金属基复合材料

金属基复合材料课件1第一页，共七十一页，编辑于2023年，星期六随着现代科学技术的飞速发展，人们对材科的要求越来越高。在结构材料方面，不但要求强度高，还要求其重量要轻，尤其是在航空航天领域。

金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。一、金属基复合材料概述2第二页，共七十一页，编辑于2023年，星期六金属基复合材料(MMC)，这一术语包括很广的成分与结构，共同点是有连续的金属基体（包括金属间化合物基体）。目的：把基体的优越的塑性和成形性与强化体的承受载荷能力及刚性结合起来。把基体的高热传导性与强化体的低热膨胀系数结合起来。3第三页，共七十一页，编辑于2023年，星期六

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；而与树脂基复合材料相比，它又具有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能。4第四页，共七十一页，编辑于2023年，星期六金属基复合材料的例子可追溯到古文明时期。在土耳其发现的公元前7000年的铜锥子，它是经过反复拓平与锤打研制成的。在这个过程个，非金属夹杂物被拉长。弥散强化金属材料：始于1924年，Schmit关于铝／氧化铝粉末烧结，导致上世纪50及60年代的广泛研究。沉淀强化的理论开始于30年代，并在以后的几十年里得到了发展。5第五页，共七十一页，编辑于2023年，星期六金属基复合材料真正的起步是在20世纪50年代末或60年代初。美国国家航空和宇航局(NASA)成功地制备出W丝增强的Cu基复合材料，成为金属基复合材料研究和开发的标志性起点。随后，对纤维金属基复合材料的研究在20世纪60年代迅速发展起来。那时，主要的力量集中在以钨和硼纤维增强的铝和铜为基的系统。在这种复合材料里，基体的主要功能在于把载荷传递和分配给纤维。增强体的体积分数一般都很高(约40％-80％)，得出的轴向性能都很好，因而基体的组织与强度似乎是次要的。6第六页，共七十一页，编辑于2023年，星期六关于连续纤维增强的复合材料的研究在70年代里有点滑坡，主要归咎干该材料的昂贵价格和受生产制造的限制。涡轮发动机的各个部件对于高温高效性材料的不断需求，触发了对金属基复合材科特别是钛基材料的广泛兴趣的复苏。7第七页，共七十一页，编辑于2023年，星期六由于金属基复合材料具有极高的比强度、比刚度，以及高温强度，首先在航空航天上得到应用，今后也将在航空航天领域占据重要位置。随后，在汽车、体育用品等领域也得到了应用，特别是晶须增强复合材料和颗粒增强复合材料在日本的民用领域得到较好的应用。8第八页，共七十一页，编辑于2023年，星期六金属基复合材料的研究重点：1）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能；2）增强相/基体的界面优化、界面设计；3）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和降低成本；4）新型增强剂的研究开发；5）复合材料的扩大应用。9第九页，共七十一页，编辑于2023年，星期六一、金属基复合材料概述金属基复合材料的分类按增强材料分类：

颗粒、晶须增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料10第十页，共七十一页，编辑于2023年，星期六金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。

硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀11第十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期六纤维增强金属基复合材料金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中。MMC的SEM照片12第十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期六按基体材料分类：铝基复合材料镁基复合材料钛基复合材料高温合金基复合材料 金属间化合物基复合材料13第十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期六按用途分类：结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。强调具有电、热、磁等功能特性智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。

应当注意，功能复合材料和智能复合材料容易混淆。14第十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期六二、金属基复合材料的制备工艺

1、金属基复合材料制备工艺的选择原则：

1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合；

2）界面的形成机制，界面产物的控制及界面设计；

3）增强剂在基体中的均匀分布；4）制备工艺方法及参数的选择和优化；

5）制备成本的控制和降低，工业化应用的前景。15第十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期六金属基复合材料是怎么得到的？？？16第十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期六金属基复合材料制备工艺的分类：1）固态法：真空热压扩散结合、超塑性成型/扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。4）原位生长法。17第十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期六连续增强相金属基复合材料的制备工艺铝合金—固态、液态法镁合金—固态、液态法钛合金—固态法高温合金—固态法金属间化合物—固态法碳纤维硼纤维SiC纤维Al2O3纤维……18第十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期六不连续增强相金属基复合材料的制备工艺铝合金—固态、液态、原位生长、喷射成型法镁合金——液态法钛合金——固态、液态法、原位生长法高温合金——原位生长法金属间化合物——粉末冶金、原位生长法颗粒晶须短纤维19第十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期六20第二十页，共七十一页，编辑于2023年，星期六2.1先驱（预制）丝（带、板）的制备2、金属基复合材料制备工艺的分类：纤维/(基体箔材)聚合物粘结剂先驱(预制)带(板)：缠绕鼓(基体箔材)纤维定向定间距缠绕

涂敷聚合物粘结剂定位。21第二十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期六等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：

