（材料学专业论文）短碳纤维增强镍铜基复合材料的制备与性能研究.pdf

兰州大学2 0 0 5 属硕 1 1 学位论文 摘要 镍基合金其有优良的耐蚀性 而且强度高 塑性好 易于冷热加工 是工业上常 用的耐蚀材料 其中 镍铜合金是用量大 用途广的一类 最著名的n i c u 合金是蒙乃 尔 m o n e l 合金 约含7 0 n i 和3 0 c u 它兼有n i 和c u 的许多优点 在高温下有 良好的抗氧化能力 在4 0 0 以下不改变机械性能 成为电器工业 海轮制造业和医疗 器械制造业中的重要材料 碳纤维具有高的比强度 高比模量 低密度 耐高温 耐腐蚀 耐疲劳 抗蠕变 和热膨胀系数小等一系列优异性能 是一种重要的复合材料增强体 本研究采用粉末冶金法制备镍铜合金及短碳纤维增强镍铜基复合材料 通过复烧 方法强化其性能 然后通过l a r s o n m i l l e r 参数方程对材料进行热处理模拟 研究结果表明 1 适量碳纤维的加入能显著提高基体材料的性能 在碳纤维含量为8 时 硬度 最高 2 若烧结时间相同 在一定的温度范围内 材料的硬度随着烧结温度的升高而增 大 当在某一较低温度下烧结时 适当地延长烧结时间 也能提高烧结材料的性能 比如 烧结温度为1 2 7 0 烧结时间为1 5 小时 8 c f n i c u 复合材料的硬度为9 2 1 h v 比1 1 9 0 烧结时提高了3 0 8 1 2 4 0 烧结2 小时的硬度为8 6 4 h v 与1 2 7 0 烧结后 的硬度相当 3 对烧结材料进行较低温度较长时问的复烧 可明显提高材料的性能 例如 8 c f n i c u 复合材料经1 2 4 0 c 烧结2 小时的硬度为8 6 4 t t v 再于7 8 0 复烧5 小时 硬度为1 0 8 3 h v 比前者提高了2 5 2 4 c f n i c u 复合材料比n i c u 合余具有更好的耐热性 根据l a r s o n m i l l e r 参数对材 料进行热处理模拟 复合材料的硬度明显高于基体合金 而且 材料的硬度与热处理 参数p 值有较好的线性关系 关键词 镍基合金蒙乃尔 m o n e l 合金碳纤维复合材料粉末冶金法复压复 烧l a r s o n m i l l e r 参数方程 兰型查兰 堕旦堡主兰些丝壅 a b s t r a c t n i c k e ib a s e d a l l o y i sa g o o da n t i c o r r o s i o nm a t e r i a l s w h i c hh a ss u p e rc o r r o s i o n r e s i s t a n c e h i g hs t r e n g t h h i g hp l a s t i c i t y a n di sp r o n et ob eh o t w o r k i n ga n dm a c l l i 血n g n i c k e l c o p p e ra l l o yi sw i d e l yu s e d t h ef a m o u sn i c k e l c o p p e ra l l o yi sm o n e la l l o y a b o u t 7 0 n i c k e la n d3 0 c o p p e r w h i c hh a sm a n y a d v a n t a g e sb o t ho f n i c k e la n do f c o p p e r a n d s u p e ra n t i o x i d i z i n gp r o p e r t i e s m o n e la l l o yw i l ln o tc h a n g ei t sm e c h a n i cp r o p e r t i e su n d e r 4 0 0 c i r c u m s t a n c e s oi tb e c o m e sa l l i m p o r t a n tm a t e r i a la te l e c t r i c i t yi n d u s t r y s e a c r a f t m a n u f a c t u r i n g a n de t c c a r b o nf i b e ri sas i g n i f i c a n tr e i n f o r c i n gm a t e r i a l b e c a u s ei th a sas e r i e so fs u p e r p r o p e r t i e so f h i 曲s p e c i f i cs t r e n g f l a h i 曲s p e c i f i cm o d u l u s l o wd e n s i t y a n ds oo i l i nt h i s i n v e s t i g a t i o n n i c k e l c o p p e ra l l o y a n dc 0 n i c uc o m p o s i t e sa r e p r e p a r e db y p o w d e rm e t a l l u r g ym e t h o d r e