复合材料-第四章金属基复合材料

复合材料,第四章金属基复合材料,第四章金属基复合材料,金属基复合材料(MetalMatrixComposites,MMC)，是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷、碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。,41MMC的沿革和发展,随着现代科学技术的飞速发展，人们对材料的要求越来越高。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。,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。,目的：把基体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。,金属基复合材料真正的起步是在20世纪50年代末或60年代初。美国国家航空和宇航局(NASA)成功地制备出W丝增强的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。随后，对纤维金属基复合材料的研究在20世纪60年代迅速发展起来。那时，主要的力量集中在以钨和硼纤维增强的铝和铜为基的系统。在这种复合材料里，基体的主要功能在于把载荷传递和分配给纤维。,关于连续纤维增强的复合材料的研究在70年代里有点滑坡，主要归咎于该材料的昂贵价格和受生产制造的限制。涡轮发动机的各个部件对于高温高效性材料的不断需求，触发了对金属基复合材科特别是钛基材料的广泛兴趣的复苏。,70年代中，液钠法和TiB工艺的研究成功，解决了碳纤维与铝液的浸润问题，从而使碳纤维增强铝基复合材料的研制及应用取得了较大进展。70年代末出现了碳化硅纤维、晶须、颗粒和氧化铝纤维增强铝、钛等多种金属基复合材料，使金属基复合材料向多品种发展、逐渐形成了金属基复合材料体系。80年初开始重视对其制备工艺技术的研究，如压铸、半固态复合铸造以及喷射沉积和原位金属直接氧化法、反应生成法。80年中开始对金属基复合材料界面及界面稳定性的研究。,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，特别是晶须增强复合材料和颗粒增强复合材料在民用领域得到较好的应用。,20世纪60年代，美国航天飞机主舱体的主龙骨的支柱就采用了硼纤维增强铝基复合材料，从而取代了铝合金，减重145公斤。,的中央翼盒和机上许多部件一样，采用了碳纤维增强塑料（）。这种材料重量较轻，强度更高。除外，货机还大量使用了玻璃纤维铝合金层板。这种材料由多层铝合金和玻璃纤维层叠而成，密度比铝小，抗疲劳、防火和防破坏等性能都有明显提高。,新材料、新技术、新工艺A380,新材料在空中客车A380上的分布,新材料、新技术、新工艺A380,使A380净重减少到240吨左右，比采用747技术制造的近似尺寸的飞机要轻10吨15吨。,MMC的分类,按增强材料形态,纤维增强复合材料,颗粒和晶须增强复合材料,按金属基体,铝基复合材料钛基复合材料镍基复合材料镁基复合材料高温合金基复合材料,层状复合材料,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。,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、钛合金和镁合金。,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。,MMC的SEM照片,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。,三明治复合,金属基复合材料的研究重点：1）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能；2）增强相/基体的界面优化、界面设计；3）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和降低成本；4）新型增强剂的研究开发；5）复合材料的扩大应用。,42MMC的性能特征,高比强度比模量导热、导电性能好热膨胀系数小、尺寸稳定性好良好的高温稳定性和热冲击性良好的耐磨性良好的断裂韧性和抗疲劳性能。不吸潮、不老化、气密性好,1）高比强度、高比模量,高强度、高模量、低密度的增强纤维的加入，使MMC的比强度和比模量成倍地提高。,2）导热、导电性能好,MMC中金属基体含量一般60%（vf），所以仍保持金属所具有的良好导热和导电性。良好的导热性可有效传热，减少构件受热后产生的温度梯度和迅速散热，这对尺寸的稳定性要求较高的构件和高集成度电子器件尤为重要。良好的导电性可防止飞行器构件产生静电聚集的问题。,3）热膨胀系数小、尺寸稳定性好,MMC所用增强物如碳纤维、SiC纤维、B纤维，均具有很小的热膨胀系数，又有很高的模量，特别是高模量、超高模量石墨纤维具有负的热膨胀系数。加入适当含量增强物，并合理设计纤维铺层可使的热膨胀系数明显下降，甚至可以实现的零膨胀。,4）良好的高温稳定性和热冲击性,金属基体的高温性能比聚合物高很多，加上增强材料主要为无机物，在高温下具有很高的强度和模量，因此比基体金属具有更高的高温性能。