有较较高的高的与与；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。3金属基复合材料是金属基复合材料是，而制得的复合材料。因此，对这种材料的而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可分类既可来进行、也可来进行、也可来进行。来进行。4金属基复合材料中金属基复合材料中的一种。由于的一种。由于为为结构，因此具有结构，因

2、此具有良好的良好的，并具有，并具有、及及等优点等优点 通常并不是使用纯铝而是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，以以。由于镍的。由于镍的，因此这，因此这种复合材料主要是用于制造种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件高温下工作的零部件。 研制研制的一个重要目的，即是希望用它来制的一个重要目的，即是希望用它来制造造燃汽轮机的叶片燃汽轮机的叶片，从而进一步，从而进一步提高燃汽轮机的工作温度提高燃汽轮机的工作温度。按基体分：按基体分：5 在结构材料中，在结构材料中，具有最好的具有最好的。 钛钛在中温时在中温时比铝合金比铝合金。钛基复合材料中钛基复合材料中最常用的

3、增强体是最常用的增强体是，这是由于，这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示。，如下表所示。6范畴：范畴：的复合材料，而不的复合材料，而不包括那种包括那种很低的弥散强化金属。很低的弥散强化金属。 性质：性质：是主要的是主要的承载相承载相，而，而的作用则的作用则在于在于和和。 决定因素：决定因素：决定于决定于和和、和、和以及以及。按增强体分：按增强体分：7金属基复合材料中的纤维金属基复合材料中的纤维可分可分为为、和和，它们均属于，它们均属于。因。因此，呈此，呈特征。特征。 当当用用增强时，增强时，和和是复合材料性能的主要特征，但纤维对是复合材料性能的主要特征，但纤

4、维对复合材料复合材料具有相当大的作用。具有相当大的作用。8，含有，含有重复重复排列的排列的、片层状增强物片层状增强物的复合材料。的复合材料。相当于结构件的大小相当于结构件的大小，因此因此可以成为可以成为长度和构件相同的长度和构件相同的。在在增强增强平面的各个方向平面的各个方向上，上，这与，这与纤维单向增强的复合材料相比纤维单向增强的复合材料相比具具有明显的优越性。有明显的优越性。 9由于由于能够能够最有效地增强金属基体最有效地增强金属基体，因此，因此这里将对此进行重点讨论。这里将对此进行重点讨论。对对的要求如下：的要求如下：10“”(钢丝钢丝) 和和等等高强度丝高强度丝，就是，就是由于具由于具

5、有高强度有高强度才成为特别有用的增强材料。才成为特别有用的增强材料。具有优良的比强度和低成本具有优良的比强度和低成本，是树脂基的，是树脂基的最重要的增强纤维。但这些纤维最重要的增强纤维。但这些纤维且且，所以很少用来增强金属。所以很少用来增强金属。是用从熔体中是用从熔体中提拉子晶的方法提拉子晶的方法生产的，生产的，。但对。但对磨损很敏感磨损很敏感，而且很，而且很贵贵。，与固态铝和液态镁的，与固态铝和液态镁的，且且。 表表6.211 材料在材料在外力外力作用下作用下抵抗永久变形和断裂的能力抵抗永久变形和断裂的能力称为称为强度。按外力作用的性质不同，主要有强度。按外力作用的性质不同，主要有屈服强度屈

6、服强度、抗、抗拉拉强度强度、抗压强度抗压强度、抗弯强度抗弯强度等，工程常用的是屈服强度等，工程常用的是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可通过拉伸试验测出。和抗拉强度，这两个强度指标可通过拉伸试验测出。强度强度是指材料承受外力而不被破坏是指材料承受外力而不被破坏(不可恢复的变形不可恢复的变形也属被破坏也属被破坏)的能力的能力.根据受力种类的不同分为以下几种根据受力种类的不同分为以下几种:(1)抗压强度抗压强度-材料承受压力的能力材料承受压力的能力.(2)抗拉强度抗拉强度-材料承受拉力的能力材料承受拉力的能力.(3)抗弯强度抗弯强度-材料对致弯外力的承受能力材料对致弯外力的承受能力.(4)抗剪强

