材料科学7第七章金属基复合材料的性能课件

1、第7章 金属基复合材料的性能 江苏大学 材料科学与工程学院2022/7/271 现代科学技术的发展对材料性能的要求越来越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的发展，使得单一材料难以满足实际工程的要求，这促进了金属基复合材料的迅猛发展。与传统金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度、比刚度，耐磨损.与树脂基复合材料相比，金属基复合材料具有优良的导电、导热性，高温性能好，可焊接.123与陶瓷材料相比，金属基复合材料具有高韧性和高冲击性能、线胀系数小等优点.2022/7/2727.1金属基复合材料的性能简介几种典型的金属基复合材料的力学性能列于表7-1中。金属基复合材料中所用的增强物的力学性能

2、都很高、且密度低，因此它们的比强度和比模量高。图7-1和图7-2中分别示出了金属基复合材料的比强度和比模量与温度的关系。图7-3表示出了常见金属基复合材料热膨胀系数。2022/7/27310190807001.79960kevlarSuperhybrid3090807402.15960s-glassSuperhybrid602201208603.04860GrifiticSuperhybrid-18011002.436602040AlG (142m)-1407603.436502034AlG (81.3m)40303108235.34250NickelG T 75-2407905.29550N

3、ickelG T 75-1207705.28735PbG T 75-1904501.79942MgG T 7514034023014803.73738TiB4C on C1003401008403.79620AlSiC Whisker21052026012103.93135TiSiC140(140)23014802.934506061AlSiC140(140)21011703.59850201AlFP-2402906.09039CuG T 75-2007207.47441AlG T 7519046022012703.68145TiBorsic16014023013802.491506061Al

4、B on W.142-m-3005101.82733AZ31MGG HM Pitch-3206302.436416061AlG HM Pitch40701605502.43630201AlG GY7030302106602.38034201AlG GY70-1601120-49201AlG T5030501706202.38030201AlG T50模量GPa拉伸强度MPa模量GPa拉伸强度MPa横向纵向密度g/cm3增强体体积分数vol%基体纤维表7-1 金属基复合材料的典型力学性能2022/7/274图7-1复合材料的比强度与温度的关系图7-2复合材料的比模量与温度的关系2022/7/27

5、5图7-3复合材料的热膨胀系数2022/7/276 7.2颗粒增强金属基复合材料 7.2.1颗粒增强铝基复合材料 增强体颗粒加入到铝合金后，引起基体合金微观结构的变化，同时使合金的性能发生改变。1 弹性模量2 强度3 导热性能4 热膨胀性能5 高温力学性能表7-2中给出一些颗粒增强铝基复合材料的力学性能数据。2022/7/277复合材料0.2/MPab/MPa / E/GPa 制造商Al2O3/6061Al 10% (T6) 15% (T6) 20% (T6) 296 319 359 338 359 379 7.5 5.4 2.181 8798Duralcan, AlcanSiCp/6061A

6、l 10% (T6) 15% (T6) 20% (T6) 405 420 430 460 500 515 7.0 5.0 4.098105115DWADWADWAAl2O3/4042Al 10% (T6) 15% (T6) 20% (T6) 483 476 483 517 503 503 3.3 2.3 1.08492101Duralcan, AlcanSiCp/2024Al 10% (T6) 15% (T6) 20% (T6) 400 490 405 610 630 5605724 3 100 105 BritishPetroleumDWASiCp/7075Al 15% (T651) 556

7、 601 2 95Cospray, AlcanSiCp/7079Al 15% (T6) 598 643 2 90Cospray, AlcanSiCp/7079Al 20% (T6) 665 735 105 DWA表7-2 颗粒增强铝基复合材料的力学性能2022/7/278(1) 弹性模量增强体的加入，使复合材料的弹性模量（E）显著提高。影响复合材料弹性模量的因素主要有增强体种类、含量、长径比、定向排布程度和基体合金种类以及热处理状态等。表7-2所示，随着增强体颗粒的加入及体积分数增大，弹性模量大致呈线性关系提高。2022/7/279图7-4说明SiC颗粒和晶须增强不同铝合金基复合材料所产生的强

8、化效果与基体强度密切相关，强度低的基体对颗粒或晶须的增强效果明显。图7-4 不同铝基复合材料的室温拉伸强度(2) 强度2022/7/2710相对于基体合金具有更高的耐热性是复合材料的又一重要特点。图7-5和图7-6分别为40%（体积分数）AlNp/6061 Al复合材料和不同合金基复合材料的高温拉伸性能。图7-5 AlNp/6061Al复合材料以及基体合金的高温强度2022/7/2711图7-6 复合材料的拉伸强度与温度之间的关系曲线2022/7/2712(3) 导热性 传统的Invar和Kovar系列合金、Mo合金、W合金等由于电阻、热阻或密度较大的原因，都难以满足现代航空航天电子封装集成材

9、料的要求。而目前大部分电子封装材料主要采用Al2O3陶瓷，SiC陶瓷和AlN陶瓷，前两种材料的热导率较低且密度较高，后者成型较为困难。表7-3显示了部分传统材料和目前使用的电子封装材料的热导率和热膨胀性能。图7-9为SiCp/A1复合材料的热导率和线胀系数与SiC体积分数的关系，可见通过适当条件可以获得不同的热导率与线胀系数匹配，以满足不同的电子元器件的要求。2022/7/2713材料AlNBeOAl2O3WSiCInvarSiMoKovar线胀系数/10-6K-14.76.78.34.53.80.44.15.05.9热导率/W.(m.k)-125025020174701113.514017表

