第13章金属基复合材科

1、第十三章 金属基复合材科金属基复合材料特性：工作温度高、横向机械性能好、层间剪切强度高、耐磨损、导电和导热、不吸湿、不老化、尺寸稳定、可采取金属加工方法等优点。金属基复合材料的应用：技术有一定难度，工艺比较复杂，价格较贵，起初仅用在要求材料比强度、比模量高，尺寸稳定和具有某些特殊性能的航天、航空等。近些年来开发了新的制造工艺和廉价的增强体(如碳化硅颗粒、陶瓷短纤维等)，金属基复合材料才开始应用于民用工业部门。第一节 金属基复合材料的类型金属基复合材料按用途分为两类：结构与功能结构根据温度分：低温、中温和高温。低温金属基复合材料：铝(合金)、镁(合金)基复合材料，最高稳定工作温度350 。中温金

2、属基复合材料：钛(合金)基复合材料，工作温度在600650以下。高温金属基复合材料：镍(合金)基复合材料，工作温度可以达到1000 。功能金属基复合材料:具有某些性能功能性质，还有一定力学性能。例如：铜与碳纤维复合材料，显著提高刚度并保持铜的优良导电性能。如将铅与碳纤维制成复合材料，既能保持铅原有的优良的电化学性能，又使强度和模量提高，不易翘曲减小蓄电他的体积。按照增强材料的种类金属基复合材料分为三类：连续纤维增强、非连续增强体增强和不同金属板的积层复合。连续纤维或长纤维增强金属基复合材料是指以高性能的纤维为增强体，金属或它们的合金为基体制成的复合材料。纤维是承受载荷的主要组元，纤维的加入大大

3、改善了材料的力学性能，也提高了耐温性能。常用于金属基复合材料的纤维：硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、以及钨丝、铅丝、不锈钢丝等金属丝。比较典型的几种金属基复合材料：硼铝、碳铝、氧化铝铝、碳(石墨)镁、硼钛、碳化硅钛、钨镍、碳(石墨)钢、碳(石墨)铅等。非连续增强体增强复合材料是由金属或合金与短纤维、晶须、颗粒复合而成的复合材料。应用：短切碳(石墨)纤维、氧化铝和硅酸铝纤维、碳化硅和氧化铝晶须、碳化硅和氧化铝颗粒。此类复合材料的力学性能虽然不及连续纤维增强金属基复合材料，但价格便宜。较常见的几种：氧化铝或硅酸铝纤维-铝、碳化硅晶须或颗粒。积层复合材料是由两层或多层不同的层板组成的材料。应用：在耐磨损

4、、抗冲击、耐腐蚀、高导热和电磁性能、强度和韧性等方面得到广泛应用，如耐冲击的装甲钢板、耐腐蚀的复合板、装饰钢板等。积层复合材料种类，可由金属与金属、金属与非金属、非金属与非金属复合而成，主要类型为金属积层复合材料。混杂复合材料是由一种增强体和两种基体或一种基体和两种增强体、或者更复杂的形式组成的。例如，在纤维增强铝基复合材料中加钛箔或薄钛板可以明显提高横向性能；将纤维与颗粒混杂制成预制件，在用真空反压法和液态模锻法制造复合材料时可保持纤维平直、分布均匀，液态金属渗透好。第二节 金属基复合材料的制造技术金属基复合材料提出了很多制造方法，为了改善液态基体对增强体的润湿性及防止或减少增强体与基体之间

5、的化学反应，有些方法要求对增强体进行预涂覆处理或在基体中添加合金元素。归纳起来有直接涂覆法、液态法和固态法三大类。 1 直接涂覆法直接涂覆法将基体直接涂于纤维上，只能制造半成品复合丝或无纬带。进行涂覆前，纤维(如碳纤维)必须脱胶和除去污染物。纤维与基体在高温下接触的时间极短，因而不必担心它们之间发生严重化学反应的危险。1.1 等离子喷涂法等离子喷除法是利用等离子弧的高温将基体熔化后喷射到作为工件的纤维上，冷却并沉积下来的一种涂覆方法，过程间歇进行。喷涂过程：将整体金属箔先固定在可以旋转的圆筒上，然后将涂好易挥发粘结剂的纤维按需要的间隔缠绕在金属箔上，再喷涂上基体金属，得到无纬带，进一步处理后制

6、成需要的型材或零件。喷涂过程的关键是得到致密的与纤维粘结良好的基体层，尽量减少整体的氧化。涂层的状态也与喷枪离纤维的距离、粉末供给速度及气氛等有关。等离子喷涂法用于工业生产，制造硼-铝无纬带，再经进一步加工制成各种型材和零件。 12 离子涂覆法离子涂覆法是物理气相沉积方法的一种。这种方法制造碳纤维增强铝基复合材料的无纬带。它实质是将铝合金制成直径为2mm的丝，经清洗后送入涂覆室内的坩埚中熔化蒸发，铝合金蒸气在氩气的辉光放电中发生部分电离，在外加电场的加速下沉积到作为阴极的碳纤维上（碳纤维在送入涂覆室前必先分开，使其厚度不超过45根纤维的直径，并在离子涂覆前先进行离子刻蚀），得到无纬带。离子涂覆