i n f o r c e di t sp r o p e r t i e sb yr e s i n t e r a n ds i m u l a t e db a s e do n l a r s o n m i l l e rp a r a m e t e rf o r m u l a t h e s t u d yi n d i c a t e s 1 a n a p p r o p r i a t ev o l u m ec o n t e n to f c a r b o nf i b e rc a nn o t a b l yi m p r o v et h ep r o p e r t i e so f m a t e r i a l s w 1 l e nt h ec o n t e n ti s8 t h ec o m p o s i t eh a st h eb i g h e s th a r d n e s s 2 w h e nt h em a t e r i a ls i n t e r sf o rac e r t a i np e r i o do ft i m e i t sh a r d n e s sa n dd e n s i t y i n c r e a s ew i t ht h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gi na r a n g e a n dw h e ni ts i n t e r sa tal o w e r t e m p e r a t u r e p r o p e r l yp r o l o n g i n gt h et i m ec a na l s oi m p r o v et h em a t e r i a l sp r o p e r t i e s f o r e x a m p l e w h e ns i n t e r e da t 1 2 7 0 f o r1 5h o u r s t h eh a r d n e s so f8 c f n i c uc o m p o s i t ei s 9 2 1 h v w h i c h a r e i m p r o v e d b y3 0 8 t h a n 也a t o f a t1 1 9 0 w h e ns i n t e r e da t1 2 4 0 f o r2 h o u r s i t sh a r d n e s si s8 6 4 h v a l m o s te q u a lt ot h a to fa t12 7 0 3 t h ep r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sw i l le n h a n c ea p p a r e n t l yt h r o u g hr e s i n t e ru n d e ra l o w e rt e m p e r a t u r ef o ral o n g e rt i m e f o ri n s t a n c e t h eh a r d n e s so f8 c f n i c uc o m p o s i t ei s 8 6 4 h va f t e rs i n t e r i n ga t1 2 4 0 f o r2h o u r s a n da f t e rr e s i n t e r e d5h o u r su n d e r7 8 0 c i r c u m s t a n c e s i t sh a r d n e s si s1 0 8 3 h v i n c r e a s i n gb y2 5 2 t h a nt h ef o r m e r 4 c f n i c uc o m p o s i t ei sm o r eh e a t r e s i s t a n tt h a nn i c ua l l o y n l eh a r d n e s so ft h e c o m p o s i t e s i s h i g h e rt h a n t h a to fn i c ua l l o ya f t e rs i m u l a t i o nb a s e do nl a r s o n m i l l e r p a r a m e t e r a n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh a r d n e s sa n dpi sl i n e a r k e yw o r d s n i c k e l b a s e da l l o y m o n e la l l o y c a r b o n f i b e r c o m p o s i t e s r e s i n t e r l a r s o n m i l l e rp a r a m e t e rf o r m u l a h 原创性声明 乏i 1 3 1 8 5 6 本人郑重声明 本人所呈交的学位论文 是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果 