纤维定向定间距缠绕等离子喷涂基体粉末定位。22第二十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期六PVD法纤维/基体复合丝

采用物理气相沉积（PVD）手段将基体金属均匀沉积到纤维表面上，形成纤维/基体复合丝。

PVD法纤维表面金属基体沉积层

物理气相沉积是通过蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面。23第二十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期六粉末法纤维/基体复合丝

金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体粉末/聚合物粘接剂胶体；将纤维通过带有一定孔径的胶槽，在纤维表面均匀地涂敷上一层基体粉末胶体，干燥后形成一定直径的纤维/基体粉末复合丝。复合丝的直径取决于胶体的粘度、纤维走丝速度以及胶槽的毛细管孔径等。要求聚合物粘接剂在真空状态的低温下能够完全挥发。

粉末法纤维/基体复合丝示意图

24第二十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期六熔池法纤维/基体复合丝25第二十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期六这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。过量的脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料的性能。对纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性，防止过量的脆性相Al4C3生成。熔池法纤维/基体复合丝26第二十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期六扩散结合

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。扩散结合在真空中进行。其关键是热压工艺参数的控制，包括温度、压力和时间。其压力应有一定下限，防止压力不足金属不能充分扩散包围纤维而形成空洞缺陷。

模压成型（MoldForming）：将纤维/基体预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。2.2固相法27第二十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期六粉末冶金法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。一、粉料制备与压制成型

粉末混料均匀并加入适当的助剂，再进行压制成型，粉粒间的原子通过固相扩散和机械咬合作用，使制件结合为具有一定强度的整体。

二、烧结

将压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为基体金属熔点的2/3～3/4倍。由于高温下不同种类原子的扩散，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的再结晶，使粉末颗粒相互结合。

28第二十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期六粉末冶金工艺过程原料粉末其它添加剂热压松装烧结粉浆烧注混合压制等静压制轧制挤压烧结烧结浸适热处理电镀预烧结高温烧结复压锻打复烧拉丝烧缩精整锻造轧制挤压烧结（浸油）热处理粉末冶金成品29第二十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期六常用的粉末冶金材料

（1）粉末冶金减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。

（2）粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有30％～60％的体积孔隙度，孔径1～100微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。

（3）粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。30第三十页，共七十一页，编辑于2023年，星期六（4）粉末冶金工模具材料。包括硬质合金、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。

（5）粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。

（6）粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等。用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。31第三十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期六粉末冶金技术的主要应用：

汽车动力系统：32第三十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期六汽车发动机用粉末烧结钢零件33第三十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期六汽车变速器系统用粉末烧结钢件:34第三十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期六齿轮保持架(Ford)35第三十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期六温压成型连杆：36第三十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期六在压力的作用下，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。主要工艺因素有熔融金属的温度、模具预热温度、压力和加压速度等。2.3液态法－(1)压铸法（SqueezeCasting）

37第三十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期六(2)半固态复合铸造（SemisolidSlurryCasting）

将颗粒加入半固态的金属熔体中，然后将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。 金属熔体的温度控制在液相线和固相线之间，通过搅拌，使部分树枝状结晶体破碎成固态颗粒。 当加入预热后的增强颗粒时，在搅拌中增强颗粒受到金属颗粒阻碍而滞留在半固态熔体中减少集结和偏聚，同时搅拌可促进颗粒与金属基体的接触和润湿。

38第三十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期六(3)喷射成型法（Ospray，SprayCo-deposition）

在高速惰性气体射流的作用下，液态金属形成“雾化锥”；同时通过一个或多个喷嘴向“雾化锥”喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在一基板（收集器）上沉积并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。

喷射成型法示意图

39第三十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期六(4)无压浸渗法（Lanxide法）

美国Lanxide公司开发的一种新工艺。将增强材料制成预制体，放置于由氧化铝制成的容器中。再将基体金属坯料置于增强材料预制体上部。然后一齐装入可通入流动氮气的加热炉中。通过加热，基体金属熔化，并自发浸渗入网络状增强材料预制体中。

无压浸渗法工艺原理示意图

40第四十页，共七十一页，编辑于2023年，星期六以制备AlN/Al复合材料为例，将增强剂预制体放入同样形状的陶瓷槽中，铝合金坯料放在预制体上。在流动氮气的气氛下，加热至8001000C时，铝合金熔化并自发渗入预制体内，氮气与铝反应生成AlN。控制氮气流量、温度和渗透速度，可控制AlN的生成量。AlN起到提高复合材料刚度、降低热膨胀系数的作用，但强度较低。这是一个低成本的制备工艺。41第四十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期六4、原位（Insitu）生长（复合）法

增强相从基体中直接生成，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强相之间的润湿和界面反应等问题，基体与增强相结合良好，较好的解决了界面相容性问题。42第四十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期六直接金属氧（氮）化法