7、度抗剪强度-材料承受剪切力的能力材料承受剪切力的能力.12材料万能试验机材料万能试验机13与弹性性能不同，不代表整个测试段上与弹性性能不同，不代表整个测试段上的平均性能，而的平均性能，而。可以定义为可以定义为。 在在静态拉伸应力条件下静态拉伸应力条件下，判别抗拉强度时，是，判别抗拉强度时，是计算的计算的。 14复合材料复合材料同同间的关系可用如下的公间的关系可用如下的公式表示：式表示：MMFFCVV.* 式中，式中， C*表示复合材料的抗拉强度，即复合材料表示复合材料的抗拉强度，即复合材料原原始面积上的始面积上的应力；应力； F为为所有纤维上的所有纤维上的平均应力；平均应力； M是是基基体在断

8、裂时体在断裂时的平均应力；的平均应力；VF和和VM是纤维和基体的体积分是纤维和基体的体积分数。数。 如果如果所有纤维的强度相近所有纤维的强度相近，剩下的基体在纤维断裂时，剩下的基体在纤维断裂时又不能承受载荷，这时又不能承受载荷，这时就等于就等于，而，而可可以认为是以认为是在基体应变等于纤维断裂应变时在基体应变等于纤维断裂应变时的的。15McDaniels等人对此曾用等人对此曾用进行研究，将进行研究，将复合材料的强度绘成纤维体积比的函数复合材料的强度绘成纤维体积比的函数，如图所示。，如图所示。高强度脆性纤维同韧性基体的强度混合定则高强度脆性纤维同韧性基体的强度混合定则纤维体积比纤维体积比VF应力

9、应力 16当当时，引起时，引起三种重要的变化三种重要的变化:(A)由于由于，而使，而使。(B)破断纤维裂纹周围的破断纤维裂纹周围的会降低材料的有效会降低材料的有效强度。强度。(C)破断纤维失去载荷时产生的破断纤维失去载荷时产生的会使复合材料会使复合材料受到冲击，从而降低该处横面上的瞬时承载能力。受到冲击，从而降低该处横面上的瞬时承载能力。17 金属基复合材料的金属基复合材料的比纵向性能比纵向性能复杂。它通常采用一些假设。复杂。它通常采用一些假设。(1)两组元两组元在达到断裂应力前在达到断裂应力前都是都是的；的；(2)界面结合是完好的；界面结合是完好的；(3)纤维排列是规则的。纤维排列是规则的。

10、18复合材料包含复合材料包含两种或两种以上的相两种或两种以上的相，要使组分良好配，要使组分良好配合，则必须具备合，则必须具备和和。 对对而言，用而言，用金属基复金属基复合材料的合材料的物理相容性问题物理相容性问题一般都和一般都和，或，或热变化时热变化时反映材料伸缩性能的反映材料伸缩性能的有关。有关。化学相容性问题化学相容性问题主要与复合材料加工过程中的主要与复合材料加工过程中的、以及以及等因素有关。等因素有关。19，指，指，能够，能够将将载荷均匀地传递到增强物上载荷均匀地传递到增强物上，而不会有明显的不连续现象，而不会有明显的不连续现象; 基体和增强体基体和增强体的非常重要的的非常重要的物理关

11、系物理关系是是是一个更加复杂的问题。对于是一个更加复杂的问题。对于原生复合材料原生复合材料，在制造过程中是在制造过程中是;有明显的有明显的，就会产生，就会产生不稳定问题不稳定问题。 对于对于，化学相容性问题要严重得多。如，化学相容性问题要严重得多。如采用采用石墨增强纤维时石墨增强纤维时，纤维的浸润和结合纤维的浸润和结合都非常困难，在使两都非常困难，在使两相结合方面就会产生问题；相结合方面就会产生问题；则是则是更重要的相容性问题更重要的相容性问题。20 对于对于低温合金低温合金，应尽量，应尽量降低制造温度降低制造温度； 对于对于而言，以下的而言，以下的与化学相容性有关的问与化学相容性有关的问题题