学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果 数据 观点等 均已明确注明出处 除文中已经注明引用的内 容外 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式 标明 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 星臣t 熟 同 期 彬 上 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属 兰州大学 本人完全了解兰州大学有关保存 使用学位论文的规定 同意 学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索 可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文 本人离校后发表 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果 时 第一署名单位仍然为兰十i 1 大学 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 霹l l 筮导师签名 燃日 期 盟 兰州大学2 0 0 5 届碗干学位论文 1 绪论 1 1 复合材料概述 材料是人类文明进步的物质基础 材料的更新与进步促进了人类社会的发展 时 至今日 人们已逐渐掌握了材料的组成 结构和性能之问的内在关系 可以按照使用 要求对材料性能进行设计创造 复合材料就是用两种或两种以上不同性能 不同形态的组分材料通过一一定的 艺 方法将它们复合而成的一种多相材料i l j 这种复合材料既保留了原有材料组分的特 性 又克服了组分材料的不足 并还能显示出某种新的性能 从复合材料的组成与结 构分析 其中有一相是连续的称为基体相 另 一相是分散的 被基体包容的称为增强 相 增强相与基体相之间有一个交界面称为复合材料界面 复合材料的各个相在界面 上可以物理地分开 也就是说 复合材料是由基体相 增强相和界面相组成的 不同的基体材料和增强物可组合成品种繁多的复合材料 通常根据基体相的不同 将复合材料分成三大类 树脂基复合材料 金属基复合材料和陶瓷基 含碳基 复合 材料 与传统材料相比 复合材料有下述特点 1 可设计性复合材料的力学 机械及热 声 光 电 防腐 抗老化等物 理 化学性能都可按制件的使用要求和环境条件要求 通过组分材料的选择和匹配以 及界面控制等材料设计手段 最大限度地达到预期目的 以满足工程设备的使用性能 2 材料与结构的同一性复合材料构件与材料是同时形成的 它由组成复合 材料的组分材料在复合成材料的同时也就形成了构件 由于复合材料这一特点 使其 结构的整体性好 可大幅度地减少零部件和连接件数量 从而缩短加工周期 降低成 本 提高构件的可靠性 3 发挥复合效应的优越性复合材料经过复合工艺形成的 它既能保留原有 材料组分的特性 又可克服组分材料的不足 并且还可能按复合效应而形成新的性能 这种复合效应是复合材料仅有的 4 材料性能对复合材料工艺的依赖性复合材料结构在形成的过程中有组分 材料的物理和化学的变化 过程非常复杂 因此构件的性能对工艺方法 工艺参数 工艺过程等依赖性较大 同时也由于在成型过程中很难准确地控制工艺参数 所以一 般来说 复合材料构件的性能分散性也是比较大的 1 2金属基复合材料 金属基复合材料是以金属及其合金为基体 通过与高强度 高模量 耐热性好 的纤维 颗粒或晶须等增强相复合而成的复合材料 恰当的工艺手段可使金属基复合 材料兼有基体金属或合金好的韧性和增强体好的刚度和强度 与金属或合金相比 金属基复合材料还具有比重小 强度大 耐磨性好 高温 兰州大学2 0 0 5 届硕士学位论文 性能好等优势 物理性能和力学性能更加优异 因而成为近年来高技术新材料开发的 重要领域 1 2 1 金属基复合材料的分类 金属基复合材料品种繁多 有各种分类方式 按照增强材料的类型可分为f 3 1 连续纤维增强金属基复合材料 利用高强度 高模量 低密度的碳 石墨 纤维 硼纤维 碳化硅纤维 氧化铝纤维 金属合金丝等增强金属基体组成高性能复 合材料 通过基体 纤维类型 纤维排布方向及含量的优化设计组合 可获得各种高 性能 在纤维增强金属基复合材料中 纤维具有很高的强度 模量 是复合材料的主 要承载体 对材料起增强作用 基体金属主要起固定纤维 传递载荷 部分承载的作 用 2 非连续纤维增强金属基复合材料 它是由短纤维 晶须 颗粒等增强物 与 金属基体复合而成的复合材料 增强物在基体中随机分布 其性能各向同性 非连续 增强物的加入 可以提高金属的耐磨 耐热性 高温力学性能 弹性模量 降低热膨 胀系数等 非连续增强金属基复合材料最大的特点是 可以用常规的粉末冶金 液态 金属搅拌 液态金属挤压铸造 真空压力浸渍等方法制造 适合于大批量生产 在汽 车 电子 航空 仪表等工业中有广阔的应用前景 3 层板金属基复合材料 将两种或两种以上优化设计和选择的层板相互完全粘 结在一起组成层板复合材料 它具有单一板材所难以达到的综合性能 如抗腐蚀 耐 磨 抗冲击 高导热 导电性 高阻尼等性能特点 4 自生增强金属基复合材料 在金属基体内部通过反应 定向凝固等途径生长 出颗粒 晶须 纤维状增强物 