金属基复合材料的部分应用-李丰

课程：金属基复合材料教师：崔岩教授组员：李丰、刘园园班级：机研-14主讲：李丰金属基复合材料的应用汽车工业的应用and其他工业的应用0102金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇目录其他工业的应用篇1、内燃机方面2、制动系统3、传动系统4、其他应用1、电力行业2、体育用品3、电子和光学仪器4、其他领域汽车工业应用金属基复合材料的应用金属基复合材料用于汽车工业主要是颗粒增强和短纤维增强的铝基、镁基、钛合金等有色合金基复合材料。由于铝合金、镁合金等是传统的轻质材料，随着汽车轻量化进程的不断推进和科学技术的日益进步，将来在汽车工业中采用铝合金、镁合金的要求越来越高，要求其具有良好的耐磨、抗腐蚀、耐热和尺寸稳定性，并且要求质量更轻，强度、刚度更高。金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·内燃机方面活塞01、活塞是汽车发动机中传递能量的一个非常重要的构件02、工作条件：高温高压及高应力状态，并与活塞环、气缸壁之间不断产生摩擦，润滑条件不充分，工作条件极其恶劣。03、传统材料：铝硅合金/铸铁活塞环活塞活塞销金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·内燃机方面活塞04、随着发动机向大功率、高速度、低能耗的方向发展,对活塞材料提出了越来越高的要求。日本丰田汽车公司5%氧化铝短纤维局部增强铝合金活塞质轻，耐磨性好（磨损减少1/5），高温强度高，热稳定性和导热性好，寿命提高。（与铝合金活塞相比）美国的活塞制造厂家陶瓷纤维增强镶环重量减轻，满足性能要求，可消除由于热循环应力，塑性变形和蠕变引起的热疲劳裂纹，提高发动机效率。（与高镍铸铁镶环活塞相比）日本马自达多孔性镍泡沫体增强SL3.5L直喷式涡轮增压柴油机活塞的第一道环槽部分发动机功率提高了10%，磨损减少了20%，重量减轻10%。（与镶奥氏体铸铁圈活塞相比）美国AtlanticRichfield公司真空热压碳化硅颗粒或晶须增强的铝基复合材料活塞耐热性，耐磨性和强度非常好（装机试车试验）活塞镶环部分应用实例金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·内燃机方面活塞1986年日本丰田汽车公司生产的陶瓷纤维增强复合材料月产量可达28000多件，年产量相当于35万件，并在市场上已知公开销售这种活塞。日本Art金属制造公司于1986年投产了一条缸径在200mm以下的发动机复合材料活塞专用生产线，当年月产量10万只，供应丰田公司，并努力向世界范围扩展。市场供应日本丰田汽车丰田汽车活塞配件金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·内燃机方面缸体及缸套01、用MMC生产内燃式发动机缸体具有很大的技术意义,因为这一部件的世界年销售量很大,MMC用于这一部件的突破预示它作为大工业主体材料时代的到来。02、性能要求：由于气缸承受高温载荷，需要具备抗磨损、耐擦伤、耐疲劳和抗蠕变等各种性能。发动机缸体发动机缸套金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·内燃机方面缸体及缸套03、实验表明采用含量为10%~20%氧化铝或碳化硅非连续增强铝基复合材料涂层制造缸套，可减少质量3~4.5Kg，并可提高发动机工作效率，改善热传导，提高缸体刚性和尺寸稳定性，减少摩擦。

铸铁发动机气缸体/套金属基复合材料气缸体/套

发展历程过共晶铝硅合金气缸体/套铝合金气缸体，铸铁气缸套（重量减轻许多）（生产率低而生产成本高）（缸体内径部位得到增强）金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·内燃机方面缸体及缸套日本本田公司12%氧化铝短纤维和9%碳纤维增强的铝基MMC（16气门、排量2L的Preluda发动机缸体）减少质量，提高耐磨性，提高发动机输出功率，降低油耗。（与铸铁缸套的铝缸体相比）初代的本田Prelude的1.8L排量的EK型发动机日本本田气缸体金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·内燃机方面01、连杆是发动机的运动件,减轻其重量就能降低发动机噪声和振动;减小其摩擦损失,发动机燃油消耗率就能得到改善。发动机活塞连杆连杆金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·内燃机方面美国杜邦公司与克莱斯勒公司碳化硅纤维增强铝锂合金基汽车连杆密度小，强度好，膨胀系数低，其刚度、强度和疲劳极限都能够满足高性能汽车的材质要求，且使用这种连杆可以提高发动机的效率。日本本田研究开发中心不锈钢增强铁基合金连杆质量减少30%，应用于家庭轿车上，提高了发动机功率和燃油经济性。日本丰田汽车和美国杜邦公司连续氧化铝纤维增强复合材料连杆（应用到FX-1实验赛车上）比刚连杆重量减轻1/3，而且还可提高燃油利用率，减少发动机的震动，是发动机具有更快的反应特性。日本Mazda公司氧化铝/铝合金复合材料连杆重量轻，比钢质连杆轻35%，抗拉强度和疲劳强度高，分别为560MPa和392MPa。而且线性膨胀系数小，可满足两岸工作时性能要求。丰田86漂移赛车发动机连杆金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·内燃机方面摇臂01、轿车发动机中的摇臂是主要的运动部件之一，因此减小它的质量对节省燃油，提高燃油效率，减少排放具有非常积极的意义，它的头部要求有良好的耐磨性。发动机摇臂金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·内燃机方面摇臂02、日本采用铝合金上镶嵌硬质合金头的技术，与钢摇臂相比，既减小了质量，也满足了耐磨的要求。而采用铝基复合材料摇臂，质量将更小，优异的耐磨性能可提高摇臂的工作效率和工作寿命，较小的质量可使摇臂的运动惯性减小，节省了燃油，提高了发动机的燃油效率，降低了排放。发动机摇臂金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·内燃机方面摇臂03、典型的金属基复合材料——硬质合金硬质合金是指以一种或几种难熔碳化物（如碳化钨、碳化钛等）的粉末为主要成分，加人起粘结作用的金属钴粉末，用粉末冶金法制得的材料。