12、则十分重要：则十分重要：(1) F-；(2)U-；(3)T-；(4)D-；21一、铝基复合材料的特点一、铝基复合材料的特点 航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料。航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料。 在设计这些在设计这些结构结构时，涉及到时，涉及到平方平方立方尺寸关系立方尺寸关系：结构的强度与刚度随其尺寸的平方增加，而重量却随其线结构的强度与刚度随其尺寸的平方增加，而重量却随其线尺寸的立方增加；所以，假若要保证大型结构的机动性和尺寸的立方增加；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。高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。 复合材料的一个主要目标

13、就是应用像硼那样极复合材料的一个主要目标就是应用像硼那样极高强度高强度的的共价结合纤维共价结合纤维与适合于与适合于结构制造和应用的基体结构制造和应用的基体来克服这来克服这些限制。而些限制。而铝铝则是被选用最广的基体材料。则是被选用最广的基体材料。22突出的优点是密度低，突出的优点是密度低，力学性能力学性能高。高。一般含一般含硼纤维硼纤维45%50%（vol），单向增强时纵向），单向增强时纵向拉伸强拉伸强度度可达可达12501550MPa，模量模量200230GPa，密度，密度2.6g/cm3。比强度比强度约为约为钛合金钛合金、硬铝硬铝、合金钢合金钢的的35倍。倍。比模量比模量约为上述约为上述材

14、料材料的的3倍。疲劳性能明显优于一般铝合金。倍。疲劳性能明显优于一般铝合金。而且在而且在200400下仍保持较高的下仍保持较高的强度强度。在在飞行器飞行器和和航空发动机航空发动机上应用可以获得明显的减重效上应用可以获得明显的减重效果。果。 23关于硼关于硼铝复合材料的研究主要包括以下几个方面的内容：铝复合材料的研究主要包括以下几个方面的内容： (1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航空航天领研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航空航天领域中显得尤为重要。域中显得尤为重要。 (2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材料及构件。改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材料及构件。 (3)

15、改进硼改进硼铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可能降低。能降低。24 二、硼铝复合材料二、硼铝复合材料高比模量和高比强度高比模量和高比强度1增强纤维增强纤维 对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复性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。表好、价格低以及易于制造成复合材料。表6-2中列出常用纤维中列出常用纤维的性能。的性能。玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易与铝起反应；玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易与铝起反应；氧化铝纤维的比模量和比强度较低且价格昂贵；氧化铝纤维的比模量和比强度

16、较低且价格昂贵；碳化硅纤维与铝的反应比硼小，并已作为硼纤维的涂层使用，碳化硅纤维与铝的反应比硼小，并已作为硼纤维的涂层使用，但其密度比硼高但其密度比硼高30、且强度较低；、且强度较低；高模量石墨纤维似乎很有吸引力，化学稳定差；高模量石墨纤维似乎很有吸引力，化学稳定差；25 2基基 体体 以以铝铝为基的为基的合金合金总称。主要总称。主要合金元素合金元素有有铜铜、硅硅、镁镁、锌锌、锰锰，次要合金元素有，次要合金元素有镍镍、铁铁、钛钛、铬铬、锂锂等。等。 铝合金具有铝合金具有良好的结合性能良好的结合性能，较高的断裂韧性较高的断裂韧性较强较强的的阻止阻止在在纤维断裂纤维断裂或劈裂处的或劈裂处的裂纹扩展

17、裂纹扩展能力；较强的能力；较强的抗腐蚀抗腐蚀性，较性，较高的强度高的强度等。等。 26铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢钢，塑性塑性好，可加工成各种好，可加工成各种型材型材，具有优良的，具有优良的导电性导电性、导热导热性性和抗蚀性，和抗蚀性，工业工业上广泛使用，使用量仅次于钢。上广泛使用，使用量仅次于钢。铝合金分两大类：铝合金分两大类：铸造铝合金铸造铝合金，在铸态下使用；，在铸态下使用；变变形铝合金形铝合金，能承受压力加工，能承受压力加工，力学性能力学性能高于铸态。此外高于铸态。此外还有还有焊接铝焊接铝及及烧结铝烧结铝等。等。 可加工成各种形

