金属基体材料和高性能金属基复合材料.ppt

6金属基体材料与高性能金属基复合材料 6 1高性能复合材料的金属基体6 2高性能金属基复合材料 6 1 1概述 以金属或金属间化合物作为基体的复合材料称为金属基复合材料 MetalMatrixComposites 简记为MMC 例如 硼纤维增强铝 镁 钛及其合金 B Al B Mg B Ti 碳纤维增强铝 镁及其合金 C Al C Mg 碳化硅纤维增强铝 镁 钛及其合金 SiC Al SiC Mg SiC Ti 氧化铝纤维增强铝及其合金 Al2O3 Al Al2O3 Al Li 钨丝增强铜 W Cu 铬丝增强镍铝金属间化合物 Cr Ni Al 金属基体在复合材料中的作用 1 固结增强体 与增强体一道构成复合材料整体 保护纤维使之不受环境侵蚀 2 传递和承受载荷 在颗粒增强金属基复合材料中基体是主要承载相 在纤维增强金属基复合材料中 基体对力学性能的贡献也远大于在聚合物基体和陶瓷基体在复合材料中的贡献 3 赋予复合材料一定形状 保证复合材料具有一定的可加工性 4 复合材料的强度 刚度 耐高温 耐介质 导电 导热等性能均与基体的相应性质密切相关 金属基体在复合材料中的体积比 金属基体在复合材料中占有很大的体积比 连续纤维增强金属基复合材料中基体约占50 70 颗粒增强金属基复合材料中 根据不同性能要求 基体体积比可在90 25 范围内变化 多数为80 90 短纤维 晶须增强金属基复合材料中 基体体积比在70 以上 一般为80 90 金属基体的优势 金属是最古老 最通用的工程材料之一 它们有许多成熟的成型 加工 连接方法可供金属基复合材料借鉴 在使用寿命 性能测试等方面有丰富的技术资料 对金属基体自身的性能积累有丰富的数据 对它们在使用中的优缺点拥有丰富的经验 弹性模量和耐热性高 强度高 还可以通过各种工程途径来进行强化 塑性 韧性好 是强而韧 strongandtough 的材料 电 磁 光 热 弹等性能好 有应用于多功能复合材料的发展潜力 图6 1工程材料的断裂能之比较 金属 无机玻璃 未改性的环氧 聚酯和聚酰亚胺 有机玻璃 PMMA 聚砜热塑性 PSF 合成橡胶改性环氧 利用金属基体制成MMC的综合性能 8 导电导热性强 9 对温度变化或热冲击的敏感性低 10 抗腐蚀性好 11 无放气污染 12 不吸湿 不老化 防燃 抗辐射 13 性能再现性好 14 便于制造 成型 加工 连接和精整 1 高比强度 2 高比模量 3 高的韧性及抗冲击性能 4 良好的耐热性 5 良好的耐磨与阻尼性 6 与增强纤维复合后可以制造低热膨胀系数的 尺寸稳定性好的复合材料 7 表面耐久性好 对表面裂纹敏感性低 6 1 3 1金属基复合材料的使用要求 1 航天 航空领域对基体金属的要求性能要求 比强度高 比模量高 尺寸稳定性高 作为航天飞行器和卫星的构件时 基体应选用密度小的轻金属合金 如镁合金 铝合金 增强体应选用高强度 高模量的连续石墨纤维 硼纤维等 2 高性能发动机领域对基体金属的要求性能要求 高比强度 比模量 优良的耐高温持久性能 能在高温氧化性气氛中长期工作 基体选用钛基合金 镍基合金及金属间化合物 增强体选用碳化硅纤维 增强钛合金 钨丝 增强镍基超合金 等 制作喷气发动机增压叶片 传动轴等零件 3 汽车发动机领域对基体金属的要求性能要求 耐热 耐磨 热膨胀系数小 一定的高温强度 成本低廉和适合于批量生产 基体选用铝合金 增强体选用碳化硅颗粒 氧化铝短纤维和碳短纤维等 制作发动机活塞 缸套 连杆等零件 4 电子工业领域对基体金属的要求性能要求 高导电 高导热 低热膨胀系数 基体选用导电 导热性能优异的银 铜 铝等 增强体选用高模量石墨纤维等 制作集成电路散热元件和基板等 6 1 4 1常用金属基体材料的种类及性能 常用金属材料包括铝 镁 钛 铜 金属间化合物和高温合金 铁及铁合金 有时包括锰 铬 称为黑色金属 除钢铁以外所有的其他金属统称为有色金属 如铝 铜 镁 钛 