7、法过程比较复杂，作业间歇，效率低，还没有快速而有效的能使纤维分开的方法，尚未得到正式应用。1.3 电镀和化学镀法电镀和化学镀常用作增强体的表面处理。如在碳纤维上镀铜和镍。用电镀法在碳纤维上镀铜得到无纬带，再经热压后制成碳钢复合材料。1.4 化学气相混积法化学气相沉积法不直接用来制造金属基复合材料，只用作纤维的表面处理，涂上各种金属和化合物，以便改善液态基体对纤维的润湿性，防止或减少基体与纤维相互发生化学作用的程度，将有害的脆性反应产物控制在一定厚度的范围内。例如在硼纤维上涂SiC或B4C，在碳纤维上涂金属层(铬、高熔点金属等)、软碳层及化合物层(Ti-B、SiC等)，或者双重(Cr十SiC)和

8、多重(C十SiC十Si)涂层。所用的原料视涂层而异。 2 液态法 液态法是基体在液态下制造金属基复合材料的所有方法的总称。分为两大类：连续浸渍法和铸造法。2.1 连续浸渍法连续浸渍法只适用于长纤维。解决基体对纤维的润湿性以及化学相互作用，纤维进行预处理，涂上合适的涂层，或基体中添加合金元素，或两者兼施。更好地促进复合而辅以物理方法，如超声波。制造碳铝复合材料的TiB法是有代表性，图1是该法的流程简图。方法的核心用加BCl3和TiCl4对碳纤维进行预处理。 图1 TiB法流程简图这种制造方法时首先除胶，然后化学预处理。化学预处理炉和气相沉积炉的温度均控制在700。在化学气相沉积炉中碳纤维表面将发

9、生下列反应：TiCl4(v）十 2Zn(v) 2ZnCl2(v)十Ti(s) BCl3(v) 十 Ti(v) TiCl3(v)十B(s) 2BCl3(v)十4Ti(s) TiB2(s)十3TiCl(v） 上述三个反应在727的自由能分别为一15.6、一36.0和一174.5kJ。Ti-B法主要缺点是碳纤维上的涂层只能改善液态铝对碳纤维的润湿性，对化学反应的阻挡作用很微弱，涂覆处理后的纤维不能曝露于空气中，否则不能再被液铝润湿。上面几个反应的主要固态产物是TiB2，这种化合物在空气中是较稳定的。如果改善润湿性的化合物主要是由TiB2提供的，那末处理过的纤维曝露于空气中不应丧失润湿性。纤维润湿性的

10、改善主要是残留氯化物的贡献，而两种钛的低价氯化物恰恰在空气中是极不稳定的。用液态钠(或钾)和含镁的液态锡相继处理碳纤维后，再通过铝熔体，也能制得碳铝复合丝或无纬带。 2.2 铸造法铸造方法是用来制造金属基复合材料，可以铸得零件，以及铸形状复杂的零件。用铸造法制造纤维(包括长、短纤维)增强金属基复合材料时纤维须先做成预制件。常压铸造设备和工艺都较简单，产品中空隙多、质量差。真空铸造和压力铸造能明显减少材料中的孔隙，提高材料的性能。提高金属基复合材料致密度，以及去掉纤维的预处理工序，常将真空和加压联合起来使用，称之为真空压力法。(1)真空压力铸造法真空压力铸造法集真空与加压为一体，装置由两部分组成

11、，上部为抽真空、铸模及预制件的预热和冷却部分，下部为整体熔化、保温和加压部分。步骤：将预制件装入铸模后置于装置的上部，抽真空的同时进行预热，达到一定真空度和温度后将铸模放入下部盛有熔融基体金属的容器中，通入高压惰性气体施加压力，在真空和压力联合作用下，液态基体金属迅速充满预制件中的所有孔隙，然后将铸模提起到上部(或将容器放下)，迅速冷却，防止(或降低)基体金属与纤维相互发生化学作用。将模具和铸件一同从装置内取出，除去模具后便得到半成品或成品。(2)复合铸造法复合铸造是将流变铸造用于制造短纤维、颗粒、晶须增强金属复合材料的一种方法。具有代表性的是制造碳化硅颗粒铝复合材料。首先将碳化硅颗粒经清洗、