18、态、规格的铝合金材。主要用于制可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用门窗等。造航空器材、日常生活用品、建筑用门窗等。 27热压罐热压罐网球拍网球拍2829 三、铝基复合材料的制造三、铝基复合材料的制造 制造过程可分为三个阶段：制造过程可分为三个阶段：纤维排列纤维排列、复合材料组分的、复合材料组分的组组装压合装压合和和零件层压零件层压。 大多数硼大多数硼铝复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。铝复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。制造工艺就是把树脂粘合的或者是等离子喷涂的条带预制品再制造工艺就是把树脂粘合的或者是等离子喷涂的条带预制品再经过热压扩散结合

19、。经过热压扩散结合。30四、铝基复合材料的二次加工四、铝基复合材料的二次加工 二次加工是指对基本的复合材料型件如平板、梁二次加工是指对基本的复合材料型件如平板、梁和管等所进行的加工，包括和管等所进行的加工，包括成型成型、连接连接、机械加工机械加工和和热处理热处理等工艺过程。等工艺过程。成型：成型：纤维室温拉伸时具有完全弹性的应力纤维室温拉伸时具有完全弹性的应力- -应变特性，没有应变特性，没有塑性延伸；塑性延伸；硬而脆；硬而脆；铝基体在低温低应力下产生蠕变变形；铝基体在低温低应力下产生蠕变变形；软而延；软而延；纤维对材料的成型产生严重束缚。纤维对材料的成型产生严重束缚。31连连 接：接： 硼硼

20、铝复合材料的连接技术是铝复合材料的连接技术是基于铝的连接而并基于铝的连接而并不考虑硼同硼连接不考虑硼同硼连接。 其目的是想要得到高剪切强度的基体连接而不使复合其目的是想要得到高剪切强度的基体连接而不使复合材料的机械性能降低。因为铝的连接是一种很成熟的工艺。材料的机械性能降低。因为铝的连接是一种很成熟的工艺。焊接：焊接： 钎焊、无钎焊等。钎焊、无钎焊等。尽量降低热影响区域；退火；尽量降低热影响区域；退火；32机械加工机械加工 由于硼纤维硬度高由于硼纤维硬度高( (莫氏硬度为莫氏硬度为9)9)。硼。硼铝复合材料铝复合材料的机械加工比较困难。的机械加工比较困难。 然而对单层件来说，板金剪切技术就可以

21、胜任。然而对单层件来说，板金剪切技术就可以胜任。 拉伸试样的加工问题通常采用拉伸试样的加工问题通常采用砂轮切割砂轮切割或或电加工电加工的方的方法来解决。法来解决。 热处理热处理 可以通过可以通过淬火淬火和和时效时效等热处理手段来提高机械性能。等热处理手段来提高机械性能。 33五、机械性能五、机械性能1弹性模量弹性模量 表表6-5 硼纤维与铝基体的弹性常数硼纤维与铝基体的弹性常数纵向弹性模量：纵向弹性模量：E11=EF.VF+EM.VM横向则复杂的多；横向则复杂的多；皆随温度的增加而降低。皆随温度的增加而降低。34 2强度及应力强度及应力应变特性应变特性 (1)轴向拉伸轴向拉伸 硼硼铝复合材料的

22、轴向拉伸特性取决于铝复合材料的轴向拉伸特性取决于增强纤维的性增强纤维的性能能和复合材料的和复合材料的纤维含量纤维含量。（图。（图6.7-6.10） (2)横向拉伸横向拉伸 所有硼所有硼铝复合材料的横向拉伸特性可以根据断口的铝复合材料的横向拉伸特性可以根据断口的形貌分为三种常见的类型。形貌分为三种常见的类型。第一类复合材料断裂的特征是断口全为第一类复合材料断裂的特征是断口全为基体破裂基体破裂；第二类断口则同时含有第二类断口则同时含有基体破裂基体破裂和和纵向纤维劈裂纵向纤维劈裂；第三类断口的典型情况是第三类断口的典型情况是基体破裂基体破裂和和纤维纤维基体界面破裂基体界面破裂。35 (3) 蠕变及持

