第六章 金属基复合材料

nullnull第六章 金属基复合材料材料学院 徐彤null第一节 概述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null从重量轻﹑强度高的角度聚合物基复合材料在室温附近具有优势 Al基和Ti基金属基复合材料在中温区域具有优势 金属间化合物基复合材料在高温区域具有优势 陶瓷基复合材料在更高温区域具有优势null结构用材料的比强度和温度的关系null1963年， 美国国家航空和宇宙航行局成功地制备了W丝增强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。由于金属基复合材料具有极高的比强度、比模量及高温强度， 首先在航空航天领域里得到应用，随后在汽车、体育用品等领域得到应用null1978年， 美国最先报道了B/Al复合材料在哥伦比亚航天飞机上的应用 1982年， 日本丰田公司报导了Al2O3．SiO2/Al复合材料用于汽车活塞null1996-2000年有关金属基复合材料研究论文发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 件数的统计null日本1996-2000年金属基复合材料的公开专利件数的统计null高分子复合材料的缺点主要问题 横向力学性能差，层间剪切性能低，吸潮，老化，蠕变，燃烧等问题，且最高使用温度较低（400℃左右）null金属本身有较高的强度，模量，熔点， 增强体的引入进一步提高性能而成为近几十年来材料研究的热点自生增强金属基复合材料在金属内通过反应，定向凝固，大变形等途径生成颗粒，晶须和纤维状增强物，与传统复合材料比有如下特点①自生增强相在热力学上是稳定的，在高温使用时性能降低少 ②增强体与基体的界面清洁，界面结合强 ③自生增强体尺寸，体积分数等可以通过工艺参数进行有效控制， 是目前的热点 自生长纤维增强MMCs 自生长纤维增强MMCsnull金属基复合材料的种类根据复合材料形态分类null复合材料及其增强相的各种形态null金属基复合材料分类null铝基复合材料 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 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。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null镍基复合材料 复合材料以镍及镍合金为基体。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 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 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null钛基复合材料 钛在结构材料中具有很高的比强度 钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度 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 随着飞机速度的进一步加快，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null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null高强度 纤维的高强度首先是为了满足复合材料强度的需要，其次还可使整个加工制造过程简单 高模量 对于金属基复合材料而言，这种性能是非常重要的，这是为了使纤维承载时，基体不会发生大的塑性流动 　　 容易制造和价格低廉 如果在重要结构上应用，这个条件对工业生产的要求是十分必要的 对纤维状增强体性能的要求null化学稳定性好 对所有纤维来说，在空气中的稳定性和对基体材料的稳定性是很重要的 纤维的尺寸和形状 性能的再现性与一致性 对于脆性材料或高强度材料，这种要求是非常重要的。由于复合材料的强度取决于纤维的束强度，这种束强度与每个纤维的强度有关。因此，需使各个纤维的强度驱于一致null抗损伤或抗磨损性能 脆性纤维对湿暴露或表面磨损特别敏感，这些缺点对一般复合工艺都有不利影响null增强纤维的典型性能火箭丝(钢丝)null第二节 金属基体材料金属基复合材料学科主要涉及材料表面、界面、相变、凝固、塑性形变、断裂力学等 金属基复合材料中，基体主要是各种金属或金属合金null一 金属基体的作用固结增强体 ，传递力 ，承受载荷并使复合材料有一定形状复合材料中的另一个组分是包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，称为基体相（matrix phase）null基体在复合材料中占很大体积比 连续纤维增强金属基复合材料 50～70% 颗粒增强金属基复合材料 多为80～90% 短纤维，晶须增强金属基复合材料一般 60 ～90%颗粒增强金属基复合材料中基体是承受外载荷的主要成分 纤维增强金属基复合材料中基体对力学性能的贡献大于它在聚合物基和陶瓷基复合材料中null二 金属基体材料的选择原则金属与合金的品种繁多，目前用作金属基体材料的主要有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、钢与铜合金、锌合金、铅、钛铝金属间化合物等null基体材料成分的正确选择，对能否充分组合和发挥基体金属和增强物的性能特点，获得预期的优异综合性能满足使用要求十分重要。在选择基体金属时应考虑以下几方面根据金属基复合材料的使用要求 金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据null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（如镁合金和铝合金）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/铝复合材料航天、航空技术中null需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板 可以选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料工业集成电路null要求复合材料不仅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。