12、(表面处理)、烘干、高温真空除气后备用；将铝合金基体加温熔化，插入搅拌器，边降温边搅拌直到熔体中出现固相，投入除气预热的碳化硅颗粒，继续搅拌至铝熔体成均匀的泥浆状，升温至基体金属的液相线以上，精炼后铸锭，得到铸态碳化硅颗粒铝复合材料。用复合铸造法制造碳化硅颗粒铝复合材料时应该注意如下几个方面：碳化硅颗粒加入到基体金属中前必须脱气，将是复合材料中气孔的主要来源，气孔率是复合材料的主要质量指标之一。碳化硅颗粒需进行表面处理以增加与基体金属的结合力，从而提高复合材料的性能。碳化硅颗粒在基体中应分布均匀，不能偏聚结团，否则偏聚结团处将是材料最易破坏的薄弱环节。搅拌过程中应尽量避免空气和杂质(例如钛)的

13、混入。 2.3 液态模锻法液态模锻法是压力铸造法的变型，施加的压力远大于一般的压力铸造，通常为数十兆帕至数百兆帕；过程与横锻相似，只是基体金属处于液态。预制件应有很好的强度，在高压熔体作用下不变形，纤维保持平直，不偏聚。横具应设计得能在加压过程中保证气体畅通排出，但金属熔体却不泄出。液态模锻法适用制造多种金属基复合材料及零件，以及基体金属与纤维的高温接触时间短，不需进行预处理。设备比较简单，速度快，高质量的预制件制作较不易，制造大尺寸的复合材料及零件还较困难。 2.4 共喷法共喷法制造颗粒增强金属基复合材料实质是将熔融基体金属和颗粒从不同的喷嘴喷出，混合、凝固后得到复合材料。优点是生产效率大于

14、其他各种方法，材料的尺寸原则上不受限制。缺点是过程不易掌握，为防止基体金属的氧化必须在真空或惰性气氛中进行，复合材料的气孔率高。3 固态法固态法是指基体金属处于固态下来制造金属基复合材料的方法。3.1 扩散粘结法扩散粘结又称扩散焊接和热压，是金属基复合材料的重要制造方法。处理半成品，如复合丝和无纬带，也可以直接用来制造金属基复合材料。复合材料扩散粘结时温度的控制要求比较严格，范围也很窄。 硼铝复合材料等离子喷涂无纬带的扩散粘结是用此法处理半成品，制造板材、型材、管子及零件的典型例子。 用扩散粘结法复合碳(石墨)铝复合材料及其成品是用此法直接制造金属基复合材料的典型例子。 扩散粘结过程中只要求少

15、量的塑性变形，主要靠原于的扩散完成粘结。加压方式分为四种：模压、分步热压、热等静压和动态热压。 3.2 粉末冶金法粉末冶金法主要包括混合、压制、烧结三个过程。均匀混合是制得高质量复合材料的首要问题，压制和烧结过程通常同时完成，坯料经压力加工等方法处理后才能得到最终的型材和零件。这种方法主要用它制造非连续增强复合材料，特别是晶须和颗粒复合材料及它们的小尺寸的零件。 3.3 压力加工法压力加工时伴随有较大的塑性变形，这类方法包括轧、挤、拉、锻、模锻等。压力加工法通常只用来处理它们的半成品。加工过程的特点是处理次数多，每次的变形量小。 3.4 爆炸焊接法爆炸焊接可以制造形状复杂的零件和尺寸大的板材，

16、需要时一次作业可得多块复合扳。主要用来制造金属层合板和金属丝增强金属基复合材料，如钢丝增强铝、钢丝或钨丝增强铝、钨丝增强钛等复合材料。特点是作用时间极短，材料几乎不加热。第三节 某些金属基复合材料的基本性能1 硼铝和硼镁复合材料的性能硼纤维是用化学气相沉积法在钨丝上沉积而制得。直径有100土5和140土5m两类；它们的性能见表1，表27中列出了硼铝复合材料的各种性能。硼铝复合材料的拉伸性能明显大于基体铝，在高温时尤其显著；疲劳性能非常优异。表1 硼纤维的力学性能表2 硼/铝复合材料的室温拉伸性能注： =953mfd表3 硼/铝复合材料的室温拉伸性能厂注： =140mfd 表4 硼铝复合材料的拉

17、伸性能与加载角的关系注： =30%； =953mfVfd表5 正交铺层的硼铝复合材料的强度和模量 =953mfd表6 硼铝复合材料的线膨胀系数a表7 硼铝复合材料的拉伸性能与温度的关系注： =953m； =40% fdfV 表8 硼镁复合材料的性能 2 碳(石墨)铝和碳(石墨)镁复合材料的性能碳(石墨)纤维具有好的力学性能，用它们增强的金属基复合材料的力学性能非常优异。由于纤维性能的离散性、不同的表面顶处理涂层及多种多样的制造方法，因此复合材料的性能，特别是力学性能的变化范围很大。碳铝复合材料的性能还与纤维的长径比有关，即在长径比与拉伸强度的关系曲线上峰值。表913中给出了碳铝和碳镁复合材料的