23、久强度蠕变及持久强度 硼具有很好的抗蠕变性能；硼具有很好的抗蠕变性能；500500以下，单向增强硼以下，单向增强硼- -铝复合材料的轴向蠕变铝复合材料的轴向蠕变和持久强度超过所有的工程合金。和持久强度超过所有的工程合金。 (4) 缺口拉伸强度和断裂韧性缺口拉伸强度和断裂韧性 有限应变能力的有限应变能力的类脆性材料类脆性材料；缺口不敏感缺口不敏感和和断裂韧性断裂韧性；36金属基应用之一：燃气涡轮发动机叶片；金属基应用之一：燃气涡轮发动机叶片；铝基和铝合金基体比较容易制造，但低温；铝基和铝合金基体比较容易制造，但低温；高温合金基体：镍、钴和铁基材料。高温合金基体：镍、钴和铁基材料。增强体：高强和高

24、稳定性（氧化物、碳化物、硼化物和难增强体：高强和高稳定性（氧化物、碳化物、硼化物和难熔金属等）熔金属等）37蓝宝石晶须和蓝宝石杆蓝宝石晶须和蓝宝石杆高强；高强；图图6-176-17：强度随尺寸减小而增大；因为表面缺陷减少；：强度随尺寸减小而增大；因为表面缺陷减少；小直径的晶须容易制备，因此优先选用；小直径的晶须容易制备，因此优先选用；为改善润湿性，需表面涂层；为改善润湿性，需表面涂层；细晶须的表面涂层必须薄，也容易融化；细晶须的表面涂层必须薄，也容易融化；蓝宝石杆价格昂贵，单个制备。不实用，但必不可少；蓝宝石杆价格昂贵，单个制备。不实用，但必不可少；38镍镍-蓝宝石反应蓝宝石反应高温时发生反应

25、；高温时发生反应；强度对反应很敏感；强度对反应很敏感；涂层保护（钨）；涂层保护（钨）；镍基复合材料的制备镍基复合材料的制备扩散结合：将纤维夹在金属板之间进行加热。扩散结合：将纤维夹在金属板之间进行加热。39钛：钛：原子量：原子量：47.8；核内质子数：核内质子数：22；银灰色金属银灰色金属 ；具有金属光泽，有延展性；密度具有金属光泽，有延展性；密度4.5克克/厘米厘米3；熔点；熔点166010；沸；沸点点3287；化合价；化合价+2、+3和和+4；电离能为；电离能为6.82电子伏特；电子伏特；钛的主要特点是密度小，机械强度大，容易加工。钛的主要特点是密度小，机械强度大，容易加工。钛的塑性主要依

26、赖于纯度。钛越纯，塑性越大。有良好的抗腐蚀钛的塑性主要依赖于纯度。钛越纯，塑性越大。有良好的抗腐蚀性能，不受大气和海水的影响。性能，不受大气和海水的影响。在常温下，不会被稀盐酸、稀硫酸、硝酸或稀碱溶液所腐蚀；只在常温下，不会被稀盐酸、稀硫酸、硝酸或稀碱溶液所腐蚀；只有氢氟酸、热的浓盐酸、浓硫酸等才可对它作用。有氢氟酸、热的浓盐酸、浓硫酸等才可对它作用。 40优点：优点：使用温度高：使用温度高：600650 ；抗拉强度：抗拉强度：1500MPa缺点：缺点：高温易于和增强体发生化学反应。高温易于和增强体发生化学反应。41相容性问题：相容性问题：Ti-6Al-4V合金与硼纤维发生反应。合金与硼纤维发生反应。符合线性混合法则。符合线性混合法则。可能产生新的裂纹源。可能产生新的裂纹源。裂纹的影响程度又取决于反应层的厚度。裂纹的影响程度又取决于反应层的厚度。解决相容性问题的方法：解决相容性问题的方法：（1）最大限度减小裂纹的高速工艺：）最大限度减小裂纹的高速工艺：1000 ，12s，50nm；（2）最大限度减小裂纹的低温工艺：）最大限度减小裂纹的低温工艺：830 ，15min；（3）研制低活性的基体；）研制低活性的基体；（4）研制最大限度减少反应的涂层；）研制最大限度减少反应的涂层；（