10、7-3 部分材料的热导率和热膨胀性能2022/7/2714(4) 热膨胀性能性能AB2Cr13电镀Ni线胀系数/10-6K-19.712.49.312.1热导率/W.(m.K)-112712324.98.0弹性模量/GPa1451172.912002.0密度/g.cm-32.917.87.75表7-4 SiCP/Al复合材料与常规材料力学性能的比较注:A用于精密仪器的金属基复合材料，6061-T6,40%SiCP(体积分数)；B用于光学仪器的金属基复合材料，2124-T6，30% SiCp(体积分数).2022/7/2715图7-7中SiCP/2024Al复合材料线胀系数与SiC颗粒体积分数的

11、关系.这表明复合材料的线胀系数在一定范围可调，因此，SiCP/Al复合材料在光学仪表和航空电子元件领域具有较好的应用前景。 图7-7 SiCp/Al性能与SiC体积的关系2022/7/2716(5) 高温力学性能 表7-5给出了SiCP/A356复合材料的高温性能由表中可见SiC颗粒体积分数增加,复合材料的高温性能提高,当体积分数为20%时,复合材料在200左右的强度仍与铝基合金室温强度相当。温度/拉伸强度/MPa0% SiC10%SiC15%SiC20%SiC2226230333135214916525528329620410322124824826076131145152316286976

12、76表7-5 SiCP/A356复合材料高温性能2022/7/27177.2.2 颗粒增强镁基复合材料 SiCP/Mg复合材料的性能见表7-6。由表7-6可见在同一温度下，随着增强颗粒的加入及其体积含量的增加，复合材料的屈服强度、拉伸强度、弹性模量都有所提高，伸长率则有所下降。但对于同一含量增强相而言，随着温度的升高，屈服强度、拉伸强度、弹性模量都有所降低，伸长率有所提高，说明温度对这种材料的性能有较大的影响。另外，对铸态复合材料进行压延，可使其力学性能大大提高，压延之所以能达到这种效果是由于经过压延陶瓷颗粒增强相在基体内分布更加均匀，消除了气孔、缩松等缺陷。2022/7/2718表7-6 S

13、iCpMg复合材料不同温度的力学性能材料温度0.2MPabMPa%EGPa15.1% SiCpAZ9121207.9235.91.153.919.6% SiCpAZ9121212.1231.00.757.425.4% SiCpAZ9121231.7245.00.765.125.4% SiCpAZ91177159.6176.41.556.025.4% SiCpAZ9126053.268.63.6-20% SiCpAZ9125+压延251.0336.05.779.02022/7/2719宝马方向盘2022/7/2720镁合金摩托车车轮镁合金汽车车轮2022/7/2721笔记本电脑外壳2022/7/

14、27227.2.3 颗粒增强锌基复合材料 SiCP/Zn复合材料的性能见表7-7。由表7-7可见随着SiC颗粒体积分数的增加， SiCP/ZA27复合材料的弹性模量及硬度均有所提高，拉伸强度降低，这可能是因为ZA27基体塑性差所致，但是对于SiCPZA22复合材料而言拉伸强度却有一个峰值，可能是由于位错密度升高导致的结果。材料b/MPa/%E/GPaHBS10% SiCP/ZA27396092121.020% SiCP/ZA273300110159.05% SiCP/ZA224853.696101.010% SiCP/ZA225182.8105116.520% SiCP/ZA224800131

15、121.6表7-7 SiCP/Zn复合材料的性能2022/7/2723 将ZA27合金在坩埚中熔化,并在600保温,随后在熔体表面加入SiC颗粒,用高能超声处理6090s,得到熔体-颗粒悬浮液,并在金属型中浇注成形，得到SiCp/ZA27复合材料。 图7-10为SiC增强体在相同的颗粒粒径(7m)条件下,颗粒的体积分数对复合材料力学性能的影响。2022/7/2724图7-8 SiCp(7m)/ZA27的室温性能与SiC体积分数的关系 2022/7/2725 选用粒度约为10m的SiC颗粒作为增强相，基体材料是ZA27合金，其成分为(质量分数，下同)Al为25%28%,Cu为1.25%1.75%

16、,Mg为0.01%0.15%。用挤压浸渗法制备SiCp/ZA27复合材料，预制块和模具预热温度为650，浸渗压力为9.0MPa。室温磨损试验在国产MM200磨损试验机上进行，摩擦副为40Cr钢。表7-8为复合材料的磨损结果。从表中可以看出，复合材料中由于增强相颗粒的加入，ZA27合金的耐磨性提高了77.85倍。随着SiC颗粒含量的增加，ZA27合金的耐磨性进一步提高，当SiC颗粒含量质量分数达30%时，耐磨性提高了126.5倍。 表7-8 SiCp/ZA27复合材料的磨损结果2022/7/27267.2.4 颗粒增强铜基复合材料TiB2-Cu基复合材料和TiB2陶瓷材料的力学性能如表7-9所示

