第一章 金属基复合材料概述

金属基复合材料主讲：周文政

152780005391物理科学与工程技术学院第一章金属基复合材料概述2物理科学与工程技术学院1.复合材料的概念与定义常规材料的优缺点：定义：采用物理或化学的方法，使两种或两种以上的材料在相态（如连续相：基体；不连续体：增强相）以性能相互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些性能，或互补其缺点，或获得新的性能（或功能）的目的。金属材料的优点：优良的延展性和可加工性。缺点：强度相对低，耐热、耐磨、耐蚀性差，如铝；陶瓷材料的优点：强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好，缺点：很脆，加工性能差。复合后利用两者的优势互补，提高性能。3物理科学与工程技术学院简单而言复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复合而成的多相材料。4物理科学与工程技术学院2.复合材料的分类与命名1．分类按用途分为结构材料（用于制造受力构件的复合材料）和功能材料（具有各种特殊性能，如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等）两类。按复合材料各成分在材料集散情况，分为三类：分散（掺和）强化型复合材料、层状（结合型）复合材料、梯度（功能型）复合材料。按基体材料类型分：金属基复合材料（MMC）（如铝基复合材料、钛基复合材料等）；聚合物基复合材料（PMC）；陶瓷基复合材料（CMC）按增强原理分为弥散增强型复合材料、晶须增强型复合材料、纤维增强型复合材料。5物理科学与工程技术学院按基体分类6物理科学与工程技术学院按增强体分类7物理科学与工程技术学院按分散状态分类8物理科学与工程技术学院9物理科学与工程技术学院复合材料的分类:复合材料按用途按基体类型按增强体种类和形状结构复合材料功能复合材料金属基复合材料非金属基复合材料纤维增强复合材料颗粒增强复合材料晶须增强复合材料总结如下:10物理科学与工程技术学院金属基复合材料聚合物基复合材料无机非金属基复合材料复合材料基体材料增强材料种类外形碳纤维复合材料玻璃纤维复合材料芳纶纤维复合材料连续纤维（短纤维）复合材料片状（粒状）材料增强复合材料11物理科学与工程技术学院3.复合材料的应用航空航天：12物理科学与工程技术学院航空航天：13物理科学与工程技术学院航空航天：飞机机翼、尾翼、垂尾、机身

波音-747型客机上使用聚合物基复合材料的部位

14物理科学与工程技术学院

B787客机(2007年7月首架飞机下线,复合材料占总质量50%,节省燃油20%)技术参数：翼展：50.3-51.8米；机长:55.5米；高度：16.5米；最大起飞总重:163000千克；巡航速度：0.85马赫（马赫=1126公里/小时）；载客量：289；最大航程：15700公里15物理科学与工程技术学院

A380客机(2007年10月,首次商业航行,复合材料占总质量25%)是目前世界上唯一采用全机身长度双层客舱,最先进、最宽敞和最高效的飞机。技术参数：翼展：79.8米；机长：73米；宽度：7.14米；最大起飞重量：560吨；巡航速度：0.89马赫；载客量：555人；最大航程：15000公里。16物理科学与工程技术学院

我国研制的ARJ21（AdvancedRegionalJet）支线客机-“翔凤”(复合材料占总质量2%)2007年12月21日下线，2008年上半年首飞；载客量70-100人;最大燃油航程：4164km.

17物理科学与工程技术学院聚合物基复合材料在导弹火箭上的应用(导弹减轻1公斤,射程增加16-20公里)18物理科学与工程技术学院交通运输：各种车身构件、车门、地板、冷藏车、座椅建筑工业：轻型房屋、建筑装饰及雕塑电子电器：层压板、电线杆、路灯灯具体育：撑杆、弓箭、赛车、滑板机械：各种配件、风机19物理科学与工程技术学院20物理科学与工程技术学院21物理科学与工程技术学院22物理科学与工程技术学院23物理科学与工程技术学院24物理科学与工程技术学院4.1玻璃纤维(20世纪20年代，生产并投入使用，美国；1950年，中国)4.增强材料25物理科学与工程技术学院4.1玻璃纤维玻璃纤维的组成玻璃纤维是由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属无定形离子结构物质。SiO2：主要组分，形成基本骨架，有高的熔点金属氧化物：（Al2O3