例如：石墨铝复合材料在高温下，仍具有的高温强度；而铝基体在强度已下降到以下。,5）良好的耐磨性好,中加入了硬度高、耐磨、化学性质稳定的陶瓷纤维、晶须、颗粒，具有良好的耐磨性。例如：颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比铝高出倍以上，甚至比铸铁的耐磨性还好。高耐磨性材料在汽车、机械工业中具有重要应用前景。如汽车发动机、刹车盘、活塞等。,6）良好的断裂韧性和抗疲劳性能,钛等金属及合金韧性基体，受到冲击时能通过塑性变形来接收能量，或使裂纹钝化，减少应力集中而改善韧性。因此金属基复合材料相对聚合物基、陶瓷基复合材料而言，具有高韧性和耐冲击性。,7）不吸潮、不老化、气密性好,与聚合物相比，金属性能稳定、组织致密，不会老化、分解、吸潮等，在太空中使用不会分解出低分子物质污染仪器和环境。,43MMC的制备工艺,金属基体与增强材料的结合方式和结合性；金属基体增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制；增强材料在金属基体中的均匀分布；防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤；优化工艺参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。,金属基复合材料的制备工艺研究主要有以下五方面：,金属基复合材料是怎么得到的？,金属基复合材料制备工艺的分类：1）固态法：主要为扩散结合、粉末冶金法。2）液态法：液态浸渗、真空压铸、半固态铸造等。3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。4）原位复合。,工艺流程将金属粉末或金属箔与增强物（纤维、晶须、颗粒）按设计要求以一定的含量、分布、排布在一起；加热、加压扩散粘接：将金属与增强物复合在一起，形成MMC。特点：整个工艺过程处于较低的温度，金属和增强物都处于固态；界面反应不严重。,一、固态法,固态制备工艺主要为扩散结合和粉末治金两种方法。,1扩散结合扩散结合(DiffusionBonding)是一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺方法。是在一定的温度和压力下，把新鲜清洁表面的金属和增强材料，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。,2.粉末冶金法,热等静压或烧结温度低于金属熔点，同时可通过热等静压或烧结时的温度、压力和时间等工艺参数来控制界面反应。根据设计的性能要求，使增强材料(纤维、颗粒或晶须)与基体金属粉末以任何比例混合，而液态法是无法达到的。可降低增强材料与基体互相湿润和密度差的要求，使颗粒或晶须均匀分布在金属基体中。无偏折、偏聚等缺陷可二次加工,固态法的优点：,35,粉末冶金技术的主要应用：,汽车动力系统：,36,汽车发动机用粉末烧结钢零件,二、液态法,液态法亦可称为熔铸法，其中包括压铸，半固态复合铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法等。这些方法的共同持点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。液态法是目前制备颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料的主要工艺方法。与固态法相比、液态法的工艺及设备相对简便易行，和传统金属材料的成型工艺，如铸造，压铸等方法非常相似、制备成本较低、因此液态法得到较快的发展。,压铸法,压铸成型，是指在压力的作用下，将液态或半液态金属基复合材料或金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的孔隙中，在压力下快速凝固成型而制备金属基复合材料的工艺方法。,液态渗透法,毛细管上升法,压力渗透法,真空吸铸法,半固态复合铸造,将增强颗粒加入半固态的金属熔体中，然后将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。金属熔体的温度控制在液相线和固相线之间，通过搅拌，使部分树枝状结晶体破碎成固态颗粒。当加入预热后的增强颗粒时，在搅拌中增强颗粒受到金属颗粒阻碍而滞留在半固态熔体中减少集结和偏聚，同时搅拌可促进颗粒与金属基体的接触和润湿。,制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层。以防止在复合过程中损伤碳纤维,从而使复合材料的整体性能下降。目前,在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用涂层法、液钠法等.,液态法制备对碳纤维的处理,TiB涂层法是将TiCl4和BCl3，用Zn蒸汽作还原剂，在700下进行化学气相沉积，在碳纤维上涂以TiB共积层。这种涂层能很好地被液态铝润湿，并可防止碳纤维与铝形成界面反应产物A14C3。,液钠法主要依据是Na在450时就可湿润碳，但在600以上温度时，碳纤维会被Na腐蚀，并渗入纤维中，损伤碳纤维，因此钠处理的最佳温度在550左右。,三、喷涂与喷射沉积,喷涂沉积主要应用于纤维增强金属基复合材料的预制层的制备，也可以获得层状复合材料的坯料。