17、。由表可见，由于金属Cu的加入，TiB2-Cu基复合材料的致密度、弯曲强度和断裂韧性均大幅度提高。材料密度/g.cm-3致密度/%硬度HRA弯曲强度/MPa断裂韧性/MPa.m1/2TiB2-Cu5.41796.176.55838.32TiB24.1391.482424.84.71表7-9 TiB2-Cu基复合材料的力学性能2022/7/2727采用内氧化工艺制备了质量分数为0.89%铜基复合材料，其增强体Al2O3的质量分数为0.89%，其增强体比例与用机械合金化工艺的相当。复合材料经烧结、挤压和冷拔后的综合性能列于表7-10，复合材料加工率与强度的关系、复合材料硬度与退火温度的关系分别示于

18、图7-9和图7-10。2022/7/2728工艺方法质量分数%试验温度bMPa0.2MPa%HRB相对电导率(LACS)/%机械合金化法0.9254054006.560844271821566-内氧化法0.8925565545128578.834275254708-表7-10 Al2O3/Cu复合材料的力学及电学性能2022/7/2729 图7-9 复合材料加工率与强度的关系图7-10 复合材料硬度与退火温度的关系2022/7/27307.2.5 颗粒增强钛基复合材料钛基复合材料比钛合金具有更高的比强度、比刚度、抗高温性能等，使其成为先进飞行器和航空发动机的候选材料，而成本较低的颗粒增强钛基复

19、合材料在广泛的民用领域则有着巨大的应用市场。表7-11列出了钛合金和颗粒增强钛基复合材料的机械性能。表7-11 颗粒增强钛基复合材料的室温拉伸性能2022/7/2731图7-13为TiC颗粒增强钛基复合材料（TP-650）在不同试验温度下的强度与延伸率关系曲线。图7-11 TP-650复合材料在不同试验温度下的强度与延伸率关系曲线2022/7/27321）SiCW/Al复合材料的弹性模量SiC晶须的加入，可以明显提高复合材料的弹性模量和强度。表7-12给出了采用粉末冶金法制备的SiCw/Al复合材料的室温拉伸性能。 7.3 晶须增强金属基复合材料7.3.1 晶须增强铝基复合材料2022/7/2

20、733材 料热处理工艺E/GPa0.2/MPab/MPa/%nPM54568Vol% SiCw/545620Vol% SiCw/54568Vol% SiCp/545620Vol% SiCp/5456淬火淬火淬火淬火淬火71881198110625927538025332443350363545955223721570.010.050.130.070.11PM2124PM2124PM2124PM2124T4T6T8退火73697275414400428110587566587214181723190.020.010.010.108Vol% SiCw/21248Vol% SiCw/21248Vol

21、% SiCw/21248Vol% SiCw/2124T4T6T8退火97959490407393511145669642662324989100.010.090.020.2520Vol% SiCw/212420Vol% SiCw/212420Vol% SiCw/212420Vol% SiCw/2124T4T6T8退火13012812812849749771822189088089750432320.120.140.040.408Vol% SiCp/21248Vol% SiCp/2124T4T89187368475-20Vol% SiCp/212420Vol% SiCp/2124T4T81101

22、10435573-表7-12 SiCw/Al复合材料的拉伸性能2022/7/27342）SiCw/Al复合材料的强度 SiCw/Al复合材料的强度与晶须体积分数、晶须排列与分布、界面状态、基体合金种类以及热处理状态等因素有关.虽然SiCw/Al复合材料的比例极限与铝合金相近甚至要低于铝合金的比例极限，但其屈服与拉伸强度要远高于相应的铝合金。 有关SiCw/Al复合材料的强度理论研究较多，最简单的为混合定则，但其理论值与实际强度值差异很大，主要原因为混合定律并未考虑进诸如增强体形状、空间分布等组织有关的因素。此外，对于SiCw/Al复合材料，混合定律的等应变假设也不成立，由此模型预报的流变应力与

23、弹性模量通常是正确值的上限。2022/7/27353）断裂韧性 关于SiC晶须或颗粒增强铝基复合材料断裂行为的研究涉及的断裂形式有拉伸断裂、压缩断裂、弯曲断裂、疲劳断裂、蠕变、应力腐蚀断裂等诸种，其中有关拉伸断裂、疲劳断裂的研究占绝大部分，而后者的内容又为复合材料疲劳研究的重点。2022/7/2736材料晶须含量(体积分数)/%制备方法状态断裂应变/%SiCw/1100Al202828SQPMSQ-443.7SiCw/6061Al151718202020222530PMSQPMPMPMSQ+EXTRSQPMPMT6T6T6T6T6T6T6T6T63.63.52.82.32.23.52.851.

