复合材料学之六

金属基复合材料的特性1碳纤维增强金属碳纤维主要作为耐热、轻型结构材料的增强纤维，所以对铝、镁基复合材料研究较多，研究认为：只要不和碳纤维相互溶解或形成碳化物的金属都可以作为金属基体。碳纤维与Ni、Co等反应性较弱，与Al反应，为防止纤维被反应恶化，使其充分润湿并得到良好的结合强度，要对碳纤维表面涂覆。碳纤维与Cu不反应，其复合材料具有良好的导电性和导热性，适宜作轻质高弹高强度的电器材料。以Al为基体与碳纤维复合作为结构材料始终受到注目。这是由于碳纤维即使在Al熔点以上的高温作短时间保持时，其强度也不会降低，具有良好的相容性。但是，碳纤维与Al的润湿性不好，在550℃以上碳纤维会和铝液发生反应，在碳纤维表面生成Al4C3，这种碳化物呈楔状垂直于碳纤维而降低碳纤维的强度。对于制造和高温使用都不利。为防止反应，应对碳纤维进行表面处理。把碳纤维用Na等处理改善润湿性，用低温熔浸法作成Al－Si预浸线后，排列好，用热压法制造出C/Al－Si复合材料，具有良好的性能，其最大强与复合准则的理论值接近。

对于高强度和高模量两种碳纤维来说，高模量碳纤维由于表面活性度低而难以与Al反应，且沥青系碳纤维很容易石墨化，所以用沥青系高模量碳纤维制A造C／AI复合材料较好。对碳纤维用5056Al合金等离子喷镀后，用真空热压法制造出C／AI复合材抖，其强在450℃的温度下也不下降，在550℃下才稍有下降。用同样方法做出的PAN系高强碳纤维和Al－5％Mg的复合材料，抗拉强度在427℃也不下降。用等离子喷镀对碳纤维镀AI，然后再轧成C／Al复合材料，如果预成形带中碳纤维列均匀整齐，可达到复合准则理论值70％～80％的强度。

碳纤维与Mg几乎不发生界面反应，适于用液相法大量生产。2硼纤维增强金属硼纤维和很多金属都容易反应，只是Al、Mg及其合金反应较弱，因此它们适合于作硼纤维增强的基休金属，其中研究较多的是Al合金，其次是Mg合金及Ti合金。

B/Al复合材料可用熔浸法和热压法制造，一般多用热压法或热等静压法制造。

B／AI复合材料的性能与制造方法及制造工艺很有关系。当用熔浸法制造时，其金属液的温度越高所得到的复合材料性能就越差，这是由于硼纤维与Al反应加剧所致。用热压法制造时，在低温低压的工艺条件下，基体本身或纤维与基体间不能有效地结合；高温时会因纤维与基体间反应加剧而性能恶化，高压又会使纤维损伤而影响性能，因此必须控制好工艺参数。制造得最好的B／Al复合材料是当Vf＝0.7时，强度达2GPa。

B／AI复合材料的性能有方向性，纤维垂直方向的弹性模量相对较高，抗拉强度也比基材大，经T6处理后横向抗拉强度可提高1倍以上，因而方向性减小。B／AI复合材料的疲劳强度在600MPa以上，当温度超过623K以上疲劳强度才下降，在590K以下几乎不产生蠕变。碳化硅纤维增强金属SiC纤维比强度、比模量高，高温时也保持高强度，是具有耐热性、耐氧化性的纤维，它和金属的反应性小，润湿性好，容易制造FRM。

用CVD法以W丝或C纤维为芯制造的SiC纤维，直径达100～140m，但其做成的复合材料异向性比硼纤维增强材料还明显，且价格昂贵，故应用甚少。用半固化带和Al板热压法制出的SiC/Al单向增强复合板，当Vf在35％以下时是符合复合准则的，如图6－30所示。SiC/Al合金复合材料的强度与温空的关系如图6－31所示。当Vf＝0．3时，其抗弯强度和抗拉强度分别为硬铝的1．8和1．3倍。将其作为结构材料可比原来的材料重量减轻40％，且其高温性能好，在673K的高温下抗拉强度及抗弯强度也不下降。由图6－32可知，SiC/Al合金的弯曲疲劳强度仅比铝合金高。SiC纤维及其增强Al的特性如表6－7所示。Al2O3纤维增强金属Al2O3纤维增强金属可用预成形体热压法、真空铸造法、液态模锻法等制造。对于与金属液几乎不润湿－Al2O3纤维，可用CVD法涂覆Ti－B；还可以使纤维通过Na浴浸上Na后，接着进入金属液做成预浸线。在Al合金中加入2％的Li，使Li与纤维反应便于与Al润湿。与其它纤维增强金属相比，氧化铝纤维增强金属有以下特点。1）高温的强度和弹性模量大，在500℃的高温也稳定。

2）由于氧化铝的绝缘性，不产生电化学腐蚀。金属纤维增强金属金属纤维由于其密度大，用其增强轻金属（Al、Mg、Ti）时，其比强度、比模量要比陶瓷纤维增强的低。因此，W纤维、Mo纤维及不锈钢纤维主要用于增强Ni合金和FeCrAlY等高熔点合金。用W纤维增强Al合金，当Vf为0.25时可以得到1000MPa的抗拉强度，但其密度接近4g/cm3。用W纤维增强Al、Cu等多用作实验研究材料，作为结构材料实用的还不多。用金属纤维作为FRM虽有密度大的缺点，但可以用它来弥补其它FRM不足之处，作混杂复合材料。如硼纤维增强金属的横向强度低，故可以在横向加入不锈钢纤维。另外，金属纤维还可以用来弥补陶瓷纤维增强金属断裂韧性不足等缺点。日本本田技研工业于1986年用液态挤压铸造法制出了不锈钢纤维集中增强Al合金轿车连杆，如图6-33所示。与以前生产的连仟比较，在保持同等的强度和刚性的条件下，重量减轻30％。晶须增强金属

晶须增强金属的试验最初采用的是Al2O3晶须，但由于其成本高，而且要使晶须在金属基体中均匀分布较困难，因而发展得不快。当美国用稻壳作成廉价的SiC晶须后，引起了晶须增强金属研究的发展，将SiC与2024Al合金用熔浸法制成晶须随机分布的预成形体，在480（土50）℃的温度条件下挤压加工得到的SiC/Al合金复合材料，其抗拉强度、屈服强度在200℃时都不降低，弹性模量到300℃时也几乎不变。SiC/6061Al合金T6处理复合材料与T6处理的6061Al合金比较如表6－9所示。机械性能SiC/6061Al合金（T6）6061Al合金（T6）抗拉强度屈服强度弹性模量切变模量415～585380～415103～13134～433102756926用高压凝固铸造法制造的SIC/Al最大抗拉强度与Vf的