组成自生金属基复合材料 1 2 2 金属基复合材料的复合准则 复合材料是由两种或两种以上的不闷化学组分 不同性能的材料组成的 它们遵 循什么样的法则来进行复合 如何才能使复合后的整体性能优于组分材料 即僳留所 期望的特性 如高强度 高刚度 重量轻 抑制不期望的特性 如低延性 都是复 合原理所要探讨的 目前关于复合原理的理论研究仍处于发展中 4 j 1 2 2 1 复合材料的相容性 复合材料的相容性i5 是指复合材料在制造和使用过程中各组分之间相互协调 配 合的程度 相容性包括两大方面 即物理相容性和化学相容性 物理相容要求复合材料在承受压力作用和环境温度变化时 各项组分材料的力学 性能和其他物理性能能够相互协调 匹配 物理相容性主要指力学相容性和热相容性 力学相容主要是指基体应有足够的强 度和韧性 能将载荷均匀地传递到增强物上 而不产生明显的不连续现象 此外 还 要求基体有高的延展性和屈从性 松弛基体与增强物之间的应力集中 热相容是指基 体与增强物在热膨胀时的相互配合程度 要求合适的热膨胀系数及比例 不至于在经 受高温后或热循环时 产生有害的附加应力而损害其力学性能 一般应避免高的残余 应力 两相热膨胀系数相差应较小 化学相容性包括热力学相容性和动力学相容性 化学相容性最重要的问题是基体 兰州大学2 0 0 3 届硕 学位论文 与增强体之间的化学反应 基体与增强材料之间的相容性关系到复合材料在制造和使 用过程中它们的组织和性能是否长期持久稳定 这是复合材料是否有实用价值的决定 因素 对于原位复合材料而言 在制造过程中各组分是热力学平衡的 但在使用条件 下如果有明显变化就会产生不稳定 而对于纤维增强金属基复合材料而言 通常要求 二者之间具有良好的润湿性 润湿性与组分材料的表面能 纤维表面粗糙度有关 一 般提高成型温度可以改善润湿性 但又会引起化学反应 实际应用中通常对纤维表面 进行各种表面处理和化学改性 或在基体中加入其他化学成分 或改变成型时的环境 气氛等方法来改变热力学相容性问题 对待基体与增强体之间的化学反应问题 既要 求促进两相间的结合 又要避免不利反应的发生 有时希望通过组分间的化学反应来 促进基体与增强材料之间的结合 有些组元则希望避免化学反应以减少纤维损伤或在 界面形成硬脆相 形成适中的界面结合才能够保证基体有效地将载荷传递给增强体 1 2 2 2 力学性能复合 混合定律是复合材料理论中重要的基本规律 以纤维增强复合材料为例 设x 为复合材料的某 工程常数 纤维和基体相应的工程常数分别为 和j 乞 若纤维和 基体的界面结合完善 则有如下的一般形式的混合定律 x 2x f x 式中 和 分别为纤维和基体的体积含量 1 在复合材料力学性能中 弹性模量的复合是一种混合效应 一般遵守混合定律 而强度问题比较复杂 用混合定律预测复合材料的强度存在较大的误差 6 1 1 2 2 3 物理性能的复合准则 通常 复合材料的热导率 电导率 磁导率 比热 介电常数 密度等的复合准 则和弹性模量一样服从混合定律 至于其它性能的复合规律还不是很清楚 1 2 3 金属基复合材料的界面 复合材料中基体与增强材料之间的相互作用是通过所形成界面的性质和强度而 表现出来的 界面是基体与增强体连接的桥梁 是基体与增强体之间化学成分有显著 变化的 构成彼此结合的 能起载荷传递作用的微小区域 7 8 9j 此区域一般不均匀 不连续 它包含了基体和增强材料的部分原始接触面 基体和增强材料闽相互作用生 成的反应产物 析出的新相 这些产生相与基体及增强材料的接触面 基体与增强体 的互扩散层 基体与材料上的氧化物 由环境中转来的杂质等等 因此界面的化学成 分和相结构非常复杂 界面是复合材料中除物相组成外最重要的技术关键 这是因为力 化学及功 能 的传递都要通过界面进行 同时 在复合材料中界面面积占很大的比例 它的性质直 接影响着复合材料的各项性能 兰州大学2 0 0 5 届硕士学位论文 1 2 3 1 界面效应 界面是复合材料的固有特征 界面的机能可归纳为以下几种效应 一 传递效应界丽能传递力 即将外力传递给增强物 起到基体和增强物之 间的桥粱作用 二 阻断效应结合适当的界面有阻止裂纹扩展 中断材料破坏 减缓应力集 中的作用 三 不连续效应在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象 如抗电性 电感应性 磁性 耐热性 尺寸稳定性等 四 散射和吸收效应光波 声波 热弹性波 冲击波等在界面产生散射和吸 收 如透光性 隔热性 隔音性 耐机械冲击及耐冲击性等 五 诱导效应一种物质 通常是增强物 的表面结构使另一种与之接触的物 质的结构由于诱导作用而发生改变 由此产生一些现象 如强的弹性 低的膨胀性 耐冲击性和耐热性等 界面上产生的这些效应 是任何一种单体材料所没有的特性 它对复合材料具有 重要作用 例如 粒子弥散强化金属中微小粒子阻止晶格位错 从而提高复合材料强 度 在纤维增强塑料中 纤维与基体界面阻止裂纹进一步扩展等 界丽效应与界面本 身的结构与性质 基体和增强材料的结构与性质 工艺参数等密切相关 1 2 3 2 界面类型 纤维增强金属基复合材料的界面类型及其特点如下 i 类界面 增强物与基体互不反应亦互不溶解 这类界面是平整的 厚度仅为 分子层的程度 除原组成成分外 界面上基本不含其他物质 如 c u w c u a 1 2 0 3 a g a 1 