24、91.5-1.8SiCw/2024Al2020PMPMT6T62.0-2.52.4SiCw/2124Al202020152013.230PMPMPMPMPMPMPMT4T6T8T6T6T6T63233.73.04.01.4-1.8SiCw/7075Al17.52030PMPMPMT6T6T62.83.41.2-1.5SiCw/5456Al20PMQuenched2表7-13 SiCw/Al复合材料室温拉伸的断裂应变2022/7/2737(1) SiCw/Al复合材料的断裂特怔 断裂应变小、断裂韧性低 是SiCw/Al复合材料断裂的显著特征，也是目前限制该种材 料推广应用的主要障碍。SiCw/A

25、l复合材料的断裂在宏观上 表现为脆性断裂，而微观上则表现出韧窝塑性断裂的特 征。(2) SiCw/Al复合材料的断裂应变与断裂韧性 SiCw/Al复合 材料通常具有较低的塑性。表7-13给出了以不同铝合金 为基体的复合材料的拉伸断裂应变，可见对于晶须体积 分数Vf为15%30%的SiCw/Al复合材料，其最大断裂应变 b只有3%左右，并且基体合金的种类和增强体含量的变 化（上述Vf范围内）对b的影响不大。 研究表明，SiCw/Al复合材料的断裂韧性明显低于相应的基体合金。2022/7/2738 目前对SiCw/Al复合材料断裂韧性的测定还没有标准化，其中一个主要的原因是预制裂纹的加工比较困难，

26、而产生疲劳裂纹的门槛值Ka较高，裂纹萌生后又迅速扩展难以控制。很多研究参考金属材料的标准如ASTM399平面断裂韧性的测试方法及ASTM813J积分的测量方法测试中大都采用紧凑拉伸试样，在试样加工时通过计算机控制缺口试样底部的曲率半径来解决预制裂纹的加工问题。根据SiC/Al复合材料的性质，许多工作研究测试复合材料裂纹萌生断裂韧性，也有人研究裂纹长大过程中复合材料的断裂韧性，但主要是针对颗粒增强的复合材料。 2022/7/2739 SiCw/Al复合材料的断裂韧性受到晶须体积分数及分散程度、基体合金的种类及其微观结构、SiCw-Al界面性质、时效处理工艺等因素的影响。试验表明，提高晶须的体积分

27、数、晶须分散不均匀、增大SiC粒子的尺寸，界面产生析出物或结合强度过高、基体合金的韧性差均可导致复合材料断裂韧性的降低。2022/7/2740表7-14给出了热处理工艺对20%SiC/6061Al复合材料断裂韧性的影响。材料状态断裂韧性K1C/MPa.m1/2备注SiCw/6061Al制造态T6真空除气真空除气+T619.523.418.922.4测试前不进行任何热处理527固溶1h水淬、177时效8h500真空保温48h先真空除气然后T6处理6061AlT636.8527固溶1h水淬、177时效8h表7-14 热处理工艺对SiCw6061Al复合材料断裂韧性的影响 综上所述，应通过控制SiC

28、晶须的分布、改善基体的韧性、净化基体以及热加工等手段提高SiCw/Al复合材料的断裂韧性。2022/7/27417.3.2 晶须增强镁基复合材料的性能 表7-15为采用不同粘结剂的压铸态SiCW/AZ91镁基复合材料的拉伸性能.与基体合金AZ91相比, SiCW/AZ91的屈服强度、拉伸强度和弹性模量均大大提高,而伸长率下降。材料Vf/%0.2/MPab/MPa伸长率/%E/GPaAZ9101022056.0046SiCW/AZ91(酸性磷酸铝粘结剂)212403701.1286SiCW/AZ91(硅胶粘结剂)212363320.8280SiCW/AZ91222233251.0881表7-15

29、 采用不同粘结剂的SiCW/AZ91镁基复合材料的拉伸性能2022/7/2742 图7-14为采用硅胶粘结剂与采用酸性磷酸铝粘结剂的SiCW/AZ91镁基复合材料中，复合材料铸锭不同部位沿压铸方向的拉伸强度。在采用硅胶粘结剂的复合材料中,不仅拉伸强度较低，而且强度分散性较大，复合材料靠近表面部分的强度要高于心部强度。而采用酸性磷酸铝粘结剂的复合材料的强度分布比较均匀，虽然边界部的强度稍高。 图7-14 采用不同粘结剂的SiCw/AZ91镁基复合材料铸锭不同部位的拉伸强度2022/7/2743 表7-16为采用酸性磷酸铝粘结剂的SiCw/AZ9l复合材料与SiCw/6061Al复合材料性能的比较

30、，采用流体静力法测得SiCw/AZ91复合材料的密度为2.08g/cm3，仅为SiCw/6061Al复合材料密度的74%，虽然其强度、弹性横量比SiCw/6061Al低，但其比弹性模量比SiCw/6061Al高，比强度也与之相当。材料Vf/%/g.cm-3E/GPa0.2/MPab/MPa(E/)/103m(/)/103m伸长率/%SiCwAZ9l(酸性磷酸铝粘结剂)202.08862403704.1917.91.1SiC6061A202.801103005003.8317.92.5表7-16 SiCw/AZ9l与SiCw/6061Al复合材料的拉伸性能 2022/7/2744 大量的研究表明

31、，对AZ91镁合金，其最佳的人工时效温度为175，对镁合金和SiCw/AZ9l复合材料进行了175时效处理，图7-13是AZ9l镁合金和采用酸性磷酸铝粘结剂的SiCw/AZ91镁基复合材料在175时效的时效硬化曲线。图7-13 AZ91镁合金及SiCw/AZ91镁基复合材料在175下的时效硬化2022/7/2745 表7-17是SiCw/AZ91镁基复合材料在不同热处理状态下的拉伸性能。固溶处理明显提高了复合材料的断裂应变量：峰时效处理（T6）显著提高了SiCw/AZ9l复合材料的强度，但是其断裂应变显著降低，这与复合材料的时效析出有关，峰时效时，SiCw/AZ9l镁基复合材料中存在两种时效析