通过基体金属的氧化或氮化来获取复合材料。制备Al2O3/Al时，9001300C的温度下，使熔融铝通过显微通道渗透到氧化铝层外部，并顺序氧化；即铝被氧化，但液态铝的渗透通道未被堵塞。可根据氧化程度控制Al2O3的量。所制备的复合材料就是含有Al的、互连的Al2O3陶瓷基复合材料。直接氮化获得AlN/Al、和TiN/Ti等金属或陶瓷基复合材料。43第四十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期六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。1、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。44第四十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期六常用硬质合金的分类与牌号

（1）钨钴类硬质合金：碳化钨和粘结剂钴，其牌号是由“YG”（“硬、钴”两字汉语拼音字首）和平均含钴量的百分数组成(YG8——表示Co的质量分数为8%的钨钴类硬质合金)。

（2）钨钛钴类硬质合金：碳化钨、碳化钛及粘结剂钴，其牌号由“YT”（“硬、钛”两字汉语拼音字首）和碳化钛平均含量组成(YT15——表示TiC的质量分数为15%的钨钴钛类硬质合金)45第四十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期六硬质合金刀具：46第四十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期六成型方法：压制→烧结47第四十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期六三、金属基复合材料的界面和界面设计

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48第四十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期六第一类界面：界面微观是平整的，而且只有分子层厚度。界面除了原组成物质外，基本不含其它物质。第二类界面：基体与增强相经过扩散–渗透相互溶解而形成界面。这类界面往往在增强相周围，如纤维周围，形成溶解扩散层。第三类界面：界面处有微米和亚微米级的界面反应物质层。有时并不是一个完整的界面层，而是在界面上存在着界面反应产物。49第四十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期六2、金属基复合材料的界面结合

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。50第五十页，共七十一页，编辑于2023年，星期六金属基复合材料的界面结合形式

（1）机械结合：第一类界面。主要依靠增强剂的粗糙表面的机械“锚固”力结合。（2）浸润与溶解结合：第二类界面。如相互溶解严重，也可能发生溶解后析出现象，严重损伤增强剂，降低复合材料的性能。如采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料以及碳纤维/镍基复合材料在600C下碳在镍中先溶解后析出的现象等。（3）化学反应结合：第三类界面。大多数金属基复合材料的基体与增强相之间的界面处存在着化学势梯度。只要存在着有利的动力学条件，就可能发生相互扩散和化学反应。51第五十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期六3、金属基复合材料的界面优化以及界面设计

改善增强剂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，增强剂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。52第五十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期六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。53第五十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期六2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。54第五十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期六四铝基金属复合材料介绍55第五十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期六航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料，例如波音747大型运输机、远距离通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问题之一就涉及到平方—立方尺寸关系，即结构的强度与刚度随其尺寸的平方增加．而重量却随其线尺寸的立方增加。所以，假若要保证大型结构的机动性和高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。引言56第五十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期六

铝基复合材料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。

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。57第五十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期六一硼铝复合材料硼纤维极高强度的共价结合，铝是被选用最广的基体材料。硼--铝复合材料在研究上很重视。硼铝的弹性模量接近各向同性，非轴向强度也较高，横向抗拉强度和剪切强度大约与铝合金基体的强度相等。比树脂基材料可能达到的强度要高得多。硼—铝复合材料还具有高的导电件和导热性、塑性和韧性、耐磨性、可涂复性、连接性、成型性和可热处理性及不可燃性。高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久性也常常是重要的。58第五十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期六硼—铝复合材料的研究的主要内容：(1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航空航天领域中显得尤为重要。(2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材料及构件。(3)改进硼—铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可能降低。59第五十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期六1．增强纤维

对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复合材料。玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易与铝起反应。氧化铝纤维的比模量和比强度较低且价格昂贵。碳化硅纤维与铝的反应比硼小，并已作为硼纤维的涂层使用．但其密度比硼高30％、且强度较低。--钛合金Ti-6Al-4V的冷拉丝材和沉淀硬化钢“火箭”丝NS—355，内于密度大而在比强度和比模量上难以与硼相比。60第六十页，共七十一页，编辑于2023年，星期六

硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成的。将钨丝电阻加热到1100—1300℃并连续拉过反应器以获得一定厚度的硼沉积层．这样便在钨丝上沉积了颗粒状的无定形硼。目前大量供应的纤维有100um和140um两种直径，有的纤维带有2um厚的碳化硅涂层，其目的是为了改进纤维的抗氧化性能。140um硼纤维的室温密度为2.55g／cm3。61第六十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期六

2．基体硼纤维选择铝合金作为基体是出于铝合金具有良好的综合性能。较高的断裂韧性，较强的阻止在纤维断裂或劈裂处的裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性，较高的强度。62第六十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期六

三、铝基复合材料的制造复合材料的制造包括将复合材料的组分组装并压合成适于制造复合材料零件的形状。常用的工艺有两种:一、纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行;二、先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制成最终形状的零件。前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先铸锭然后再锻成零件的形状。63第六