钨等 金属与非金属 金属与金属之间形成的化合物称为金属间化合物 如钛铝 镍铝 铁铝等 高温合金主要是镍基 铁基合金 金属基复合材料的常用金属基体有 铝 Aluminum 及其合金镁 Magnesium 及其合金钛 Titanium 及其合金铜 Copper 及其合金镍 Nickel 及其合金不锈钢 stainlesssteel 金属间化合物 Intermetalliccompounds 6 1 4 2不同基体的金属基结构复合材料的使用温度范围 对用于各种航空 航天 汽车 先进武器等结构复合材料基体的要求是 高比强度和比刚度高的结构效率 不同基体金属基复合材料的使用温度范围 450 650 1200 铝及铝合金 钛合金金属间化合物 镁及镁合金镍基 铁基耐热合金 图6 58碳纤维增强铝预制丝横截面金相照片 1 碳纤维增强金属基复合材料的结构用超声波振动浸渗法制备的碳纤维增强铝预制丝的横截面结构的金相照片表明 碳纤维在铝基体中分布十分均匀 图6 59碳晶须 铝合金 6061横截面 用液态浸渍法制备的碳晶须增强铝合金 6061 复合材料横截面结构的金相照片表明 碳晶须在铝基体中的分布无方向性 这种复合材料的性能呈各向同性 图6 59碳纤维 铝复合材料拉伸断口 用固态法制备的碳纤维增强铝复合材料的拉伸断口扫描电镜照片表明 断口表面不平坦 有一些纤维拔出 在基体上还有拔出纤维留下的空洞 这种复合材料断口表明其拉伸强度较高 图6 61碳化硅 含钛 铝预制丝 非圆形截面 的结构 用超声波振动浸渗法制备的含钛碳化硅纤维 TyrannoSiC纤维 增强铝预制丝横截面的金相照片表明 预制丝具有非圆形横截面 纤维在铝基体中分布不十分均匀 图6 62从预制丝中萃取的碳化硅 含钛 纤维 a 表面光滑 b 表面粘有基体铝 a b 从预制丝中萃取的TyrannoSiC纤维表面形貌的扫描电镜照片表明 a 纤维表面光滑 表面上无铝粘连 说明在制造预制丝过程中纤维与铝之间没有发生化学反应 b 纤维表面粘有基体铝 说明在制造预制丝过程中纤维与铝之间发生一定程度的化学反应 图6 63用预制丝固态热压法制得的NicalonSiC纤维 Al复合材料金相照片 a 横截面 50 b 纵截面 50 a b 用预制丝固态热压法制得的NicalonSiC纤维增强铝复合材料横截面和纵截面的低倍 50倍 金相照片 横截面的金相照片 a 表明 SiC纤维与铝基体的润湿比较均匀 但在束丝与束丝之间含有明显多的基体铝 纵截面的金相照片 b 表明 纤维的平行度不是很好 且含有一些未润湿的区域 图6 64NicalonSiC纤维 Al复合材料横截面金相照片 a 200 b 400 a b 用预制丝固态热压法制得的NicalonSiC纤维增强铝复合材料横截面的高倍 200倍和400倍 金相照片 a 表明 SiC纤维与铝基体的润湿不十分均匀 纤维与纤维之间留有未被基体铝润湿的空隙 b 表明 SiC纤维与铝基体的润湿比较均匀 图6 65NicalonSiC纤维 Al复合材料的金相照片 a 纤维平行排布 b 束丝纤维正交排布 a b 图6 65TetolonSiC纤维 Al预制丝中的纤维分布 纤维是非圆形截面 纤维在铝基体中分布比较均匀 图6 69TyrannoSiC纤维 Al Cu复合材料拉伸断口 平断口 a 纤维出现裂纹 b 拔出纤维表面粘铝 a b TyrannoSiC纤维增强Al Cu合金复合材料的拉伸断口扫描电镜照片 a 表明 纤维产生劈裂 b 表明 纤维被拔出 且纤维表面还包覆较厚的铝层 说明纤维与基体之间的界面结合较强 图6 70NicalonSiC纤维 Al复合材料拉伸断口 a 平断口 b 拔出纤维表面黏铝 a b 用真空液相压渗法制备的NicalonSiC纤维增强铝复合材料的拉伸断口扫描电镜照片 a 表明断裂纤维具有平滑表面 b 被拔出纤维表面黏有撕裂的铝 这两个图表明 在拉伸过程中 纤维呈脆性断裂 基体呈韧性断裂 纤维与基体之间界面结合较强 图6 