，CaO

，MgO

，BeO

，Na2O,K2O，B2O3）26物理科学与工程技术学院4.2碳纤维（CF）碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状碳化合物。（高强度、高模量、耐热性好、密度低）1959年美国研制人造丝碳纤维；1963年日本以沥青为原料研制出碳纤维；1964年英国，聚丙烯腈基碳纤维20世纪70年代，中国生产碳纤维（品种少，性能一般，产量低）1969年100t1985年4700t2000年20000t27物理科学与工程技术学院碳纤维的用途28物理科学与工程技术学院碳纤维的用途29物理科学与工程技术学院碳纤维的用途NH-90直升机30物理科学与工程技术学院碳纤维的用途

NH-90直升机机体结构中，绝大部分均采用复合材料整体结构，与全金属结构相比，其零件数目减少20%，重量减轻15%。

31物理科学与工程技术学院碳纤维的用途32物理科学与工程技术学院碳纤维的用途33物理科学与工程技术学院4.3芳纶纤维（KF，VF）KF是一种低密度、高强度、高模量和耐腐蚀的有机纤维，1960年美国杜邦公司发明。34物理科学与工程技术学院4.3芳纶纤维（KF，VF）35物理科学与工程技术学院4.4其它纤维硼纤维（BF）20世纪50年代末，美国开发的高性能纤维，主要用于制造树脂基和金属基复合材料。CF比BF生产工艺简单，成本低，性能相当，BF被CF替代。目前，主要用于金属基复合材料。36物理科学与工程技术学院4.4其它纤维碳化硅纤维（SiCF）1.制造方法CVD法:钨丝/碳丝沉积室烷基硅烷分解SiCF37物理科学与工程技术学院4.4其它纤维高硅氧纤维与石英纤维

由高纯二氧化硅和天然石英晶体制成的纤维。纯度99.95%，密度2.2g/cm3,直径0.7-10μm。具有耐热、耐腐蚀和柔软性。高温下强度保持率高、尺寸稳定、抗热震性、化学稳定性、透光性及电绝缘性好。用途:主要用作电绝缘材料、隔热材料和复合材料的增强体。用于制飞机雷达罩、火箭的尾喷管、空间航天器的烧蚀材料等。

38物理科学与工程技术学院4.4其它纤维超高相对分子量聚乙烯纤维（分子量300万以上）目前世界上最新的超轻、高比强度、高比模量、成本低的高性能有机纤维。1975年荷兰DSM公司发明，1990年，第一条小型生产线。39物理科学与工程技术学院4.4其它纤维超高相对分子量聚乙烯纤维40物理科学与工程技术学院4.4其它纤维玄武岩纤维（CBF）以火山岩为原料，经1500℃熔融拉丝而成的纤维。（外观为金褐色，2006年全世界产量3000吨，中国700吨，70%用于建筑工业。）41物理科学与工程技术学院5.金属基复合材料金属基复合材料：连续的金属、合金基体+增强体基体：铝基、镁基、钛基、钢基、铜基增强体：连续纤维、短纤维、晶须、颗粒纤维增强型颗粒和晶须增强型交替叠层型共晶定向凝固概念：42物理科学与工程技术学院金属基复合材料具有高强度、高模量、高韧性、高导热导电性、低膨胀系数，耐磨性好、高温强度高、表面稳定性好，能耐300-500℃或更高的温度。但造价高、密度大、制备工艺复杂，存在界面反应等缺点。性能特点：43物理科学与工程技术学院

1）高比强度、高比模量高强度、高模量、低密度的增强纤维的加入，使MMC的比强度和比模量成倍地提高。例如：铝合金的比强度为1.4×106Pa·cm3/g、比模量为2.8×108Pa·cm3/g；而石墨/铝合金的比强度为3.6×106Pa·cm3/g、比模量达到10.5×108Pa·cm3/g。44物理科学与工程技术学院

2）导热、导电性能良好的导热性可有效传热，减少构件受热后产生的温度梯度和迅速散热，这对尺寸的稳定性要求较高的构件和高集成度电子器件尤为重要。良好的导电性可防止飞行器构件产生静电聚集的问题。MMC中金属基体含量一般>60%（vf），所以仍保持金属所具有的良好导热和导电性。45物理科学与工程技术学院