32、出相：晶体内的片层状析出相以及SiCw-AZ91界面处的胞状析出相，这两种析出相均为Mg17Al12。性能条件HV0.2/MPab/MPaE/GPa伸长率/%铸态178240370861.12淬火态175220355851.40T6(175,40h)202-398920.62表7-17 SiCw/AZ9l在不同热处理状态下的拉伸性能2022/7/27467.4 短纤维增强金属基复合材料7.4.1 短纤维增强铝基复合材料 20世纪80年代初，日本Toyota公司和Art Metal公司利用挤压铸造技术制备了氧化铝短纤维局部增强AC8A铝活塞，使活塞环槽区的耐磨性能明显改善；AC8A铝合金用Vf=

33、5%7%的氧化铝短纤维增强后，其耐磨性比高镍奥氏体铸铁高70%。2022/7/2747 用挤压铸造法制备Al2O3短纤维增强铝基复合材料，用英国Saffil短纤维作为增强体，分别用Al25.5Mg、Al25.3Cu、ZL109等合金作为基体材料，用10%的硅溶胶水溶液作为粘结剂。纤维体积分数分别选用8%、15%、20%。 挤压铸造的工艺参数：预制件预热700，压力150MPa，保压时间45s，浇注温度730760。表7-18为Al2O3短纤维增强铝基复合材料室温拉伸性能。2022/7/2748表7-18 Al2O3 短纤维增强铝基复合材料室温拉伸性能2022/7/2749 采用压力浸渗法制备了

34、硅酸铝（Al2O3-SiO2）短纤维增强ZL109复合材料。其中硅酸铝短纤维的直径为3-5m，长度为50-250m。对该复合材料进行拉伸和压缩性能测试，实验结果如表7-19所示。表7-19 硅酸铝短纤维ZL109复合材料的力学性能2022/7/2750 该复合材料在不同温度下的拉伸断裂强度、延伸率的测量结果如表7-20。从表中可以看出，随着拉伸温度的升高，复合材料的延伸率增加，塑性提高。在高温下，复合材料的强度随纤维体积分数的增加而增加，高温性能良好。当纤维的含量为30%时，300时的断裂强度仍有214MPa，相当于基体合金的两倍以上。表7-20 不同温度下复合材料的断裂强度、延伸率2022/

35、7/2751 将经过预处理的硅酸铝短纤维增强体加入适量的有机粘结剂放入模具中，用压铸设备将其压制成具有一定高度和空隙率的预制件，并将预制件连同模具一起预热，然后采用挤压铸造法把熔炼好的ZL109合金液渗入预制件中，获得硅酸铝短纤维体积分数为32%的复合材料。图7-16是复合材料在200经不同时间时效后在干摩擦条件下的磨损曲线。图7-14 复合材料经200不同时间时效后的磨损曲线2022/7/27527.4.2 短纤维增强锌基复合材料 表7-21为锌合金与锌基复合材料的拉伸强度。由表可以看出，复合材料的常温拉伸强度比基体合金略有下降。试样ZA27ZA4-3Al2O3/ZA27Al2O3/ZA4-

36、3拉伸强度/MPa319272.6281.14290.8表7-21 锌合金与锌基复合材料的拉伸强度锌合金与锌基复合材料的压缩强度见表7-22。试样ZA27ZA4-3Al2O3/ZA27Al2O3/ZA4-3压缩强度/MPa453.6443.6639.2604.6表7-22 锌合金与锌基复合材料的压缩强度2022/7/2753 锌合金与锌基复合材料的的硬度见图7-15。由图可以看出，随着温度升高，复合材料和基体的硬度均降低。但在同一温度下，复合材料硬度明显高于基体合金。 图7-15 ZA合金与Al2O3f/ZA27复合材料硬度的比较2022/7/2754 锌合金与锌基复合材料的线胀系数列于表7-

37、23。由表可见，向金属基体中加入线胀系数较小的短纤维可以降低材料的线胀系数。试样T0-150T0-250T0-350/10-6K-1/10-6K-1/10-6K-1ZA27480048740049.341100044Al2O3/ZA27220020480022.86780025.16表 7-23 ZA27与Al2O3/ZA27线胀系数2022/7/2755 7.4.5 短纤维增强镁基复合材料 未增强镁合金的性能在100150以上便显著降低。加入增强体可显著改进基体合金的高温性能。 复合材料的高温性能与基体合金的种类有关。对压铸20%SaffilAl2O3短纤维增强CPMg、AZ9l和QE22镁

38、基复合材料，基体合金对镁基复合材料的高温性能有显著影响，如图7-16所示。图7-16 Al2O3 纤维增强不 同镁基复合材料的拉伸强度与温度的关系 2022/7/2756 7.5 长纤维增强金属基复合材料 连续纤维增强金属基复合材料的比强度、比模量均比未加增强体的基体材料显著提高，延伸率明显下降，高温强度明显提高，断裂韧性有所降低，当界面结合好时，金属基复合材料的疲劳性能较好。纤维增强金属基复合材料的典型性能如表7-24所示。复合材料纤维体积分数/%密度/gcm-3max（方向）/MPaE/GPaB/AlSiC/AlSiC/Ti-6Al-4VFP-Al2O3/Al-Li505050503535