04、硬质合金的性能特点硬质合金硬度极高，高于任何一种钢，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。脆性大。金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·内燃机方面摇臂硬质合金刀具金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·制动系统制动盘01、制动盘一直都是用铸铁或锻钢制造的,铸铁耐磨性好、热稳定性高,但密度很大,而对于制动盘往往希望能减小其质量,当然减小质量的同时还必须具有很高的耐磨性,轻合金材料(如铝合金)显然是无法胜任的,也就使得用铝基MMC作替代材料非常具有吸引力。制动盘金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·制动系统制动盘1995年福特和丰田公司开始使用Duralcan公司铸造的20%SiC颗粒增强铝基MMC制动盘研究表明,将非连续增强铝基复合材料(DRA)用于制动盘,可以减小质量50%~60%,铸铁制动盘约5.4Kg，而DRA制动盘只有2.5Kg，减少了惯性力，提高了燃料效率，提高了加速度，缩短了制动距离。用359/20%（体积百分比）SiCp铝基复合材料制成的制动盘，制动试验和5000Km试车证明DRA制动盘还可降低噪声，磨损不大于铸铁制动盘，且由于DRA制动盘有极好的导热性，因此，它能使摩擦面上的热量很快失散。美国FORD公司研制成制动盘产品，所用材料为20%(体积分数)SiCp/A356，批量用于高级轿车(LincolnTownCar)的后轮上Lotus公司将铝基复合材料应用于Elise(一种低排量运动轿车)的前后轮制动盘上Lanxide公司生产的颗粒增强铝基复合材料汽车制动盘已于1996年投入生产德国、日本等研制的铝基复合材料高速列车制动盘，已在火车、地铁、城郊列车等线路上应用LotusElise跑车金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·制动系统制动盘制动盘性能对比C/C复合材料作为刹车盘02、我国中南大学的黄伯云院士制备C/C复合材料已经应用了刹车盘。金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·传动系统离合器/传动轴01、汽车靠离合器摩擦盘来传递动力,离合器的使用寿命,主要取决于从动盘摩擦片的耐磨性,铝基复合材料的耐磨性,导热性好,可用它来做离合器摩擦片。02、汽车传动轴是由管材制造的,它将动力传递到减速器,工作时要求有极高的动力稳定性和抗扭曲能力,发生动力学不稳定的临界转速w取决于轴尺寸和管材的刚度和密度。离合器传动轴金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·传动系统离合器/传动轴标致公司用碳纤维来增加传动轴的刚性福特和Ibdge

