金属基复合材料

关于金属基复合材料2

金属基复合材料是指以金属及其合金为基体，一种或几种金属或非金属为增强相，人工结合成的复合材料。组成复合材料的各种分材料称为组分材料，组分材料一般不发生作用，均保持各自的特性独立存在。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。

一、金属基复合材料概述第2页,共66页，2024年2月25日，星期天3金属基复合材料(MetalMatrixComposite,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增强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增强体的低热膨胀系数结合起来。第3页,共66页，2024年2月25日，星期天4

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。第4页,共66页，2024年2月25日，星期天按增强体类型分颗粒增强金属基复合材料层状增强复合材料纤维（长短及晶须）增强金属基复合材料

金属基复合材料是以金属或合金为基体，以高性能的第二相为增强体的复合材料。金属基复合材料品种繁多，有各种分类方式，归纳为以下3种：二、金属基复合材料的分类及性能

第5页,共66页，2024年2月25日，星期天（1）、颗粒增强金属基复合材料

颗粒增强复合材料是指增强相为弥散分布的颗粒体，颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1微米。在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传递载荷。颗粒增强复合材料的强度通常取决于增强颗粒的直径和体积分数，同时还与基体性质，颗粒与基体的界面及颗粒排列的形状密切相关。第6页,共66页，2024年2月25日，星期天(2)、层状增强复合材料

层状复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。

由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。第7页,共66页，2024年2月25日，星期天(3)、纤维（长短及晶须）增强复合材料

金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须，它们均属于一维增强体。因此，由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特征。短纤维和晶须在基体中为随机分布，因而性能在宏观上表现为各向同性。第8页,共66页，2024年2月25日，星期天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。第9页,共66页，2024年2月25日，星期天金属基复合材料纤维选择要点

•高强度、高模量。（明显高于金属基体）

•耐热性高（如：KF不宜选用）

•价格低（比较突出的制约因素）

•相容性好（膨胀系数相近，高温惰性）第10页,共66页，2024年2月25日，星期天11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 金属间化合物基复合材料目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。第11页,共66页，2024年2月25日，星期天按用途分（1）、结构复合材料（2）、功能复合材料（3）、智能复合材料第12页,共66页，2024年2月25日，星期天结构复合材料：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。化学性能包括抗氧化性和耐腐蚀性等，用于电子、仪器、汽车等工业。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。第13页,共66页，2024年2月25日，星期天MMC的性能特征MMC的性能取决于所选组分的特性、含量、分布等。通过优化组合可以具有金属特性，又有较好综合性能的MMC。归纳起来MMC有以下性能特点：高比强度、高比模量导热、导电性能热膨胀系数小、尺寸稳定性好良好的高温性能耐磨性好良好的断裂韧性和抗疲劳性能不吸潮、不老化、气密性好第14页,共66页，2024年2月25日，星期天金属基复合材料的性能特点（1）、高比强度、比模量

在金属基体中加入适量的高强度，高模量，低密度的纤维，晶须及颗粒等增强体，显著提高了复合材料的比强度，比刚度和比模量。在金属中加入高性能，低密度的增强体，可使复合材料的比强度，比模量成倍增加。采用高比强度，高比模量的金属基复合材料制成的构件相对密度轻，强度高，刚性好，是航空，航天领域中的理想材料。

第15页,共66页，2024年2月25日，星期天（2）、导热导电性能

虽然有的增强体为绝缘体，但在复合材料中占很小份额，基体导电及导热性并未被完全阻断，金属基复合材料仍具有良好的导电与导热性。为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的热导率比纯铝、铜还高，用它们制成的集成电路底板和封装件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路的可靠性。第16页,共66页，2024年2月25日，星期天（3）、热膨胀系数小、尺寸稳定性好

金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热膨胀系数。加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种应用的要求。例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量达到48％时，复合材料的热膨胀系数为零，在温度变化时使用这种复合材料做成的零件不发生变形。第17页,共66页，2024年2月25日，星期天（4）、良好的高温性能

由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强材料主要是无机物，在高温下又都具有很高的高温强度和模量，因此金属基复合材料比基体金属具有更高的高温性能。如石墨纤维增强铝基复合材料在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。又如钨纤维增强耐热合金，在1100℃，100h高温持久强度为207MPa，而基体合金的高温持久强度只有48MPa。因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上，可大幅度提高发动机的性能和效率。第18页,共66页，2024年2月25日，星期天（5）、良好的耐磨性