71TetolonSiC纤维 Al复合材料中的拉伸断口 用固态热压法制备的CVDSiC纤维增强铝复合材料横截面金相照片表明 这种单丝粗SiC纤维在基体中呈规整的等边三角形排列 复合材料的拉伸强度明显高于束丝细SiC纤维复合材料的强度 图6 72CVDSiC纤维 Al复合材料中纤维的分布 100 200 400 400 图6 73日本住友化学Al2O3纤维 Al 6061复合材料中纤维的分布 a 未腐蚀 200 b 10 NaOH 20s腐蚀 400 a b 用真空液相压渗法制备 工艺是将720 的铝合金 6061 压渗入日本住友化学Al2O3纤维中 得到复合材料 Al2O3纤维 Al 6061复合材料横截面的金相照片表明 纤维在基体中分布均匀 a 未经腐蚀的照片 b c 经10 NaOH腐蚀20s的不同倍数的金相照片中发现基体铝合金中有析出的第二相 图6 74日本住友化学Al2O3纤维 Al 6061复合材料中纤维的分布 c 10 NaOH 20s腐蚀 1800 c SiC晶须 Al复合材料中晶须的分布 Si3N4晶须 Al 6061复合材料中晶须的分布 Al2O3晶须 Al 6061复合材料中晶须的分布 9Al2O3 2B2O3纤维 Al 6061复合材料TEM照片 K2O 6TiO2晶须 Al 6061复合材料中晶须的分布 几种晶须增强铝及铝合金的扫描电镜图 图6 72SiC晶须 Al复合材料中晶须的分布 图6 73 Si3N4晶须 Al 6061复合材料中晶须的分布 图6 74Al2O3晶须 Al 6061复合材料中晶须的分布 图6 789Al2O3 2B2O3纤维 Al 6061复合材料TEM照片 图6 79K2O 6TiO2晶须 Al 6061复合材料中晶须的分布 图6 80K2O 6TiO2晶须 Al 6061复合材料的TEM照片 6 2 4 2金属基复合材料的性能 1 高性能金属基复合材料对组成相的要求欲获得强度高 韧性好的金属基体复合材料 要求 a 增强体是高模量 高强度和高长径比的连续纤维 b 当纤维产生裂纹时 韧性金属可以使裂纹钝化 纤维与基体结合良好 其界面能有效传递载荷 在制造加工或服役过程 比较难于控制的问题还有 纤维与基体在界面处发生反应和纤维与基体之间热膨胀系数不匹配引起热应力 因此 欲获得强度高的MMC 我们还需要 c 纤维在复合材料中的原位强度高和临界裂纹密度低 d 基体金属的韧性高 2 力学性能 连续纤维增强金属基复合材料的的力学性能呈高度各向异性 MMC比强度 比模量均比未加增强体的基体材料显著提高 室温延伸率比基体明显下降 高温强度 尤其是非连续增强体复合材料 比基体明显提高 断裂韧性比基体有所降低 当界面结合好时 MMC的疲劳性能较好 20 多晶氧化铝纤维增强铝合金在350 拉伸强度比未加增强纤维的基体提高1倍 相当于基体金属在250 时的拉伸强度 即加入纤维的结果可使耐热性提高100 20 SiC晶须增强铝基复合材料在350 的拉伸强度比未加晶须的基体金属材料提高两倍以上 SiC纤维增强铝复合材料的高温性能和作为比较的基体铝的高温性能 可见 弹性模量随温度升高只有微小降低 屈服强度和断裂强度保持到200 基本不下降 在更高温 约300 才急剧下降 金属基复合材料比未增强的基体金属材料具有更好的高温性能 金属基复合材料的热学性能包括 热膨胀 热传导率 热残余应力 耐热冲击 热循环 3 热学性能 4 热处理性能 Nick和Karlak指出 在B4C Al 6061复合材料中 因有B4C颗粒存在 能加速基体的时效敏感度 分析原因 这是由于增强体与基体之间存在热膨胀系数不匹配和存在因颗粒弥散而形成的大量界面 导致基体中的位错密度升高 这两个因素均导致有效扩散系数增加 从而有助于合金元素形成沉淀物 同时也导致基体加速时效的敏感度增加 纤维长径比 基体应力 应变指数是影响蠕变的重要因素 难熔金属丝增强镍基超合金复合材料中 纤维与基体在高温下均会发生蠕变 这是因为基体与增强体的熔点相近 