第五章金属基复合材料

1金属(jīnshǔ)基复合材料共二十八页2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(yóuqí)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。共二十八页3

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(xiānɡbǐ)，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。共二十八页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(tèbié)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。4共二十八页金属基复合材料的分类按增强(zēngqiáng)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5共二十八页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(gōngjù)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。

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硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀共二十八页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(huánjìng)之下。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。7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(tōngcháng)以短纤维的形式用于MMC中。MMC的SEM照片共二十八页按基体类型(lèixíng)分类：铝基复合材料(fùhécáiliào)镁基复合材料钛基复合材料镍基复合材料 8共二十八页按用途分类：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(yīngdāng)注意，功能复合材料和智能复合材料容易混淆。9共二十八页10金属(jīnshǔ)基复合材料的性能特征1.高比强度(qiángdù)、比模量2.良好的导热、导电性能3.热膨胀系数小、尺寸稳定性好4.良好的高温性能5.良好的耐磨性6.良好的断裂韧性和抗疲劳性能7.不吸潮、不老化、气密性好共二十八页二、金属(jīnshǔ)基复合材料的制备工艺

11共二十八页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(pēnshè)成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。4）原位生长法。12共二十八页连续(liánxù)增强相金属基复合材料的制备工艺铝合金—固态(gùtài)、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13碳纤维硼纤维SiC纤维Al2O3纤维……共二十八页不连续增强(zēngqiáng)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(gāowēn)合金——原位生长法金属间化合物——粉末冶金、原位生长法14颗粒晶须短纤维共二十八页15共二十八页16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(suǒyǐ)，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。铝基复合材料(fùhécáiliào)共二十八页17

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(rènxìnɡ)，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(fùhécáiliào)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。共二十八页18硼铝复合材料硼纤维(xiānwéi)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(jiējìn)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。共二十八页19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(nàiyòng)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。共二十八页201．增强纤维(xiānwéi)

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(zuòwéi)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。纤维增强铝基复合材料共二十八页21

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(huòdé)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。共二十八页22

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(zǔzhǐ)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。共二十八页23碳纤维增强铝合金的制造(zhìzào)方法有3种a.扩散结合,热压法(固相法)

在扩散结合法中,通过纤维前处理(chǔlǐ)首先制作中间原料,然后将这些中间原料重叠起来,在真空中加热,可得纤维增强金属,该方法利用了金属的塑性变形和自身扩散作用,可得质量较好的碳纤维增强铝合金复合材料共二十八页24b.挤压铸造挤压铸造

将纤维(xiānwéi)的预成型体放入金属模中,适当加热,加压浸入熔化的基体金属,在高压下令其凝固,从而得到形状复杂的复合材料,此法周期短,能制造纤维增强金属的机械零件,生产效率很高。在此法中,金属熔化,如温度条件选择不妥,熔化的基体金属有时会损伤纤维。挤压铸造法在三种方法中是一种最具有发展潜力的工艺方法共二十八页25c.液态金属浸渍法该法先需要将太纤维(xiānwéi)预制成型，再将铝合金加热融化，再将碳纤维(xiānwéi)预制体浸入铝液，再凝固从而得到复合材料。该法如果工艺温度过高，融化的基体铝合金也会损伤碳纤维(xiānwéi)，从而降低材料的性能。共二十八页26铝基复合材料具有高导热、密度小、成本低等综合优势，是金属基材料中的重要品类，在国际国内范围内有广泛研究并应用于工业化生产。铝基复合材料包含纤维增强和颗粒增强两大类。其中颗粒增强铝基复合材料成本低、性能稳定且易实现规模(guīmó)生产，成为铝基复合材料研究和应用的热点方向。以铝合金为基体的复合材料有铝碳化硅和硅铝等，广泛应用于航空航天、电子信息、壳体封装和现代交通等广泛领域铝基复合材料(fùhécáiliào)的应用共二十八页27应用行业

铝碳化硅、硅铝等铝基复合材料因其高导热、合适的膨胀系数等优良特性可制成基板及热沉材料，用于光电子封装、微波封装外壳、功率模块基板、微电子基板、热沉和盖板、平板混合电路外壳等部件，广泛应用于航空航天、汽车、电子光学、体育用品、集成电路、功率模块、微处理器盖板及散热板等领域。

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汽车领域：铝硅颗粒增强铝基复合材料制备汽车零部件，如发动机活塞、发动机活塞和齿轮箱、刹车转子、刹车活塞、刹车垫板、卡钳、汽车驱动轴、摇臂等、汽车制动盘等零部件，能有效减轻重量、降低噪音、提升耐磨性能实现轿车轻量化。

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航天领域：铝基复合材料可代替钛合金制造飞机摄相镜方向架、卫星反动轮和方向架的支撑架等，在美国、美国等地成功地用于哈勃太空望远镜的高增益天线悬架、导弹零部件(弹体、尾翼、弹翼、推进器组件)等。

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电子和光学仪器领域(含电子封装)：粒增强铝基复合材料有可调的热膨胀系数、密度低、导热性能好等优点,适合于制造电子器材的衬装材料、散热片、基板及热沉等电子部件。在精密仪器和光学仪器的应用研究方面,铝基复合材料还可以制造惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等许多精密仪器和光学仪器。

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体育用品领域：代替木材(mùcái)及金属材料来制作网球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆和滑雪板等，具有重量轻、刚度高、不