2 0 3 等e i i 类界面 增强物与基体不反应但能相互溶解 这类界面是由原组成成分构成 的犬牙交错的溶解扩散型界面 基体中的合金元素和杂质可能在界面上富集或贫化 如 n i c n b w c u c r 合金 w 等 i 类界面 增强物与基体相互反应形成界面反应层 这类界面含有亚微级左右 的界面反应物质层 界面反应层 此反应产物层一般不均匀 如 c u t i t i a 1 2 0 3 t i b 等 1 2 3 3 界面结合方式 结合的最佳方式是尽可能选择既有利于相互闽的润湿结合 又有利于形成稳定的 界面 但在实际制备复合材料过程中 基体与增强体之间未必具有良好的润湿性 往 往不能达到最佳的界面结合 目前 为改善基体材料与增强材料之间润湿性 常常使 用如下方法 改变增强材料的表面状态及化学成分 例如 对增强材料进行物理清洗 化学清洗 电化学抛光 腐蚀 涂层等等 改变基体的化学成分 以降低界面张力或 在界面处发生化学反应形成反应结合型界面 在实际的复合材料中 基体与增强材料之问以以下几种方式结合起来的 1 机械结合基体与增强材料之间没有发生化学反应 纯粹是机械连接 这 种结合是靠粗糙的纤维表面和基体产生摩擦力而实现的 只能在平行于纤维的方向上 兰卅i 大学2 0 0 5 届硕士学位论文 承受载荷 2 润湿和扩散复合过程中液态的基体在增强材料表面铺展 润湿 然后发 生原子或分子的相互扩散 相互渗透 从而形成界面 3 反应结合基体与增强材料问发生化学反应 在界面形成新的化合物 4 混合结合上述结合方式中几种的组合 是一种普遍的结合方式 1 2 3 4 界面反应及其控制 金属基复合材料都在基体熔点附近或者在固相线与液相线之间的高温下制造 因 此基体和增强材料之间发生界面化学反应往往不可避免 界面反应可能引起三种情况发生 一是可以促进液态金属基体对增强材料的润 湿 提高界面结合强度 这种反应有利于基体与增强材料的润湿 复合 形成最佳界 面结合 二是可能生成各种类型的脆性化舍物 这类反应一般形成强界面结合 在应 力作用下不发生界面胶粘 裂纹易向增强材料中扩展 造成复合材料的低应力破坏 因此这类反应应该避免 三是造成增强材料损伤和基体成分改变 这类界面反应严重 常使增强材料损伤严重 合金元素显著消耗 界面结合过强 复合材料性能急剧下降 甚至低于未增强的基体 这类界面反应必须避免 对于制备高性能的金属基复合材料 控制界面反应程度极为重要 使得到合适的 界面结合强度 既能有效传递载荷 又能调节应力分布 阻止裂纹扩展 目前 界面 反应控制的途径主要有p j 1 增强材料的表面涂覆处理 为了有效地防止界面反应和获得合适的界面结构 性能 以及改善基体金属与增 强物的润湿性 在增强物表面涂覆上一层涂层是一种有效的途径 表面涂层的主要作 用有 i 有效地防止基体金属与增强物之间的界面反应 相互扩散 溶解等 避免损 伤增强物和生成有害的反应物 i i 有效地改善基体金属与增强物之间的浸润性 1 1 i 优化界面结构和性能 形成能充分发挥增强物和基体特性的结构 2 金属基体合金化 向液态金属中加入适当的合金元素可以阻止或减缓界面反应 原则上加入的合金 元素能与增强材料发生轻微反应 生成致密的产物覆盖在增强材料表面 阻止其与基 体主金属的直接接触 还能改善润湿性 由于复合材料与合金的强化机制不同 在合 金中形成强化相的合金元素对复合材料却有害 如在含铜高的铝合金中的强化相 c u a l 2 易成为桥接纤维的脆性相 引起复合材料的脆性破坏 因此在选择现有合金 作为复合材料基体时就慎重考虑 3 优化制备方法和工艺参数 w 因为温度越高 在高温下停留时间越长 则反应越激烈 因此 在制备方法和工 艺参数的选择上应首先考虑温度 高温停留时间和冷却速度 在确保复合完好的情况 下 制各温度应尽可能低 在高温下保持时间尽可能短 在界面反应湿度区冷却速度 尽可能快 低于反应温度后应减小冷却速度 以免造成大的残余应力影响材料性能 兰州大学2 0 0 5 届礁土学位论文 1 2 3 5 影响复合材料强度的主要因素 在工程应用上 强度是衡量材料力学性能的重要指标之一 影响金属基复合材 料强度的因素很多 主要有1 1 1 1 1 基体 不同的基体对复合材料的抗拉强度 屈服强度 结合强度有较大的影响 但并 不是基体强度越高 复合材料的强度就越高 而是存在一个最佳匹配 通过优化选择 与合理的匹配 强度较低的基体材料也能获得强度较高的复合材料 2 增强体 增强材料的性质对复合材料的强度起着至关重要的作用 增强体的加入 可以 引起基体合金的显微组织变化 对亚结构 位错组态 及晶粒尺寸等的改变也有重要 的影响 例如 s i c p a l 复合材料由于增强颗粒的加入 l 引 晶界面积增加 固溶处理 时 基体内因热错配产生的位错 异号位错相互抵消 同号位错则以攀移排列在垂直 予滑移晶面的小角度晶界形成 哑晶界 这样亚晶界面积也随之相应增加 由h a l l p e t c h 关系式可知 晶界 亚晶界的增加 基体合金晶粒 亚晶结构和共晶s i 颗粒细化 可在一定程度上提高复合材料的强度 此外 增强材料是载荷的主要承受者 3 界面 界面是影响复合材料行为的关键因素之一 金属基复合材料宏观性能的好坏很大 程度上取决于基体和增强体之间的界面结合状况 为了获得更高的强度 一般要求形 成稳定的界面结合 界面结构与性能是基体和增强体性能能否充分发挥 