陶瓷纤维 金属 SiC Al Al2O3 Al 中 基体蠕变绝对值大于纤维 在蠕变的基体中纤维只有弹性变形 从而使复合材料的总蠕变速率下降 5 抗蠕变性能 非连续纤维增强金属基复合材料中 由于基体在纤维端部发生塑性流变 因而其蠕变量较连续纤维增强金属基复合材料的大 当非连续纤维增强金属基复合材料承受偏轴载荷时 因为有垂直轴向分力的作用 也使蠕变量增大 6 磨擦磨损性能 高强度 高模量 高硬度的陶瓷类增强材料 颗粒 晶须 纤维等 加入金属基体中 能够明显改善金属基复合材料的耐磨性 某些具有自润滑作用的增强材料的加入 又可以大幅度调节金属基复合材料的摩擦系数 因此 通过控制和调整增强体的种类 形态 尺寸 取向等 可以获得磨耗最小的材料及与对磨材料最佳匹配的摩擦材料 硅酸铝 Al2O3 SiO2 短纤维增强铝基复合材料与球墨铸铁的磨损实验曲线表明 硅酸铝的加入量小于7 时 就能使铝基复合材料的耐磨性成倍提高 铸造铝合金ZL109在载荷为20N时 出现严重的黏着磨损 而Al2O3 SiO2 4 5 ZL109复合材料在载荷70N时仍为正常磨损 能够作为摩擦磨损材料的金属基复合材料体系有 碳化钛 TiC 颗粒增强铝合金 5052 碳纤维增强铜合金 Cu 6Sn Cu Sn Cu Ag Cu Ag Ni等 原位反应生成颗粒增强金属基复合材料 Al3Ti Al2O3 Al Al2O3 TiB2 Al Al2O3 Al3Ti TiB2 Al等 一些研究者认为 当陶瓷颗粒增强金属基复合材料中颗粒体积分数一定时 尺寸较大的颗粒比尺寸较小的颗粒的磨损速率更低 另外 磨损速率降低与摩擦系数的变化并不直接相关 界面结合强度高的颗粒增强金属基复合材料的耐磨损性能更高 在磨粒磨损情况下 磨粒直径对复合材料的磨损行为有较大影响 当磨粒较细小时 随着增强材料体积分数增加 耐磨性的改善呈线性变化 当磨粒较大时 随着纤维体积分数增加 耐磨性达到极大值 再进一步增大纤维体积分数则会引起耐磨性降低 当将固体润滑材料加入到金属基体中 或者通过反应从金属基体中生成析出的自润滑组分时 可以得到金属基自润滑复合材料 这类材料正被广泛应用于滑动轴承和一些耐磨部件 如高速轴承 高温轴承 电器触头和活塞 自润滑复合材料的磨损率随固体润滑剂体积分数的增加而下降 当固体润滑剂体积分数一定时 复合材料的磨损率则随着接触压强增大而上升 随着滑动速度的增加而降低 高模碳纤维增强铝基复合材料 HM Cf Al 复合材料虽然具有高韧性与低热膨胀系数 但易受电化学腐蚀 在水中形成微电池 碳是阴极 铝是阳极 使基体铝不断水解 解决办法 在Cf Al复合材料表面施加玻璃绝缘涂层 7 电化学性能 6 2 5金属基复合材料的应用 Bf Al 用作航天飞机轨道飞行器中管状桁架部件 inthetubulartrussmembersintheSpaceShuttleOrbiter Cf Al 用作NASA空间望远镜的大型天线支杆 alargeantennaboomcumwaveguidedesignedfortheNASAspacetelescope 当使用温度在对太阳面与背太阳面的温差达120 时 能够保证望远镜的安装位置不因温度变化而变化 其弹性模量 E 大于358GPa 热膨胀系数 接近于零 图6 86航天飞机中段主机身的B Al管件桁架 FP Al2O3 Al或FP Al2O3 Mg 用作汽车部件 automotiveparts 和内燃机连杆 internalcombustionengineconnectingrods Wf Cu 用作电触头 electricalcontact 起发汗作用的火箭发动机喷管喉衬 cryogenicallycoolledthrustchamberlinersforrocketengines 定向凝固共晶复合材料InSb NiSb 用于抗磁装置 magnetoresistancedevice 无触点控制装置 contactlessc