工程材料学-第7章-先进复合材料-2

工程材料学_第7章-先进复合材料-2第一页，共31页。1、先进复合材料概述2、先进复合材料设计的基本原则3、先进复合材料的制备技术4、金属基复合材料及其制备5、案例6、先进复合材料发展方向第二页，共31页。第四节金属基复合材料及其制备金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度；与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能。金属基复合材料（MMC）是以金属或合金为基体，以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的非均质混合物，共同点是具有连续的金属基体。第三页，共31页。在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重要的性能要求。作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金—镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。高性能航空发动机、燃气轮机：要求有高比强度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。第四页，共31页。金属基复合材料的分类铝基复合材料镁基复合材料钛基复合材料镍基复合材料铜基复合材料基体颗粒增强金属基复合材料短纤维、晶须增强金属基复合材料长纤维强金属基复合材料层状复合材料增强体第五页，共31页。根据各种方法的基本特点，把金属基复合材料的制备工艺分为四大类：(1)固态法：扩散结合和粉末冶金；(2)液态法：铸造法、压铸法、半固态复合铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法等；(3)喷射与喷涂沉积法；(4)原位复合法：共晶合金定向凝固法、直接金属氧化法、反应自生成法。金属基复合材料的制备工艺第六页，共31页。固态法——扩散结合扩散结合是在一定温度和压力下，把均匀排布的基体箔片或（复合）先驱丝通过基体金属表面原子的相互扩散而连接在一起。。扩散结合成为一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺方法。（B/Al、SiC/Al、SiC/TiC/Al、C/Mg等复合材料零部件、管材及板材。

）扩散结合工艺中，增强纤维与基体的结合主要分为三个关键步骤：①纤维的排布；②复合材料的叠合和真空封装；③热压。第七页，共31页。8采用扩散结合方式制备金属基复合材料，工艺相对复杂，工艺参数控制要求严格，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。但扩散结合是连续纤维增强并能按照铺层要求排布的唯一可行的工艺。在扩散结合工艺中，增强纤维与基体的湿润问题容易解决，而且在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。在金属基复合材料的早期生产中大量采用扩散结合工艺。扩散结合的特点第八页，共31页。固态法——粉末冶金将金属或非金属粉末混合后压制成形，并在低于金属熔点的温度下进行烧结，利用粉末间原子扩散来使其结合的过程被称做粉末冶金工艺。

粉末冶金可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。工艺是：采用超声波或球磨等方法将金属粉末与增强体混匀，然后冷压预成型，得到复合坯件，最后通过热压烧结致密化获得复合材料成品。第九页，共31页。10

①热等静压或烧结温度低于金属熔点，由于高温引起的增强材料与金属基体的界面反应少，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的温度、压力和时间等工艺参数来控制界面反应。

②可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属粉末以任何比例混合，纤维含量最高可达75%，颗粒含量可达50%以上，这是液态法无法达到的。粉末冶金法的特点③降低增强材料与基体互相湿润及密度差的要求，使颗粒或晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中。④采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到明显改善，提高复合材料的性能。⑤金属基复合材料可通过传统的金属加工方法进行二次加工，得到所需形状的复合材料构件毛坯。第十页，共31页。液态法——压铸法在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型。

与固态法相比，液态法的工艺及设备相对简便易行，与传统金属材料的成型工艺，如铸造、压铸等方法过程相似，制备成本较低。第十一页，共31页。液态法——压铸法在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型。

与固态法相比，液态法的工艺及设备相对简便易行，与传统金属材料的成型工艺，如铸造、压铸等方法过程相似，制备成本较低。液态压铸半固态压铸第十二页，共31页。将基体金属在坩埚中熔化后，在压力作用下通过喷咀送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成所谓“雾化锥”；通过一个或多个喷咀向“雾化锥”喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在基板（收集器）上沉积，并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。喷射沉积法第十三页，共31页。①工艺流程短，工序简单，喷射沉积效率高，有利于工业化生产；②高致密度，直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的95%-98%；③属快速凝固方法，冷速可达103-106K/s，金属晶粒及组织细化，消除了宏观偏析，合金成分均匀，同时增强材料与金属液滴接触时间短，很少或没有界面反应；④具有通用性和产品多样性。工艺适于多种金属材料基体，如高、低合金钢、铝及铝合金、高温合金等。通过设计雾化器和收集器的形状和一定的机械运动，直接形成盘、棒、管和板带等接近零件实际形状的复合材料的坯料。喷射沉积法的特点第十四页，共31页。在反应自生成法中，增强材料是由加入基体中的相应元素之间的反应，或者合金熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之间反应生成的。是新近发展起来的技术，主要用于制造金属间化合物复合材料。包括Al、Ti、Fe、Cu、Pb和Ni基复合材料，还可以是TiAl、Ti3Al和NiAl等金属化合物基复合材料。增强相包括硼化物、氮化物和碳化物等，其形态可以是颗粒、片晶和杆状，还可以原位生成晶须。原位自生成法第十五页，共31页。例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉以一定比例混合成型，加热后反应生成TiB2，进而形成TiB2增强的铝基复合材料。Al+Ti+B→TiB2+Al