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、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、转轴等重要零件高性能发动机null要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产，因此选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料 如碳化硅/铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维/铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件汽车发动机null根据金属基复合材料组成特点 选用不同类型的增强材料如连续纤维、短纤维或晶须，对基体材料的选择有较大影响null基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度 考虑到要充分发挥纤维的作用，希望选用塑性较好的基体。实验证明，此时如果采用较高强度的合金材料，复合材料的性能将有所降低连续纤维增强的复合材料null碳纤维增强铝基复合材料中，纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低 在研究碳铝复合材料基体合金的优化过程中发现，铝合金的强度越高，复合材料的性能越低。这可能与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性等有关null基体的强度对复合材料具有决定性的影响，因此，要选用较高强度的合金来作为基体 要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度铝合金作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同 如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金（如A365，6061，7075）为基体。非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料null基体金属与增强物的相容性 由于金属基复合材料需要在高温下成型，制备过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应层 界面反应层大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏null基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些合金元素与增强物的反应程度不同，反应后生成的反应产物也不同，需在选用基体合金成分时充分考虑，尽可能选择既有利于金属与增强物浸润复合，又有利于形成合适稳定的界面合金元素。null用铁、镍作为基体，碳纤维作为增强物是不可取的。因为Ni，Fe元素在高温时能有效地促使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维的结构，使其丧失了原有的强度，使复合材料性能恶化碳纤维增强铝基复合材料中，在纯铝中加入少量的Ti，Zr等合金元素可明显改善复合材料的界面结构和性质，大大提高复合材料的性能null选择基体材料时，应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应对增强纤维进行表面处理 在金属基体中添加其他成分 选择适宜的成型方法 缩短材料在高温下的停留时间null钨钴类硬质合金—由钴Co和碳化钨WC压制烧结而成牌号— YG+Co的百分含量，如：YG3、YG6、YG8。Co的含量越高，其韧性越好 性能特点—高硬度，高耐磨性，高的红硬性，韧性较好 用途—制作切削铸铁、有色金属和非金属材料等脆性材料的刀具。如：YG8刀具适合粗加工铸铁，YG3适合精加工铸铁，YG6适合半精加工铸铁null第三节 金属基复合材料性能一 金属基复合材料性能特点1 高比强度 比模量金属基体中加入了适量的高强度、 高模量、低密度的纤维，晶须和颗粒，明显提高了复合材料的比强度和比模量如果加入30-50%高性能纤维作为复合材料的主要承载体， 复合材料的比强度和比模量成倍地高于基体合金的比强度和比模量null典型金属基复合材料与基体力学性能的比较null金属占60%以上， 仍保持金属特有的导热性和导电性 对要求尺寸稳定性高的构件和集成度高的电子器件，高的导热性可以迅速散热，减小温度梯度 好的导热性可以防止飞行器构件产生静电聚焦问题 在金属基复合材料中加入高导热性的增强物还可以进一步提高导热率，使其热导率比纯金属集体还高 2 导电 导热性能好null为了解决高集成电子器件的散热问题， 现已成功研制超高模量石墨纤维、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纯铜还高， 用它们制成的集成电路地板和封装可有效地把热量散去，提高了集成电路的可靠性null3 线膨胀系数小、尺寸稳定性好碳纤维、碳化硅纤维、晶须、硼纤维均有很小的线膨胀系数， 特别是超高模量石墨纤维具有负的线膨胀系数 可调节增强体的量来调节复合材料的线胀系数石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维达48%时，材料的线胀系数为零，即在温度变化时，不发生热变形， 这对人造卫星构件特别重要null几种典型材料的尺寸稳定性和比模量null4 高温性能好 使用温度范围大金属基体高温性能比聚合物高很多， 增强纤维、晶须等增强体在高温下有都有很高的高温强度和模量，所以金属基复合材料有比基体更高的高温性能连续纤维增强金属基复合材料，纤维起主要承载作用， 纤维强度在高温下几乎不下降，纤维增强金属基复合材料的高温性能可保持到接近金属熔点，比金属基体的高温性能高很多null钨丝增强耐热合金、1000℃、100小时、高温持久强度为207MPa 基体 1000℃、100小时、高温持久强度为48MPa石墨增强铝基复合材料、500℃、高温强度为600MPa 基体Al 300℃、高温强度为100MPanull5 耐磨性好金属基复合材料， 尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强的金属基复合材料具有很好的耐磨性SiC增强铝基复合材料的耐磨性比铸铁还好， 比基体高出几倍，可用于刹车盘等null6 疲劳性能和断裂韧性良好 G/Al 复合材料 -1=0.7 b7 不吸潮 不老化 气密性好与聚合物基比，金属性质稳定， 组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题， 也不会发生性能自然退化， 也不会分解出低分子物质污染仪器和环境null8 二次加工性能好， 可利用目前成熟的各种金属材料加工工艺及设备实现金属及复合材料的二次加工null由于大多数金属基复合材料均表现出各向异性，所以在各个方向上的强度也不尽相同 以纤维增强金属基复合材料为例，则表现为纵向强度与横向强度的差异二 金属基复合材料的强度null对于金属基复合材料的断裂，是由于载荷不断增加，纤维不断断裂，承载能力相继下降从而导致了材料的破坏由于破断纤维失去强度，而使该处截面上的强度降低 破断纤维裂纹周围的静应力集中会降低材料的有效强度。 