3）热膨胀系数小、尺寸稳定性好MMC所用增强物如碳纤维、SiC纤维、B纤维，均具有很小的热膨胀系数，又有很高的模量，特别是高模量、超高模量石墨纤维具有负的热膨胀系数。加入适当含量增强物，并合理设计纤维铺层可使ＭＭＣ的热膨胀系数明显下降，甚至可以实现ＭＭＣ的零膨胀。46物理科学与工程技术学院４）良好的高温性能金属基体的高温性能比聚合物高很多，加上增强材料主要为无机物，在高温下具有很高的强度和模量，因此ＭＭＣ比基体金属具有更高的高温性能。例如：石墨／铝复合材料在500℃高温下，仍具有600MPa的高温强度；而铝基体在300℃强度已下降到100MPa以下。47物理科学与工程技术学院

5）耐磨性好高耐磨性材料在汽车、机械工业中具有重要应用前景。如汽车发动机、刹车盘、活塞等。ＭＭＣ中加入了硬度高、耐磨的陶瓷纤维、晶须、颗粒，具有良好的耐磨性。例如：ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比铝高出２倍以上，甚至比铸铁的耐磨性还好。48物理科学与工程技术学院

6）良好的断裂韧性和抗疲劳性能ＭＭＣ的断裂韧性和抗疲劳性能取决于纤维等增强物与金属基体的界面状态、增强物的分布以及各组分本身的特性。适中的界面结合强度既可有效地传递荷载，又能阻止裂纹的扩展，提高断裂韧性。例如：Ｃ／Ａｌ复合材料的疲劳强度与拉伸强度比约为0.7。49物理科学与工程技术学院7）不吸潮、不老化、气密性好与聚合物相比，金属性能稳定、组织致密，不会老化、分解、吸潮等，在太空中使用不会分解出低分子物质污染仪器和环境。50物理科学与工程技术学院20世纪60年代，美苏在宇宙空间开展竞争导致航空航天技术发展而产生。最早是硼纤维增强铝基复合材料的成功使用，接着是在70年代中期，碳（石墨）纤维增强铝基复合材料研制及应用取得了较大进展，其后各种不同金属基体、不同类型和增强形态的增强材料以及多种增强形式的金属基复合材料不断发展，逐渐形成了金属基复合材料体系。80年代后，为解决金属基复合材料制备成本高难以广泛应用，各种新制备技术用于颗粒和晶须增强金属基复合材料，使复合材料成本不断下降，在民用方面如汽车行业等逐步获得应用，进而促进了金属基复合材料的发展。起源与发展：51物理科学与工程技术学院现代科学技术的飞速发展，对材料的要求越来越高。对于结构材料，不单要求强度高，还要求其重量要轻，在航空航天领域尤其如此。金属基复合材料正是为了满足这些要求而诞生的。与传统的金属材料相比，它具有较高的比强度和比刚度，而相对于树脂基复合材料，它具有优良的导电性与耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有高的韧性和高的冲击性能。这些优良的性能决定了它从诞生之日起就成了新材料家族中的重要一员。52物理科学与工程技术学院下图为采用硼纤维增强铝基复合材料代替铝合金制造的航天飞机主舱体的主龙骨支柱，减轻重量达145公斤，效果显著。53物理科学与工程技术学院金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可按基体来进行、也可按增强体来进行。金属基复合材料的种类：54物理科学与工程技术学院

1．按基体分类(1)铝基复合材料(2)镍基复合树树(3)钛基复合材料55物理科学与工程技术学院这是在金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。(1)铝基复合材料56物理科学与工程技术学院在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金。这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性能需要来决定。57物理科学与工程技术学院这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。(2)镍基复合材料58物理科学与工程技术学院人们研制镍基复合材料的一个重要目的，即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的工作温度。但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。59物理科学与工程技术学院

钛比任何其它的结构材料具有更高的比强度。此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提高到超音速时，钛比铝合金显示出了更大的优越性。(3)钛基复合材料60物理科学与工程技术学院随着速度的进一步加快，还需要改变飞机的结构设计，采用更细长的机冀和其它冀型，为此需要高刚度的材料，而纤维增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求。61物理科学与工程技术学院基体和增强体的热膨胀系数

钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维，这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示。62物理科学与工程技术学院2.按增强体分类(1)颗粒增强复合材料

(2)层状复合材料(3)纤维增强复合材料63物理科学与工程技术学院(1)颗粒增强复合材料这里的颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积超过20％的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强