18、性能。 表9 复合丝的性能 表10 由P1006061A1复合丝制得的管子的拉伸性能 表11 碳铝复合材料的拉伸性能注： 5060fV 表12 单向增强碳铝复合材料的室温拉伸性能表13 石墨镁铸件的性能 3 碳化硅铝和碳化硅钛复合材料的性能碳化硅纤维有两类：一类是在钨丝芯或碳丝芯上经化学气相沉积制得，为直径较粗(140m)的单丝；另一类由有机硅聚合物转变而得，为直径较细(10m)的丝束。碳化硅纤维与硼纤维和碳纤维相比，高温下不易氧化，不易与基体反应，用于更高的温度，可用液态法制造。表14和15中归纳了化学气相沉积碳化硅铝复合材料的拉伸性能和剪切性能。表14 SCS-2-6061Al的拉伸性能注

19、： 47fV 表15 SCS-2-606lAl的剪切性能注：15剪切， 47%试验温度（）剪切强度（MPa）剪切强度（MPa）室温113.140.575108.241.7-55119.841.3fV表16 SiC/Al复合材料的力学性能碳化硅钛复合材料的性能列于表17。表18也列出SiCMg复合材料的性能。由表l7可见，SiCTi复合材料的性能明显优于基体，也优于硼钛复合材料，在高温下尤其突出。480处理16h后拉伸强度和模量都有提高；905处理7h后拉伸强度有所降低，但模量仍稍有提高。表17 SCS-6-Ti复合材料的力学性能表18 铸造SCS-Mg复合材料棒的力学性能注：675热曝露处理。

20、 4 其他长纤维增强金属基复合材料的性能氧化铝铝复合材料的比强度与基体合金约同一量级，拉伸模量提高很多。含FPR氧化铝50的复合材料的模量为200GPa，高温性能和疲劳性能都很优异，在400拉伸时基本保持不变。不锈钢丝增强铝基复合材料工艺性好；但比性能不如低密度、高性能纤维增强的铝基复合材料。例如, 为50的BHC-9不锈钢丝增强的铝基复合材料KAC-1的拉伸强度为13001450MPa，弹性模量110GPa，疲劳强度350MPa，剪切强度66MPa，300和500时的拉伸强度分别为960MPa和400MPa。其他不锈钢丝增强铝基复合材料的室温和高温拉伸强度见表19和20。fV 表19 热变形

21、态钢铝复合材料的拉伸强度续表19 热变形态钢铝复合材料的拉伸强度表20 钢复合材料的高温性能AM钨丝增强金属提高基体的强度和模量、耐高温性能、好的韧性和导热性。为了提高钨丝的性能常加入Re、Hf、C等元素和化合物ThO2。基体材料除了作为高温结构材料用的超合金外，还有铜、铝和不锈钢。表21为各种钨丝及耐热合金丝的性能,表22为若干种耐热合金及其复合材料的性能。 表21 耐热合金丝的性能 续表21表22 若干种超合金及其复合材料的高温性能(1100,100h)注：831h的断裂强度。 5 增强体增强金属基复合材料的性能非连续增强体增强金属基复合材料包括晶须、短纤维和颗粒增强的金属基复合材料。表2

22、326是非连续增强体增强铝基复合材料的性能。表23 氧化铝短纤维和碳化硅晶须增强铝基复合材料的拉伸性能表24 不同温度时氧化铝短纤维和碳化硅晶须增强铝基复合材料的屈服和拉伸性能 表25 挤压后 金属基体材料性能的对比WSiC 表26 碳化硅颗粒铝复合材料的性能 续表26 碳化硅颗粒铝复合材料的性能SiC晶须的加入使复合材料的拉伸强度、屈服强度和弹性模量都有较大幅度的提高。SiC颗粒的加入也使各种性能均有提高，其中弹性模量提高的幅度较大。A12O3短纤维的加入并不提高拉伸性能，模量的增加比较显著。三种复合材料的高温性能都明显优于基体材料，耐磨性能有所改善，膨胀系数有所降低。第四节 金属基复合材料的应用硼铝复合材料特性:强度和弹性模量高、密度小、导热好、膨胀系数低、使用温度高。用作管状结构支柱，如航天飞机中机身框架和起落架转向拉杆。管子的直径为2567mm，长6091850mm，减轻质量44。其次可用作多层微片芯支架的散热冷却板材料，可以大大减轻接头的疲劳损伤，提高寿命。用来制作核废料的运输容器和储存器、移动屏蔽罩、操纵杆。硼纤维增强金属基复合材料可用于喷气发动机的风扇叶片、机耳蒙皮、结构支柱、起落架零件、自行车身