39、60602.652.652.842.843.863.863.453.451500(0)140(90)250(0)105(90)1750(0)410(90)690(0)172207(90)210150310-300-262152表7-24 单向纤维增强金属基复合材料的性能2022/7/2757 影响纤维增强金属基复合材料力学性能的因素有基体种类、纤维种类、纤维横截面形状、纤维体积分数、纤维取向、界面结合状态、制备工艺等。图7-17反映硼纤维在不同取向下、体积分数为10%时、增强镁基复合材料的应力-应变曲线。图7-17 不同纤维取向的B(10%)/Mg复合材料的应力-应变曲线2022/7/2758

40、 图7-18示出FP-Al2O3/增强铝锂合金（A1-Li）复合材料的弹性模量和屈服强度与纤维体积分数的关系。复合材料的弹性模量和屈服强度均随纤维体积分数的增加而增加。轴向弹性模量和屈服强度比横向增加得更快。图7-18 FP-Al2O3/A1-Li复合材料的弹性模量和屈服强度与纤维体积分数的关系2022/7/2759图7-19示出SiC纤维增强铝复合材料的高温性能和作为比较的基体铝的高温性能。图7-19 SiCf/Al复合材料及铝的高温性能2022/7/2760SiC/Al复合材料的高温力学性能示于表7-25。复合材料制备工艺试验温度/弹性模量/GPa拉伸强度/MPa断裂强度/%6%SiCf/

41、Al-4.5Cu10%SiCf/Al-4.5Cu20%SiCf/Al606120%SiCf/Al6061液态模锻液态模锻PM+挤压PM+挤压2502502004509010411923961091632514.76-表7-25 SiC/Al复合材料的高温力学性能2022/7/2761表7-26示出硼纤维直径大小、纤维相对于载荷轴的取向和铺层方式对B/Al-1100复合材料断裂能和断裂韧性的影响。纤维直径/m断裂能/KJm-2铺层方式断裂韧性KIC/MPam1/2100140200901502003000900/9010034.160.963.1表7-26纤维直径和铺层方式对B/Al-1100复

42、合材料断裂能和断裂韧性的影响2022/7/27627.5.1 碳纤维增强铝基复合材料 碳纤维增强铝基复合材料具有密度小，比强度、比模量高，导电导热性好，高温强度及高温下尺寸稳定性好等优点，在许多领域特别是航天航空领域得到广泛应用。 表7-27为碳纤维增强铝基复合材料力学性能，该复合材料具有高强度和高模量，其密度小于铝合金，模量却比铝合金高24倍，因此用复合材料制成的构件具有重量轻、刚性好、可用最小的壁厚做成结构稳定的构件，提高设备容量和装载能力，可用于航天飞机、人造卫星、高性能飞机等方面。2022/7/2763纤 维基 体纤维含量Vf/%密 度/g.cm-3拉伸强度/MPa模 量/GPa碳纤维

43、T50201铝合金302.38633169碳纤维T300201铝合金402.321050148沥青碳纤维6061铝合金412.44633320碳纤维HT5056铝合金352.34800120碳纤维HM5056铝合金352.38600170表7-27 碳纤堆增强铝基复合材料力学性能2022/7/2764 图7-20是复合材料与铝合金的高温性能.在复合材料中纤维是主要承载体,纤维在高温下仍保持很高的强度和模量,因此纤维增强金属基复合材料的强度和模量能保持到较高温度,这对航天航空构件、发动机零件等十分有利。 图7-20 铝合金与铝基复合材料的高温性能2022/7/27657.5.2 碳纤维增强银基复

44、合材料 电触头材料要求具有良好的导电性，抗熔焊与耐磨损(电磨损、机械磨损)等性能。这类材料主要是以银为基体的复合材料。通常采用粉末冶金法把具备良好导电性、化学稳定性的组成(银)与高熔点、抗磨的组成配制并经烧结而成。如银-石墨、银-钨、银-氧化锌等都是常用的触头材料。 碳纤维不仅强度与弹性模量高，并且具备一定的导电导热性。采用碳纤 维作为触头材料的一个增强组成，通过正确选用复合工艺，同时提高触头的电性能与力学性能，使用寿命可大大延长。2022/7/2766 表7-28为银触头材料的物理性能。银-碳纤维3其含银量与银-石墨5相等。在电阻率相同情况下，硬度却高得多。与银-氧化锌相比，两者硬度相等，但

45、银-碳纤维3电阻率却较小。名 称牌 号密 度/g.cm-3硬 度HV电阻率/.cm备 注银-碳纤维3CAgCF38.9880842.51-银-碳纤维5CAgCF78.2472802.83-银-碳纤维7CAgCF77.8265753.28-银-石墨5PCAgC58.625403.2普通型银-石墨5QCAgC5Q8.630352.4挤压型银-氧化锌Ag-ZnO9.6831003.8- 表7-28 银触头材料的物理性能2022/7/2767 表7-29为银-碳纤维3与银-石墨5的电寿命试验结果，配对的动触头都采用银-氧化锌，从表中可见，银-碳纤维3的电磨损远小于银-石墨5。触头材料通断试验/次数磨损