Vam公司利用20%~30%的碳化硅增强铝基材料达到以上同样效果。Dural公司用搅拌熔铸法制备高刚度的氧化铝增强铝基复合材料，与钢传动轴相比，不稳定临界速度提高14%03、MMCs管材由MMSc铸锭无缝接挤压法制造。金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·其他应用其他应用01、MMC用于制造汽车零件的实例还有很多,例如用石墨纤维增强的MMC制造推杆、缸盖、凸轮轴支架、进气门、弹簧座、活塞环等多种汽车零件。石墨-铝基MMC在中等载荷和油润滑条件下可以代替铜基和锡基轴承合金制作轴承,其质量减小,耐磨性又好。可以预期,今后MMC在汽车生产中的应用范围一定会不断扩大。轴承缸盖弹簧座其他工业应用金属基复合材料的应用金属基复合材料还用于制造高尔夫球杆头,自行车链轮以及医疗上的假肢等等。近年来,金属基复合材料在电力行业、体育用品、电子与光学仪器及其他领域均有应用，其应用范围将不断扩大，在未来一段时间内将有显著的发展趋势。高尔夫球杆自行车链轮金属基复合材料的应用其他工业的应用篇·电力行业电力行业01、为支撑传统的高架输电用钢芯铝绞线的质量,需要造昂贵的输电塔,这促使人们开发高强、低密度导线。据报道,3M公司开发的氧化铝纤维增强铝基MMCs(Al/Saffil)导线,用于取代现有铝绞线的钢芯,经测试比强度提高2~3倍,电导提高4倍,热膨胀降低一半,腐蚀性也降低。虽然新型MMCs导线的价格较贵,但是可以降低建造支撑塔成本的15%~20%,并且可以提高输电能力并降低电耗。02、法国的EDF公司和美国的3M公司联合研制的一种新型纤维增强铝基复合材料导线，因其导电性好，环境适应性好，耐腐蚀特点在电力传输方面应用前景良好。电线金属基复合材料的应用其他工业的应用篇·电力行业电力行业Saffil纤维增强铝基输电线缆（a）、输电塔（b）各种输电导线金属基复合材料的应用其他工业的应用篇·体育用品体育用品01、自从1979年第一个碳纤维复合材料网球拍在台湾诞生以来,几乎所有的体育器件(如钓鱼杆、高尔夫球杆、自行车、滑雪板)都在更换材料,即采用高强度、高模量又低密度的复合材料代替原先的木材和金属材料。加拿大的lAcan公司已用碳化硅颗粒增强铝基复合材料成功地制造了高尔夫球杆试制品以及网球拍等高级体育用品。滑雪板钓鱼竿金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·体育用品02、Duralcan公司己研制的碳化硅铝基复合材料,己用来制造自行车链齿轮,此种自行车链齿轮重量轻(只有127克)、刚度高、不易挠曲变形,性能明显优于铝合金链齿轮,现己广泛用于越野自行车赛车上。越野自行车体育用品金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·电子和光学仪器电子和光学仪器01、铝基复合材料,特别是碳化硅增强铝基复合材料,由于具有热膨胀系数小、密度低、导热性能好等优点,适合于制造电子器材的衬装材料、散热片等电子器件。碳化硅增强的铝基复合材料作为电子封装材料己成为铝基复合材料最重要的发展方向之一,最典型的材料是颗粒(碳化硅)增强铝基复合材料,它的热膨胀系数(CTE)完全可以与电子器件材料的热膨胀相匹配,而且导电、导热性能也非常好。02、BIM公司就是利用颗粒增强铝基复合材料的上述性能优点,在MCM,器件中使用该材料封装和改进冷却系统结构,使其工作时产生的热量迅速扩散,提高了该元件的有效性。金属基复合材料的应用汽车工业的应用篇·电子和光学仪器电子和光学仪器03、在精密仪器和光学仪器的应用研究方面,国外也进行了大量的工作。美国的亚利桑那大学研制了一种超轻望远镜,其支架和副镜等也是铝基复合材料制造的。此外,惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等许多精密仪器和光学仪器,其制造材料也采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料显微镜望远镜金属基复合材料的应用其他工业的应用篇·其他领域其他领域01、MMCs的其他领域的应用涵盖制造业及基础建设领域,既包括硬质合金、电镀及烧结金刚石工具、Cu基及Ag基电触头材料等成熟市场,也包括TiC增强铁基耐磨材料、B4C增强铝基中子吸收材料等新兴市场。这些新兴市场的表现在很大程度上决定着MMCs的未来增长点。金属基复合材料的应用其他工业的应用篇·其他领域其他领域02、铁基复合材料的制备和应用是提高钢铁材料性能的重要研究方向。低密度、高刚度和高强度的增强体颗粒加入到钢铁基体中,在降低材料密度的同时,提高了它的弹性模量、硬度、耐磨性和高温性能,可应用于切削、轧制、喷丸、冲压、穿孔、拉拔、模压成型等工业领域。目前应用最多的是TiC颗粒增强铁基复合材料,例如注册商标为Ferro-TiC,Alloy-TiC和Ferro-Titanit的钢基硬质合金,用作抗磨材料和高温结构材料,性能明显优于现有的工具钢。超硬耐磨的TC增强铁基复合材料金属基复合材料的应用其他工业的应用篇·其他领域其他领域03、核能是世界各国应对能源和环境压力的必然选择。为确保安全,贮存及运输高放射性废核燃料的容器在核防护的同时还必须具有耐久可靠的机械性能。B4Cp/Al是一种新型MMCs,具有优异的中子吸收性能,是唯一可用于废核燃料贮存和运输的金属基复合材料。目前,已有BorTec,METAMIC和Talbor等多种B4Cp/Al材料获得美国核能管理委员会(NRC)核准,可以用于制造核废料贮存桶的中子吸收内胆、废燃料棒贮存水池的隔板等。B4Cp/Al用于废核燃料贮存（a）、贮存桶（b）金属基复合材料的应用其他工业的应用篇·其他领域其他领域04、美国AlloyTechnologyInternational公司开发了热等静压法制造TiC

复合材料。例如Cs-40是以含20%Cr的不锈钢为基体,掺和45%(体积)TiC的复合材料,可以用于制造标准件、阀座和机械密封件。它在油中或惰性气体下淬火,硬度达到HRC68,此类材料对食品加工所需要的环境具有良好的横向破断强度,可用作工具及承受很高的弯曲和拉伸应力的制品,最易切削加工,