金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。如碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比基体金属高出2倍以上；与铸铁比较，SiCp／Al复合材料的耐磨性比铸铁还好。可用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件，能明显提高零件的性能和使用寿命。第19页,共66页，2024年2月25日，星期天（6）、良好的断裂韧性和抗疲劳性能

金属基复合材料的断裂韧性和抗疲劳性能取决于增强物与金属基体的界面结合状态，增强物在金属基体中的分布以及金属基体、增强物本身的特性，特别是界面状态，适中的界面结合强度既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的形成与扩展和位错运动，提高材料的断裂韧性。

第20页,共66页，2024年2月25日，星期天（7）、不吸潮、不老化、气密性好

与聚合物相比金属基复合材料性质稳定、组织致密，不老化、分解、吸潮等，也不会发生性能的自然退化，这比聚合物基复合材料好，在太空使用不会分解出低分子物质污染仪器和环境，有明显的优越性。第21页,共66页，2024年2月25日，星期天铝木复合板铜包钢导线镍/不锈钢钛/铜复合陶瓷/钢复合管铝蜂窝复合板金属基复合材料实例第22页,共66页，2024年2月25日，星期天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。三、铝基复合材料第23页,共66页，2024年2月25日，星期天

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。第24页,共66页，2024年2月25日，星期天铝基复合材料大型运载工具的首选材料。如波音747、757、767常用：B/Al、C/Al、SiC/AlSiC纤维密度较B高30％，强度较低，但相容性好。C纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。基体材料可选变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝。它们塑性好制备铝薄容易。第25页,共66页，2024年2月25日，星期天

基体与增强体铝基复合材料的增强体主要有3种：长纤维，晶须和颗粒；基体主要有纯铝及其合金。基体合金的种类较多，主要有两大类：变形合金和铸造合金。第26页,共66页，2024年2月25日，星期天

(1)、长纤维增强铝基复合材料

长纤维对铝基体的增强方式可以以单向纤维、二维织物和三维织物存在。长纤维增强铝基复合材料主要有：Bf／Al、Cf／Al、SiCf／Al、Al203f／Al和不锈钢丝／Al等。

Bf／Al复合材料

硼纤维是在钨或碳丝化学气相沉积而形成的单丝，直径较粗(100～140μm)，因而在工艺上较易制造。

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纤维含量越高，其拉伸强度的变化。

硼-铝复合材料的耐高温性突出。第28页,共66页，2024年2月25日，星期天

硼-铝复合材料中由于纤维的纵向热膨胀系数与基体的热膨胀系数差别较大，因此在界面会产生较高的残余应力。第29页,共66页，2024年2月25日，星期天Bf／Al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。第30页,共66页，2024年2月25日，星期天

Cf／Al复合材料

碳纤维密度小，具有优异的力学性能，是目前可作金属基复合材料增强物的高性能纤维中价格最便宜的一种，它们与很多种金属基体复合，制成了高性能的金属基复合材料。但是由于碳(石墨)纤维与液态铝的浸润性差，高温下相互之间又容易发生化学反应，生成严重影响复合材料性能的化合物。人们采取了多种纤维表面处理方法来解决这个问题，比如在碳纤维表面镀铬、铜等。第31页,共66页，2024年2月25日，星期天

碳纤维对复合材料的力学性能影响很大。表5-10是液态金属浸渍法制备的碳纤维增强铝合金的拉伸强度。最后一项是碳与铝反应产物的数量。表中前4种纤维都是经高温石墨化处理的石墨纤维，它们与铝的反应产物Al4C3的量较少，拉伸强度较高。最后一种纤维是未经高温石墨化处理的碳纤维，它与铝的反应产物Al4C3的量很高，其拉伸强度大大下降。因此，未经高温石墨化处理的碳纤维是不适宜作铝基体的增强物，除非经过表面处理。第32页,共66页，2024年2月25日，星期天

（2）短纤维增强铝基复合材料

与长纤维相比，短纤维增强铝基复合材料具有增强体来源广、价格低、成形性好等优点，可采用传统的金属成形工艺如铸、锻、挤、轧等，而且材料的性能是各向同性的。可用做铝基复合材料增强物的短纤维有氧化铝、硅酸铝和碳化硅等。第33页,共66页，2024年2月25日，星期天

氧化铝和硅酸铝短纤维增强铝基复合材料的室温拉伸强度并不比基体合金高，但它们的高温强度明显优于基体，弹性模量在室温和高温都有较大的提高，热膨胀系数减小，耐磨性能得到改善。第34页,共66页，2024年2月25日，星期天纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。