46、量/g备 注动触头 银-氧化锌2700-静触头 银-石墨5P静触头磨光普通型动触头 银-氧化锌12000-静触头 银-石墨5Q0.09挤压型动触头 银-氧化锌12000-静触头 银-碳纤维30.011-表7-29 银触头材料电磨损性能2022/7/2768 7.5.3 碳纤维增强铜基复合材料 碳纤维-铜复合材料由于既有铜的良好的导电、导热性能，又有碳纤维的自润滑，抗磨、低的线胀系数等特点，从而应用于滑动电触头材料、电刷、电力半导体支撑电极、集成电路散热板等方面。例如集成电路装置的绝热板(Al2O3)里面固定着散热板，一般用高传导材料制造(银、铜)，但其与绝热板的线胀系数差别大，易弯曲，使绝热板

47、断裂。可通过调节碳纤维含量、分布方式，使碳纤维-铜复合材料的线胀系数接近Al2O3，制成绝热板就不易断裂。2022/7/2769 图7-23为碳纤维-铜复合材料线胀系数随纤维含量、分布方式的变化情况，可见复合材料线胀系数可在较大范围内调节。 图7-23 CF-Cu复合材料热膨胀系数2022/7/2770 表7-30为实验条件下沉积8 h所获得纤维/Cu基复合材料的拉伸强度及相关文献报道的数据。 复合材料/%Vf/%b/MPaCuf/Cu9530432Cf/Cu9745455Cf/Cu98.560581Cf/Cu9532(55)410(490)Cf/Cu9555630-680表7-30 纤维增强

48、铜基复合材料的拉伸强度2022/7/27717.5.4碳纤维增强铅基复合材料 金属铅具有密度大，抗辐照，耐强酸腐蚀等特性，有比较广泛的用途，如工业中的铅酸蓄电池。但铅的力学性能偏低(纯铅b=25 MPa)，在应用上受到限制，有时不得不加大尺寸、增加重量，浪费了很多材料。自从纤维强化复合材料出现以来，引起人们的注意，如碳纤维的强度是纯铅的100倍，而密度只有铅的1/7，采用碳纤维增强纯铅可充分发挥碳纤维的强化作用。如采用碳纤维铅复合材料制造蓄电池的板栅，其拉伸强度比普通板栅提高1.5倍，重量减轻35%以上，容量增加15%，提高了蓄电池的性能. 2022/7/27727.5.5 碳化硅纤维增强钛基

49、复合材料 欧洲的一些科技工作者已经研究了连续SiC纤维钛合金基体涂层，发展了用于制备SiC纤维基体合金涂层的等离子喷涂装置。他们在试验中选择的是 Ti -6Al-4V合金。正在发展一种磁喷射系统是用于制备SiC纤维的IMl834基体合金涂层。他们发现，在700C时，界面反应区有非常小的生长，以及SiC纤维原始的c涂层厚度测量不到什么变化，如图7-24所示。该复合材料在700C下经过大于900h处理，其强度保持不变。 图7-22 IMI-834合金喷涂的SiC纤维复合材料叶片断裂面2022/7/27737.5.6金属间化合物基复合材料 至今，在纤维增强金属间化合物基复合材料中，仅粉末布法制造工艺

50、较为成热，这里仅以此法生产的钛铝金属间化合物基复合材料为例分析其力学性能。 不同温度下SiC纤维、Ti3Al-Nb基体，SiC/Ti3Al-Nb及用混合法则计算的SiC/Ti3Al-Nb的强度值如图7-23所示。图7-23 SiC、Ti3Al+Nb、SiC/Ti3Al+Nb的强度-温度曲线及根据合法则的计算值2022/7/2774 利用粉末布法，箔叠法和等离子喷涂法制造的SiC/Ti-24Al-11Nb复合材料的拉伸强度与温度的关系如图7-24所示。图7-24 由不同方法制造的SiC/Ti-24Al-11Nb复合材料纵向拉伸强度的比较2022/7/2775 在不同温度下，SiC/Ti-24A1

51、-11Nb复合材料的典型应力-应变曲线如图7-27所示。 图7-27 SiC/Ti-24Al-11Nb复合材料的典型应力-应变曲线2022/7/2776 在图7-26所示23oC 、815oC 典型的应力-应变曲线中，复合材料在第、阶段的模量为E1和E2。复合材料的弹性极限c1，第阶段模量为Et。图7-26 SiC/Ti-24Al-11Nb复合材料应力-应变曲线所显示的性能参数2022/7/2777 Ti-24Al-11Nb基体和SiC/Ti-24AI-11Nb复合材料的弹性极限e1如图7-27所示。复合材料的e1是恒定值567MPa，在所有温度条件下均不改变，但随着温度的增加，SiC/Ti-