形成最佳综 合性能的关键 4 基体和增强体的相容性 1 0 1 复合材料基体与增强体之间的褶容性是复合材料设计过程中最值得考虑的问题 之一 复合材料的相容性是指复合材料在制造和使用过程中各组分之间相互协调 配 合的程度 相容性包括两大方面 即物理相容性和化学相容性 在金属基复合材料制备过程中金属基体与增强物在高温复合过程中会发生不同 程度的界面反应 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漫润复合 又有利于形成合适稳定的界面的合会元 素 因此 在选择基体时应充分考虑与增强物的相容性 特别是化学相容性 1 1 另外 在研究相容性时 应充分考虑以下几个问题i l2 j 两相中元素的反应自 由能 表面能 扩散的途径和效应 5 工艺 金属基复合材料的性能 应用等在很大程度上取决于其制造工艺和方法 不同的 制备工艺使得复合材料的性能有很大的差异 例如 用原位生成法制备的复合材料 由于原位增强相不仅尺寸非常细小 一般小于1 微米 而且与基体有着良好的界面相 容性 从而使得这种复合材料比传统的外加增强相复合材料具有更高的强度i l 引 高能 球磨法使增强体颗粒能均匀弥散分布于基体中 而常规混合法制备的复合材料中存在 增强体颗粒的偏聚现象 增强相在基体中的分布越均匀越有利于提高复合材料的强度 1 4 1 另外 热处理工艺和二次加工对复合材料的强度都有很大的影响 兰州大学2 0 0 5 届颧l 学位论文 1 2 4 金属基复合材料的制造技术 金属基复合材料制造方法及工艺是影响复合材料迅速发展和广泛应用的关键问 题 在制造金属基复合材料时 对制造方法提出了几个主要要求 l 1 制造过程中要使增强物按设计要求在金属基体中均匀分布 如 连续纤维 的分布及方向 一定的体积分数等 颗粒 晶须 短纤维等均匀分布于基体中 等等 2 制造过程中不造成增强物和金属基体原有性能的下降 特别是避免高性能 连续纤维的损伤 使增强物和金属的优良性能得以叠加和互补 3 应避免各种不利的反应发生 如基体金属的氧化 基体金属与增强物之问 界面反应等 要求通过合理选择工艺参数获得合适的界面结构和性能 使增强物的性 能和增强效果得以充分发挥 以及金属基复合材料组织性能的稳定 4 制造方法应适合于批量生产 尽可能直接制成接近最终形状尺寸的金属基 复合材料零件 1 2 i t 1 金属基复合材料制造的关键性技术 增强物与金属基体材料复合在一起的必要条件是金属必须具有足够的流动性 成 型性 使金属能浸渗和充填到增强物之间与增强物复合在一起 基体金属与增强物要 有良好的浸润性 否则难以复合在一起 而基体金属一一般均有较高的熔化温度 在室 温时呈致密的固体 要把大量尺寸细小的纤维 晶颜 颡粒等增强物按一定比例的含 量 分布 排列方向与金属基体复合在一起 难度很大 由于金属所固有的物理和化学特性 在制造过程中还需要解决一些关键性技术 其中主要表现于1 1 6 1 由于制备温度高 金属基复合材料在高湿下易发生严重的界面反应 氧化 反应等有害的化学反应 在制备过程中 为了确保基体的浸润性和流动性 需要采用很高的加工温度 往 往接近或高于基体的熔点 在高温下 基体与增强材料易发生界面反应 使材料产生 早期低应力破坏 高温下反应产物通常呈脆性 会成为复合材料整体破坏的裂纹源 因此 严格控制复合材料制备温度及在商温下的持续时问是最关键的工艺参数 在确 保金属基体与增强物良好复合的前提下 制备温度应尽可能低 复合过程的时间应尽 可能短 解决的方法是 第一 尽量缩短高温作业时间 使增强相与基体的界面反应降低 至最低程度 第二 通过提高工作压力使增强相与基体浸润速度加快 2 金属基体和增强材料之间浸润性差 甚至不浸润 绝大多数的金属基复合材料中 基体对增强体的浸润性都很差 有时根本不发生 浸润现象 解决的方法是 第一 加入合金元素 优化基体组分 改善基体对增强材料的浸 润性 常用台金元素有 钛 锆 铌 铈等 第二 对增强材料进行表面处理 涂敷 一层可抑制界面反应的涂层 可有效改善浸润性 表面涂层涂覆方法较多 如化学气 相沉积 物理气相沉积 溶胶 凝胶 电镀或化学镀等 3 按结构设计要求将增强材料按所需含量和方向均匀地分布在基体中 也是 金属基复合材料制造中的关键技术之一 兰州火学2 0 0 5 届硕 卜学位论文 1 2 4 2 金属基复合材料的制造方法 金属基复合材料的制各方法可分为固相法 液相法和自生成法及其它制造方法 其中典型的制造工艺有固态法 搅拌铸造 压力铸造 流变铸造以及喷涂沉积法 等 金属基复合材料的品种繁多 应该根据基体金属的物理 化学性质和增强材料的 几何形状 物理 化学性质选择不同的制造方法 下面介绍几种常用的制造方法 1 固态法 将金属粉末或金属箔与增强物 纤维 晶须 颗粒等 按设计要求以一定的含量 分布 方向混合排布在一起 再经加热 加压 将金属基体与增强物复合粘结在一起 形成复合材料 这种制备工艺称为固态复合成型工艺 整个工艺过程处于较低的温度 金属基体与增强物均处于固体状态 金属与增强物之间的界面反应不严重 粉末冶金 法 热压法 热等静压法 轧制法 挤压和拉拔法 爆炸焊接法等等均属于固态复合 成型方法 在某些方法中 如热压法 为了复合更好 有时希望有少量液相存在 即温度控制在基体合金液相线和固相线之间 目前 粉末冶金法是一种比较成熟的工艺方法 合金粉末和增强物可以按所需要 