纤维在基体中的不同分布方式第35页,共66页，2024年2月25日，星期天36层状复合材料层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。这种材料是各向异性的(层内两维同性)。如碳化硼片增强钛、胶合板等。层状陶瓷复合材料断口形貌三明治复合第36页,共66页，2024年2月25日，星期天双金属、表面涂层等也是层状复合材料。结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。

有TiN涂层的高尔夫球头层状复合铝合金蜂窝夹层板第37页,共66页，2024年2月25日，星期天3、颗粒(晶须)增强铝基复合材料

主要使用的有SiC、Al2O3颗粒(晶须)增强铝基复合材料。SiC颗粒(晶须)增强铝基复合材料具有良好的力学性能和耐磨性能。随着SiC含量的增加，其热膨胀系数降低，并低于基体。这些复合材料的韧性低于基体，但高于连续纤维增强铝基复合材料，而且其刚度比基体提高很多。由于SiC的硬度很高，使得这种复合材料的硬度大大提高，其耐磨性也相应大大提高。第38页,共66页，2024年2月25日，星期天

复合材料的拉伸强度和弹性模量比基体高，且随着SiC晶须含量的增加，其拉伸强度和弹性模量均有较大升高。第39页,共66页，2024年2月25日，星期天

第40页,共66页，2024年2月25日，星期天

在铝合金中加入脆性的SiC颗粒或晶须，其断裂韧性下降很多。颗粒：particle晶须：whisker纤维：fiber在铝合金中加入脆性的SiC颗粒，其耐磨性增加很多。第41页,共66页，2024年2月25日，星期天

硼-铝复合材料可用作中子屏蔽材料，还可用来制造废核燃料的运输容器和储存容器、可移动防护罩、控制杆、喷气发动机风扇叶片、飞机机翼蒙皮、飞机起落架部件、自行车架、高尔夫球杆等。碳纤维增强铝基复合材料用在飞机上，如它使用在F-15战斗机上，使其质量减轻20％～30％。用碳纤维增强铝合金管材还可制作网球拍架。氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是用来制造柴油发动机的活塞。铝基复合材料的应用第42页,共66页，2024年2月25日，星期天铝基复合材料的二次加工二次加工是指对基本的复合材料型件如平板、梁和管等所进行的加工、包括成型、连接机械加工和热处理等工艺过程。第43页,共66页，2024年2月25日，星期天1．成型

硼—铝复合材料的成型涉及到它的组分——强而近于脆性的纤维和软而延性的铝。纤维在室温拉伸实验时具有完全弹性的应力—应变特性，在高温下具有很高的抗蠕变能力，不会有什么塑性延伸。由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴向断裂延伸率小于1％，致使零件的加工制造在很多情况下是在复合材料热压过程中用易于弯曲的预制板加工成最终形状的。第44页,共66页，2024年2月25日，星期天2．连接

硼铝复台材料与承载结构的附件的连接是复合材料应用中最重要的工程领域之一。硼—铝复合材料的连接技术是基于铝的连接而并不考虑硼同硼连接。其目的是想要得到高剪切强度的基体连接而不使复合材料的机械性能降低。连结工艺包括固态扩散结合。焊接：标准的焊接工艺是把焊箔放入需要连接的零件之间并在接触压力下进行炉中焊。机械固定和胶接也是复合材料的有效连接力法。第45页,共66页，2024年2月25日，星期天MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMC的应用范围。航天飞机内MMC(Al/B纤维)桁架第46页,共66页，2024年2月25日，星期天以陶瓷颗粒、纤维或晶须作为增强体，可制成镁基复合材料，集超轻、高比刚度、高比强度于一身，该类材料比铝基复合材料更轻，具有更高的比强度和比刚度将是航空航天优选材料。四