喷射沉积则主要用于制备颗粒增强金属基复合材料。喷射与喷涂沉积工艺的最大特点是增强材料与基体金属间润湿性要求低；增强材料与熔融金属基体的接触时间短，界面反应量少。,喷涂沉积,喷涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。,喷涂沉积,喷射成型法,在高速惰性气体射流的作用下，液态金属形成“雾化锥”；同时通过一个或多个喷嘴向“雾化锥”喷射入增强颗粒；使之与金属雾化液滴一齐在一基板（收集器）上沉积并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。,喷射成型法示意图,喷射沉积,四、原位复合,原位复合方法主要有共晶合金定向凝固法、直接金属氧化法(DIMOXTM)和反应生成法（XDTM)。解决了增强材料与金属基体之间的相容性问题、即增强材料与金属基体的润湿性要求。解决了高温下的界面反应等。,共晶合金直接凝固法,规则合金定向凝固,直接金属氧化法,反应生成法,表MMC主要制作方法及适用范围,44金属基复合材料种类,一、铝基复合材料,铝基是有面心立方结构，没有同素异构体转变的有色金属。铝的熔点为660度，密度2.7g/cm3,仅为钢铁的三分之一左右。工业纯铝具有以下特性：（1）塑性优异；（2）铝的导电、导热性能好，约为铜的60%左右，可作为铜的代用材料，制作铝导线；（3）铝的化学活性高，在大气中铝表面形成一层薄而又致密的氧化铝膜，防止铝继续氧化。（4）铝的强度不高，不适合做承受力大的结构材料使用。,在金属基化合物中,以铝基复合材料的研究最早最深入,并且已经开始商品化生产重量轻,比强度和比刚度高,具有高的剪切强度热膨胀系数低,热稳定性高,有良好的导热和导电性能商品化的产品有BF/Al、CF/Al、SiC/Al、Al2O3/Al等复合材料主要有颗粒（晶须）增强铝基和纤维增强铝基复合材料,颗粒（晶须）增强铝基MMC,颗粒（晶须）增强铝基MMC的性能好，且可用常规方法加工。增强颗粒价格低廉，因此，具有广泛的应用前景。目前主要使用的有SiC、Al2O3颗粒（晶须）增强铝基MMC。,纤维增强铝基MMC,按纤维长短分为长纤维增强、短纤维增强铝基MMC。长纤维增强铝基MMC长纤维对铝的增强方式：单向纤维增强、二维织物增强和三维织物增强。主要增强材料：Bf、Cf、SiCf、Al2O3f、不锈钢丝等。,短纤维增强铝基MMC,特点：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型工艺方法如铸、锻、挤、轧等，而且材料性能是各向同性的。短纤维增强材料:氧化铝、硅酸铝、碳化硅等,铝基MMC具备了比强度、比模量高的特性，已被广泛地应用于航空航天制品中。,二、钛基复合材料,钛及钛合金具有重量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及良好的低温韧性等特点。我国具有丰富的钛矿资源，其储量位于世界前列，约占世界储量的20%。纯钛的塑性极好，容易加工成型，强度偏低，但含有氢、碳、氧、铁和镁等杂质元素。工业纯钛的抗拉强度可以提高到700MPa,并仍能保持良好的塑性和韧性。,钛基复合材料(TMCs)主要是SiC颗粒和SiC纤维进行增强，以其高的比强度、比刚度和抗高温特性而成为超高音速宇航飞行器和下一代先进航空发动机的候选材料。,三、镁基复合材料,镁属常见元素，地壳中储量极大。镁的密度为1.74g/cm3,约为铝的三分之二。镁及镁合金常用金属及合金中密度最轻的金属工程材料。镁及镁合金是航空工业中应用较为广泛的有色轻金属结构材料。,镁基复合材料，常用增强材料有SiC、B4C纤维，晶须或颗粒。,镁基复合材料，由于其密度低，比强度、比刚度高，减震性能好，能承受较大的冲击振动负荷，因此在光学仪器、电子工业、机械等工业部门也得到应用。,四、镍基复合材料,优点：耐高温性能好，镍基合金是在金属中耐高温最好的材料，可在1000以上长期使用。密度（5.869g/cm3)。缺点：制备困难，镍基合金具有高熔点（NiAl合金熔点1640），纤维和基体之间反应的可能性增加。主要增强体：Al2O3和SiC颗粒、晶须、纤维，TiC和TiB2颗粒及W丝等。可做燃气涡轮发动机的叶片等高温环境下。,45金属基体的选择原则,用作金属基复合材料的金属有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等,金属基复合材料的使用要求金属基复合材料组成特点基体金属与增强物的相容性,选择依据：,一、金属基复合材料的使用要求,构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据,在航天、航空技术中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。,高性能发动机则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。,在汽车发动机中要求其零件耐热、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。工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。选用