也可以在熔融的合金中导入参加反应的粉末或气体而生成复合材料。如在熔融的Al-Ti合金中导入载碳气体，反应生成TiC，进而形成TiC增强铝基复合材料。反应自生成法的工艺Al+Ti+C→TiC+Al第十六页，共31页。①增强相是原位形成，具有高热稳定性；②增强相的类型、形态可以选择和设计；③各种金属或金属间化合物均可作为基体；④复合材料可以采用传统金属的加工方法进行二次加工。反应自生成法的特点第十七页，共31页。常用的金属基复合材料制备工艺第十八页，共31页。金属基复合材料工艺研究内容金属基体与增强材料的结合和结合方式；金属基体/增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制；增强材料在金属基体中的分布；防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤；优化工艺参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。

第十九页，共31页。1、金属基复合材料的界面

类型1类型2类型3纤维与基体互不反应亦不溶解纤维与基体互不反应但相互溶解纤维与基体反应形成界面反应层钨丝/铜Al2O3

纤维/铜Al2O3

纤维/银硼纤维（BN表面涂层）/铝不锈钢丝/铝SiC纤维/铝硼纤维/铝硼纤维/镁镀铬的钨丝/铜碳纤维/镍钨丝/镍合金共晶体丝/同一合金钨丝/铜–钛合金碳纤维/铝（

580C）Al2O3

纤维/钛硼纤维/钛硼纤维/钛-铝SiC纤维/钛SiO2

纤维/钛机械结合浸润与溶解结合化学反应结合金属基复合材料的界面和界面设计

第二十页，共31页。在金属基复合材料中，需要在增强相和基体界面上建立一定的结合力。在不同的界面结合受载时，如结合太弱，纤维大量拔出，强度低；结合太强，纤维受损，材料脆断，既降低强度，又降低塑性。只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高塑性。2、金属基复合材料的界面结合改善增强体与基体的润湿性以及控制界面反应的速度和反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或界面层的产生，进一步进行复合材料的界面设计，是金属基复合材料界面研究的重要内容。从界面优化的观点来看，增强体与基体的在润湿后又能发生适当的界面反应，达到化学结合，有利于增强界面结合，提高复合材料的性能。

第二十一页，共31页。界面优化以及界面设计一般有以下几种途径：1增强剂的表面改性处理（1）改善增强剂的力学性能（保护层）；（2）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿层）；（3）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应（阻挡层）；（4）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数等的不同以及热应力集中等因素所造成的物理相容性差的现象（过渡层、匹配层）。常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有：PVD、CVD、电化学、溶胶-凝胶法等。第二十二页，共31页。2金属基体改性（添加微量合金元素）

在金属基体中添加某些微量合金元素以改善增强剂与基体的润湿性或有效控制界面反应。（1）控制界面反应。如在纯钛中加入合金元素Al、Mo、V、Zr等可显著减小钛合金与硼纤维的反应速度常数。（2）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制备温度和时间。如采用液态浸渗法制备铝基复料时，在铝液中加入一定量的Si元素，明显地降低了铝合金的熔点、提高了铝液的流动性，因而降低了复合材料的浸渗温度。

（3）改善增强剂与基体的润湿性。如将3%的合金元素镁作为活性元素添加到铝中后，可使液态铝的表面能下降。第二十三页，共31页。第五节常见金属基复合材料Al2O3/SiO2/Al复合材料原位自生成：Al+SiO2Al2O3+Si第二十四页，共31页。第五节常见金属基复合材料拉伸曲线Al2O3/SiO2/Al复合材料硬度第二十五页，共31页。第五节常见金属基复合材料Cu/C/Ti3SiC2/CNFs复合材料粉末冶金法制备不同石墨烯复合材料金相图第二十六页，共31页。第五节常见金属基复合材料Cu/C/Ti3SiC2/CNFs复合材料抗拉强度磨损率材料

纯铜Ti3SiC2/石墨/Cu复合材料CNTs/Ti3SiC2/石墨/Cu复合材料CNFs/Ti3SiC2/石