52、24Al-11Nb的e1值却直线下降。 图7-27 SiC/Ti-24Al-11Nb复合材料及基体在不同温度下的弹性模量2022/7/27787.6 内生增强金属基复合材料7.6.1 内生增强铝基复合材料 对Al-CuO体系，以Al-Mg合金为基体，采用液态搅拌法制备了基体为2017合金的颗粒增强金属基复合材料。图7-28为拉伸性能和硬度测试结果。从图7-28加中可以看出，加入10%CuO的复合材料拉伸强度较高，平均达到297MPa，比基体提高了53%。而其他两种情况下，拉伸强度还低于基体。这也与所得的材料的组织相吻合，即材料中的Al2O3含量高，其相应的强度也就大。从图7-28中可以看出三种

53、复合材料的硬度都很高，说明高熔点硬质相Al2O3的存在是产生此种结果的直接原因。2022/7/2779图7-28 CuO加入量不同的复合材料的拉伸强度与布氏硬度2022/7/2780 对Al-TiO2-KBF4反应体系，采用熔体直接反应法制备了TiB2/Al复合材料。在生成的复合材料中，TiB2颗粒细小，且均匀地分布在铝基体上。TiB2/Al复合材料的拉伸性能如表7-31所示。表7-31 熔体反应法制备的TiB2/Al复合材料力学性能2022/7/2781 采用不同内生合成方法制备的TiB2/Al复合材料的力学性能如表7-32。从中可以看出，TiB2的生成使铝的弹性模量、抗拉强度和屈服强度均有

54、较大幅度地提高。表7-32 不同合成技术制备的TiB2/Al复合材料力学性能2022/7/2782 对Al-ZrOCl2体系，采用熔体反应法制备了(Al3Zr+Al2O3)p /A356复合材料。原位生成的Al3Zr和Al2O3均为多面体粒状，且Al3Zr表面存在生长小面；随ZrOCl2加入量的增加，复合材料凝固组织中增强颗粒分数增大，同时颗粒分布更均匀。表7-33为（Al3Zr+Al2O3）p/A356铸态复合材料的拉伸性能。表7-33 （Al3Zr+Al2O3）p/A356铸态复合材料的拉伸性能2022/7/2783 对Al-Zr(CO3)2原位反应体系，采用熔体反应法制备了(Al3Zr

55、+Al2O3)p/Al复合材料。原位反应生成的颗粒为Al3Zr和Al2O3，颗粒细小并均匀分布在基体中。图7-32为(Al3Zr+Al2O3)p/Al复合材料的室温拉伸性能与Zr(CO3)2加入量的关系。图7-32 (Al3Zr+Al2O3)p/Al复合材料的室温拉伸性能与Zr(CO3)2加入量的关系2022/7/2784 对Al-Zr(CO3)2-KBF4体系，通过熔体反应法合成了新型颗粒增强铝基复合材料。复合材料的力学性能随反应物质量分数的变化情况如图7-33所示。图7-33 Al-Zr(CO3)2-KBF4体系生成的复合材料力学性能随反应物质量分数的变化2022/7/2785 在A359

56、-Zr(CO3)2体系，原位反应合成了(Al2O3+Al3Zr)p/ A359颗粒增强铝基复合材料，在制备过程中施加低频交变电磁场进行搅拌以提高复合材料的耐磨性能。该复合材料的干滑动摩擦磨损试验结果分别如图7-34和图7-35。 图7-34为磨损量与外加载荷的关系曲线。 图7-35为磨损量与摩擦时间的关系曲线。 结果表明：复合材料的耐摩擦性比纯基体合金明显提高，施加电磁搅拌后复合材料的耐摩擦性进一步提高，特别是在较大载荷下的耐摩擦性大幅提高，从轻微磨损到急剧磨损的临界转变载荷由58.8N提高到78.8N。2022/7/2786图7-34 磨损量与外加载荷的关系曲线 图7-35 磨损量与摩擦时间

57、的关系曲线 2022/7/27877.6.2 TiB2/Ti-Al复合材料 利用XD工艺生产TiB2/Ti-Al复合材料的研究表明，利用XD工艺在Ti-Al基体中引入弥散分布的TiB2颗粒，使其拉伸强度得到改善，而其他性能并未降低，表7-34列出了该复合材料两种状态的拉伸性能。 状态208000.2/MPab/MPa伸长率/%0.2/MPab/MPa伸长率%挤压态793044871011热处理7938600.542760020表7-34 TiB2/Ti-45Al复合材料的拉伸性能2022/7/2788 表7-35是800、900条件下，不同状态下Ti-47A1基体和XD法制造的6%（体积分数）

58、TiB2/Ti-47Al复合材料的持久寿命。表7-35 Ti-Al基体及其复合材料的持久寿命合金/加工状态温度/应力/MPa持久寿命/hTi-47Al（锻造态）9006975.46Vol%TiB2/Ti-47Al（锻造态）9006935.36%(体积分数) TiB2/Ti-Al（锻造+1200/50h热处理）90069276.4Ti-Al47（锻造态）800138171.1 6Vol%TiB2/Ti-Al47（锻造态）90013882.76Vol%TiB2/Ti-Al47（锻造+1200/50h热处理）800138588.22022/7/2789 图7-36给出在1473K合成温度和不同压力下，复合材料中TiC平均晶粒尺寸的交化关系，实验结果符合上述趋势。图7-36 复合材料中TiC平均晶粒尺寸与合成压力的关系2022/7/2790 通过测量显微硬度研究了高温高压方法原位合成复合材料的力学性能。图7-37给出复合材料的显微