的任何比例混合 增强物的含量不受工艺方法的限制 所选用的颗粒大小也可以在较 大范围内选择 粉末冶金法主要用于颗粒 晶须 短纤维增强金属基复合材料 以制 造各种尺寸精密的粉末冶金零件 这种方法适合于批量生产 直接做出尺寸 形状准 确的零件 减少了后续加工 工艺灵活性大 粉末冶金法的工艺流程大致分为以下三类 颗粒 晶须 1 合金粉末 j 颗粒 晶须 合金粉末 混台i 1 热压r 圳一 一 一成品零件 一 j l 复合材料坯卜 一挤压 轧 一 制 锻造 i 一 一一一 r 一 1l 一 混合r 冷压 1 烧结 l 成品零件i 一 一 l 一 颗粒 晶须 一一 一 怛j 一一鬯孥塑垦 一 挤压 合金粉末一一一 图1 1粉末冶金法制造金属基复合材料的工艺流程 f i g 1 1 t e c h r d c sf l o w o f f a b r i c a t i n g m e t a lb a s e d c o m p o s i t eb yp m 粉末冶金法制备金属基复合材料具有以下优点 1 烧结或热等静压的温度低于金属的熔点 可以减少因高温引起的增强材 料与金属基体的界面上的反应 同时 可以通过烧结或热等静压的温度 压力和时间 等工艺参数的调整来控制界面反应 兰州人学2 0 0 5 届硕士学位论文 2 可以根据所设计的金属基复合材料的性能要求 制造任意比例的短纤维或 颗粒增强的复合材料 3 可以降低增强体与基体相互润湿的要求 也降低增强体与基体的密度差的 要求 能使颗粒或短纤维均匀分布在金属基复合材料中 4 粉术冶金法制备的金属基复合材料可以通过传统的金属加工方法进行二次 加工 进一步提高性能和尺寸精度 2 液态法 液态法是指基体金属处于熔融状态下与固态的增强材料复合在一起的方法 金属 在熔融态流动性好 在一定的外界条件下容易进入增强物间隙中 为了改善液态金属 基体对增强材料的润湿性 可采用加压浸渗 或采用向基体中添加合金元素的方法 还可以通过纤维 颗粒表面涂层处理使金属液与增强物自发浸润 真空压力浸润法 挤压铸造法 搅拌铸造法 液态金属浸渍法 共喷沉积法 热喷涂法等都属于液态法 3 沉积法 沉积法是将纤维束的每根单丝沉积上构成复合材料所需的基体材料 然后进行扩 散粘结制成致密的复合材料 沉积工艺有 浸涂 电镀 喷涂 化学气相沉积 c v d 物理气相沉积 p v d 等 4 原位自生成法 原位自生成法 l7 就是指增强材料在复合材料制造过程中在基体中生成和生长的 方法 增强材料可以共晶的形式从基体中凝固 也可由加入的相应元素之间的反应 或合金熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之间的反应生成 原位自生成复合材 料中基体与增强物间的相容性好 界面干净 结合牢固 特别当增强材料与基体之间 有共格或半共格关系时 能非常有效地传递应力 界面上不生成有害的反应产物 因 此这种复合材料有较优异的力学性能 它包括定向凝固法 反应自生成法和液相反应 自生成法 1 2 5 金属基复合材料的研究现状 金属基复合材料具有高比强度 高比模量 低热膨胀系数等优异的性能 可广泛 应用予民用工业和军事 航空 航天等领域 近年来部分产品已经开始工业化生产 从复合材料的发展来看 金属基复合材料的研究与开发主要集中在以下几个方 面 1 不同金属基体与不同种类与形态的增强材料的复合效果 复合材料的性能 2 新型增强材料的开发 包括金属与非金属纤维 颗粒 晶须 片晶等 3 各种金属基复合材料的制备工艺的研究与开发 包括固态法 液态法 喷 涂与喷射沉积和原位复合法等 以提高复合材料的性能和降低成本 4 增强相 基体界面优化的研究 包括各种金属基复合材料的界面结构 界面 稳定性 界面结合与反应以及界面反应控制等 5 扩大金属基复合材料的应用领域与范围 兰卅i 大学2 0 0 5 届硕 i 学位论文 1 3 增强机理 1 3纤维增强金属基复合材料 根据增强材料的不同 金属基复合材料可以分为弥散强化 颗粒增强和纤维增强 三种 它们的增强原理各不相同i l 纤维增强金属基复合材料是由连续 长 纤维或刁 连续 短 纤维与金属基体复 合而成 在复合材料受力时 高强度 高模量的增强纤维承受大部分载荷 而基体主 要作为媒介 传递和分散载荷 位于基体中的增强纤维 其表面受到基体的保护 不 容易遭受损伤 在受载过程中也难以产生裂纹 所以复合材料的承载能力增强 当复 合材料受到较大应力作用时 某些已经产生裂纹的纤维可能断裂 而塑性和韧性好的 金属基体能够阻止裂纹扩展 纤维断裂时 它们的断f j 往往并不出现在同一平面上 这样 要使复合材料断裂 则必需将许多纤维从基体中拔出 需要克服基体对纤维的 粘结力 因而复合材料的断裂强度得以显著提高 复合材料的力学性能除与纤维和基体性能 纤维体积分数有关外 还与纤维与基 体界面的结合强度 基体剪切强度和纤维排列 分布方式和断裂形式有关 通常纤维 增强复合材料的弹性模量和断裂强度与各组分材料性能关系如下 o c k 盯 1 一 疋 k z 巧 瓦 1 一 式中 o c e c d 瓦 q e s 分别代表复合材料 基体和纤维强度和弹性 模量 是纤维的体积分数 k 足z 为常数 主要与界面强度有关 1 3 2 复合原则 对于结构复合材料 复合的目的是使材料具有最佳的强度 刚度和韧性等 为此 在纤维增强复合材料中 对增强纤维与基体材料都有一定的要求 