、镁基复合材料第47页,共66页，2024年2月25日，星期天镁基复合材料特点：镁、镁合金及其镁基复合材料的密度一般小于1.8，仅为铝或铝基复合材料的66%左右，是密度最小的MMC之一，而且具有更高的比强度、比刚度以及优良的力学和物理性能。镁基MMC常用基体合金：纯镁强度较低，不适合用作MMC，一般需添加合金元素以合金化。主要合金元素有Al、Zn、Ag、Mn、和稀土金属等。第48页,共66页，2024年2月25日，星期天镁基MMC的增强体基本要求：与基体有良好的物理、化学相容性，尽量避免增强体与基体之间的界面反应，浸润性好。常用的增强体：C纤维、SiC晶须和颗粒、B4C颗粒等。C与纯镁不反应，但与镁合金中的Al、Li等反应，可生成碳化铝、碳化锂等化合物，严重损伤C纤维，需在C纤维表面进行涂层保护。研究表明：SiC、B4C纤维、晶须、颗粒是镁基MMC的合适增强体。第49页,共66页，2024年2月25日，星期天镁基MMC的性能颗粒增强镁基MMC的抗拉强度与基体差不多，但耐磨性和耐温性提高。晶须增强镁基MMC的抗拉强度和模量都有所提高。纤维增强镁基MMC的抗拉强度和弯曲强度提高很多。第50页,共66页，2024年2月25日，星期天镁基MMC的制备表5-9几种主要镁合金基MMC制备方法第51页,共66页，2024年2月25日，星期天镁基MMC的应用汽车制造：方向盘减震轴、活塞环、支架、变速箱外壳等；通讯电子：手机、便携式电脑等的外壳机械工业：SiC晶须增强镁基MMC用于制造齿轮，SiC颗粒增强镁基MMC耐磨性好可用于制造油泵的壳体、止推板、安全阀等。第52页,共66页，2024年2月25日，星期天五、钛基复合材料（TMC）特性：钛合金：密度4.3～5.1，模量80～130GPa，有较高的比强度和比刚度，钛的熔点高，强度能保持到高温（使用温度<800℃)，抗氧化和抗化学腐蚀性能好。TMC：比钛合金更高的比强度、比模量，极佳的耐疲劳、抗蠕变性能，优异的高温性能和耐腐蚀性能，并克服了钛合金耐磨性和弹性模量低等缺点。类型：颗粒增强、连续纤维增强钛基MMC。相容性问题：几乎所有增强体与活性Ti基体发生界面反应形成一种或多种化合物。因为所有TMC在制造和热加工过程中，都要经历800～1200℃的高温暴露，不可避免地发生界面反应。界面反应退化问题：采用对增强纤维涂层处理。第53页,共66页，2024年2月25日，星期天颗粒增强TMC特点：加工制造工艺比较经济、简便。常用工艺—精密铸造、粉末冶金、锻造、挤压、轧制等都可以用于加工TMC。性能：钛和钛合金中加入颗粒增强剂后，TMC的硬度、耐磨性能、刚度、耐高温性能得到明显改善，而塑性、断裂韧性和耐疲劳强度有所下降，室温拉伸强度与基体相近或低于基体。第54页,共66页，2024年2月25日，星期天连续纤维增强TMC特点：具有较高的工作温度600～1000℃），高抗腐蚀性和抗损伤性。但比重较高（工业纯钛密度4.51），制造困难和成本高。力学性能：纵向强度和弹性模量提高很大，但横向性能较低。第55页,共66页，2024年2月25日，星期天连续纤维增强TMC的力学性能第56页,共66页，2024年2月25日，星期天钛基复合材料

钛及其合金是比强度、比刚度最好的基材，耐蚀性和耐高温性也很好，易做耐热件。（低于相变温度）但钛薄难制，化学活性高，与C纤维和B纤维反应生成TiC和TiB2白亮层。解决办法：

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高速工艺----缩短高温停留时间

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低温工艺----850℃热压15分钟

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表面包覆----涂SiC

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合金化----提高基体稳定性第57页,共66页，2024年2月25日，星期天TMC的应用利用TMC的耐高温性能，制造耐高温构件。美国SiC纤维增强TMC用于航天飞机的机翼、机身的蒙皮、支撑梁及加强筋；导弹尾翼、汽车发动机气门阀、连杆等。第58页,共66页，2024年2月25日，星期天六、金属基复合材料的制备工艺

金属基复合材料的制备工艺种类繁多，主要根据基体与增强体的性质决定，基体的选择一般有3条原则：

1）复合材料的使用要求这是选择基体材料的主要依据。

2）复合材料的组成特点不同的增强体对基体的选择影响较大。

3）复合材料的界面相容性复合材料的界面相容性包括增强体与基体间的物理相容性和化学相容性。

第59页,共66页，2024年2月25日，星期天

金属基复合材料制造方法及关键技术

金属基复合材料的制备方法根据增强体产生的方式不同可以分为内生型法和外生型法两种。内生型法是指增强体通过组分材料间放热反应在基体中产生，增强体的表面无污染，与基体的界面干净，结合强度高，化学稳定性好，且反应放热还可以使挥发性杂志离开基体，起到净化基体的作用。又称原位反应法，包括自蔓延燃烧反应法，放热