破断纤维失去载荷时产生的动应力波会使复合材料受到冲击，从而降低该处横面上的瞬时承载能力当弱纤维断裂时，引起三种重要的变化null复合材料的一项重要性能即是当裂纹在垂直于外张力载荷的方向上扩展时，会受到纤维基体界面的阻滞。 基体中裂纹顶端的最大应力值接近于基体的抗拉强度而低于纤维的断裂应力。在硼铝复合材料中，在铝中扩展的裂纹顶端应力可以达到350MPa，而纤维的局部强度接近4.2GPanull复合材料中的裂纹钝化(a)界面开裂　(b)基体剪切变形和开裂(a)(b)null　　 二维裂纹的扩展 箭头表示纤维上的剪切应力null复合材料包含有两种或两种以上的相，要使组分间具有良好的配合，则这两相间必须具备物理相容性和化学相容性第三节 复合材料组分的相容性null对金属基复合材料而言，用薄片或纤维增强金属基复合材料的物理相容性问题一般都和压力变化，或热变化时反映材料伸缩性能的材料常数有关 化学相容性问题主要与复合材料加工过程中的界面结合、界面化学反应以及环境的化学反应等因素有关null物理相容性问题，是指基体应有足够的韧性和强度，从而能够将外部结构载荷均匀地传递到增强物上，而不会有明显的不连续现象一 物理相容性问题null基体通常是韧性较好的材料，因此最好是基体有较高的热膨胀系数。这是因为膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却时将受到张应 对于脆性的增强物，一般都是抗压强度大于抗拉强度、处于压缩状态比较有利热膨胀系数像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大null二 化学相容性问题浸润和结合 采用石墨增强纤维时，纤维的浸润和结合都非常困难 纤维和基体间的直接反应 硼--铝这样的低温金属基复合材料，可以靠尽量降低制造温度来避免两相间的化学反应null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第四节 铝基复合材料一、铝基复合材料的特点null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 改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材料及构件 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以硼—铝复合材料为例主要研究方面null 与树脂基复合材料相比，硼铝的弹性模量更接近各向同性 硼—铝复合材料其非轴向强度较高。其横向抗拉强度和剪切强度大约与铝合金基体的强度相等．这就比树脂基材料可能达到的强度要高得多null硼—铝复合材料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。而硼—铝复合材料的优越性能则为其应用提供了有利的保障null作为结构应用来说，选择复合材料组元的主要目标是高比模量和高比强度，硼--铝复合材料因此在研究与发展上受到了很大的重视硼--铝复合材料的增强体和基体null1．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null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 高模量石墨纤维似乎很有吸引力，但它以纱线形式出现却是一个严重缺点，因为用固态制造方法很难使金属渗入为数一万根的纤维束中，而熔融的铝合金又会与纤维起剧烈反应 --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 冷拉铍丝性能好，但生产成本太高也限制了其应用null 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硼纤维的制造null硼纤维的表面具有高的残余压缩应力，因此纤维易操作处理，并对表面磨损和腐蚀不敏感，这是硼纤维的一项很有意义的特性。 硼纤维具有良好的高温性能，它在600℃时仍保持75％强度，在600℃和700℃时的蠕变性能比钨还好。但在500℃以上暴露于氧气中短时间纤维的强度就会严重受损，在表面涂一层碳化硅正是为了防止这种破坏作用硼纤维的性质null 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 所谓良好的综合性能是指良好的结合性能，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，较高的强度等。对于高温下使用的复合材料．还要求基体具有较好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能熔焊或钎焊，而对于某些应用还要求基体能采用复合蠕变成型技术null目前普遍使用的铝台金有变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝等。这些铝合金并不完全符合硼纤维对金属基体的要求．但某些合金已得到了成功的使用，这其中最普遍的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合材料null第一种是纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行 第二种是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二、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