搐 1 纤维是复合材料的主要承载组分 应具有高强度 高模量 密度小和热稳 定性强等特点 2 基体材料起到粘结纤维的作用 所以 基体必须对纤维具有良好的浸润性 和必要的结合力 保护纤维表面 不引入裂纹和不发生损伤纤维表面的反应 同时具 有一定的塑性和韧性 对裂纹有抑制或致偏作用 3 增强纤维与基体之间能够形成具有一定结合强度的界面 适当的界面结合 强度不仅有利于提高材料的整体强度 更重要的是便于将基体所承受的载荷通过界面 传递给纤维 以充分发挥其增强作用 若结合力低 界面很难传递载荷 不能发挥纤 维的增强作用 影响复合材料的整体强度i 但结合强度太高也不利 它遏制复合材料 在断裂时纤维由基体中拔出而发生的能量吸收过程 降低强度并容易诱发危险的脆性 断裂 4 基体中增强纤维的含量 尺寸及分布必须适宜 5 纤维与基体的热膨胀性能应匹配 一般情况下 希望纤维与基体的热膨胀 兰州大学2 0 0 5 届颂1 一学位论文 系数比较接近 为了获得较佳的复合效果 除了在材料设计中遵循合理的复合原则外 在材料制 备中还要遵循下列原则 1 纤维加入和复合材料制备过程中 尽可能避免对纤维造成的机械损伤 2 纤维加入和压制过程中尽量减少表面镀层的剥落 3 力求实现纤维在基体中的均匀分布 1 4 碳纤维增强镍铜基复合材料 1 4 1 碳纤维的结构与性能 碳纤维f 1 9 2 0 1 是以碳元素组成的各种碳 石墨纤维的总称 碳纤维有许多品种 有 不同的分类方法 按石墨化程度分为碳纤维和石墨纤维 般将在小于1 5 0 0 c 碳化 处理成的称为碳纤维 将碳化处理后再经高温石墨化处理 2 5 0 0 左右 的碳纤维称 为石墨纤维 碳纤维硬度高而石墨纤维模量商 目前公认碳纤维是由二维乱层石墨微晶组成的 微晶沿纤维轴方向择优取向 图 1 2 是碳纤维的外形及其结构模型 2 l 按照这一模型 碳纤维的基本组成部分是由宽 约6 n m 长大于l o o n m 的细小柬条状晶粒所构成的 它们从微观上看呈波纹状 但 从宏观上看 则大体上与纤维轴向相平行 图1 2 碳纤维的形状 a 及其结构模型 b c d f i g 1 2t h ef i g u r eo f c a r b o nf i b e r a a n di t ss t r u c t u r a lm o d e l b c d 碳纤维具有高比强度 高比模量 低密度 耐高温 耐腐蚀 耐疲劳 抗蠕变 导电 传热和热膨胀系数小等一系列优异性能1 2 2 2 3 1 是一种重要的复合材料增强体 根据碳纤维的结构和性能 可分为以下三类 其性能见表1 1 i 型碳纤维 具有高模量 其结晶方向平行于纤维轴的程度高 i i 型碳纤维 具有高模量 结晶方向定向程度低 i 型碳纤维 具有各向同性 结晶属于自由位相 兰州大学2 0 0 5 届硕i 学位论文 表i 1 碳纤维的种类与性能 2 0 堡 壁望坐驾 1 2 型 竺 呈垒 曼 纤维类型 g 比 c m 重3 抗 g 张n 强i t i 度2 比强度 杨 g 式n 模 m 量2 比模量 碳纤维的化学性能和碳很相似 它除了能被强氧化剂氧化外 对一般的酸碱是 惰性的 在空气中 温度高于4 0 0 c f 于 则出现明显的氧化 生成c o 和c 0 2 在不 接触空气和氧化气氛时 碳纤维具有突出的耐热性 碳纤维要在温度高于1 5 0 0 c 时 强度才开始下降 另外 碳纤维还有良好的耐低温性能 如在液氮温度下不脆化 它 还有耐油 抗辐射 抗放射 吸收有毒气体和减速中子等特性口 l 4 2 镍铜合金基体材料的性能 镍基合金具有优良的耐蚀性 而且强度高 塑性大 易于冷热加工 是工业上 很好的耐蚀材料 2 5 2 7 j 常用的耐蚀台金元素有c u c r m o f e m n 等 其中 c u 能提高镍在还原性介质 如非氧化性酸 中的耐蚀性 并使在高速流动的充气海水中 有均匀的钝性 n i 和c u 可形成连续固溶体 当合金中n i 的质量百分数小于5 0 时 腐蚀性能 接近于c u 当大于5 0 时 腐蚀性能接近于n i 镍铜合金主要用于高温并有载荷下 的耐蚀零件及设备 在化学和石化工业以及海洋开发中 可以制各各种换热设备 锅 炉给水加热器 石油和化工用管线 容器以及泵 阀 轴等 镍铜合金是镍基耐蚀合金中用量大 用途广的一类 最著名的n i c u 合金是蒙乃 尔 m o n e l 合金 约含7 0 n i 和3 0 c u 理论密度8 9g c m 3 熔点为1 3 0 0 m 3 8 0 它兼有n i 和c u 的许多优点 强度高 塑性好 在还原性介质中较纯n i 耐蚀 在氧 化性介质中较纯c u 耐蚀 一般对卤素元索 中性水溶液 一定温度和浓度的苛性碱 溶液以及中等温度的稀盐酸 硫酸 磷酸等都是耐蚀性的 它是除铂 银外最好的耐 氢氟酸腐蚀的金属材料之一 在高温下有良好的抗氧化能力 4 0 0 c 以下不改变机械 性能 成为电器工业 海轮制造业和医疗器械制造业中的重要材料弘 1 4 3 碳纤维与基体合金间的相容性及界面控制 基体与增强材料间的相互作用 界面的性质和完善程度对材料的力学性能和其它 性能有着重要的影响 有时 也可以通过化学反应来促进基体与增强材料之间的结合 在金属基复合材料制备过程中 基体和增强材料是在高温下复合 因而会不可避免地 发生不同程度的化学反应 在选择复合体系时瘟充分考虑原材料的性能和它们