金属基复合材料 3

金属基复合材料,内容,1,2,3,4,金属基复合材料概述,5,金属基复合材料的分类,金属基复合材料制备工艺,金属基复合材料的界面,铝基复合材料(硼铝基复合材料),一、金属基复合材料概述,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，尤其是在航空航天领域。金属基复合材料正是为满足上述要求而诞生的。金属基复合材料（MMC）是以金属或合金为基体，以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的非均质混合物，共同点是具有连续的金属基体。,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；与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能；与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性。,5,构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据，也是其发展的动力。,金属基复合材料的使用要求,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。,高性能航空发动机、燃气轮机：要求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。,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航空发动机叶片、转轴等重要零件。,在汽车发动机中要求其零件具有耐热、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。,选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、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。,二、金属基复合材料的分类,金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。,基体,铝基复合材料镁基复合材料钛基复合材料镍基复合材料铜基复合材料,增强体,颗粒增强金属基复合材料短纤维、晶须增强金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料层状复合材料,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。这主要是由于与纯铝相比，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。,1、铝基复合材料,以镍及镍合金为基体制造镍的高温性能优良用来制造高温下工作的零部件，以镍为基体（含量一般大于50%）的高温合金，在6501000范围内具有较高的强度和良好的抗氧化性、抗燃气腐蚀能力。,2、镍基复合材料,镍基复合材料广泛地用来制造喷气发动机、工业燃气轮机的热端部件，如工作叶片，导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。,11,钛比其它的结构材料具有更高的比强度。此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。因此，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。随着速度的进一步加快，为此需要高刚度的材料，而纤维增强钛基复合材料恰可满足这种对材料刚度的要求。最常用的增强体是硼纤维，钛与硼的热膨胀系数比较接近。,3、钛基复合材料,表-1基体和增强体的热膨胀系数,表-2一些增强纤维的典型性能,米格-2580%镍基合金钢,SR-7193%钛合金,三、金属基复合材料制备工艺,固态法：扩散结合、超塑性成型/扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造喷射成型法：添加法、反应法原位生长法：共晶合金定向凝固法、直接金属氧化法、反应自生成法,表-3常用的金属基复合材料制备工艺,扩散结合,在一定的温度和压力下，把表面新鲜清洁的相同或不同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。扩散结合是在较长时间的高温及不大的塑性变形作用下依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。扩散结合的过程：粘接表面之间的最初接触，由于加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜破坏；发生界面扩散和体扩散，使接触面密着粘接；热扩散界面最终消失，粘接过程完成。扩散结合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。,扩散结合工艺中，增强纤维与基体的结合主要分为三个关键步骤：纤维的排布；复合材料的叠合和真空封装；热压。,扩散结合的工艺过程,a)金属箔复合法b)金属无纬带重叠法c)表面镀有金属的纤维结合法,采用扩散结合方式制备金属基复合材料，工艺相对复杂，工艺参数控制要求严格，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。但扩散结合是连续纤维增强并能按照铺层要求排布的唯一可行的工艺。在扩散结合工艺中，增强纤维与基体的湿润问题容易解决，而且在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。在金属基复合材料的早期生产中大量采用扩散结合工艺。,扩散结合的特点,四、金属基复合材料的界面,1、金属基复合材料的界面,2、金属基复合材料的界面结合,在金属基复合材料中，需要在增强相和基体界面上建立一定的结合力。在不同的界面结合受载时，如结合太弱，纤维大量拔出，强度低；结合太强，纤维受损，材料脆断，既降低强度，又降低塑性。只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高塑性。,金属基复合材料的界面结合形式,（1）机械结合：第一类界面。主要依靠增强剂的粗糙表面的机械“锚固”力结合。（2）浸润与溶解结合：第二类界面。如相互溶解严重，也可能发生溶解后析出现象，严重损伤增强剂，降低复合材料的性能。如采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料以及碳纤维/镍基复合材料在600C下碳在镍中先溶解后析出的现象等。（3）化学反应结合：第三类界面。大多数金属基复合材料的基体与增强相之间的界面处存在着化学势梯度。只要存在着有利的动力学条件，就可能发生相互扩散和化学反应。,3、金属基复合材料的界面优化及界面设计,改善增强剂与基体的润湿性以及控制界面反应的速度和反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或界面层的产生，进一步进行复合材料的界面设计，是金属基复合材料界面研究的重要内容。从界面优化的观点来看，增强剂与基体在润湿后又能发生适当的界面反应，达到化学结合，有利于增强界面结合，提高复合材料的性能。,23,界面优化以及界面设计一般有以下几种途径：,增强剂的表面改性处理（1）改善增强剂的力学性能(保护层);（2）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性(润湿层);（3）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应(阻挡层);（4）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数等的不同以及热应力集中等因素所造成的物理相容性差的现象(过渡层、匹配层)。常用的增强材料的表面(涂层)处理方法有：PVD、CVD、电化学、溶胶-凝胶法等。,金属基体改性（添加微量合金元素）,在金属基体中添加某些微量合金元素以改善增强剂与基体的润湿性或有效控制界面反应。（1）控制界面反应。如在纯钛中加入合金元素Al、Mo、V、Zr等可显著减小钛合金与硼纤维的反应速度常数。（2）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制备温度和时间。如采用液态浸渗法制备铝基复合材料时，在铝液中加入一定量的Si元素，明显地降低了铝合金的熔点、提高了铝液的流动性，因而降低了复合材料的浸渗温度。（3）改善增强剂与基体的润湿性。如将3%的合金元素镁作为活性元素添加到铝中后，可使液态铝的表面能下降。,五、铝基复合材料,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、巨型火箭、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，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。复合材料的一个主要目标就是应用像硼那样极高强度的共价结合纤维与适合于结构制造和应用的基体来克服这些限制，而铝则是被选用最广的基体材料。硼铝复合材料在研究上很重视。,硼铝基复合材料,与树脂基复合材料相比，硼铝的弹性模量接近各向同性，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。硼铝基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是非常重要的。而硼铝基复合材料的优越性能则为其应用提供了有利的保障。,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。与这些要求有关的纤维主要性能已列于表-2，在表中的每一种纤维与硼纤维相比都各有缺点。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。,28,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11001300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2.55gcm3。由于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。此外，硼纤维还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以上短时间暴露于氧气中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。,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。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。,2、硼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:一、纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行;二、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。,制造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材料组分的组装压合和零件层压。大多数硼铝基复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。前述的两种工艺具有十分相似的制造工艺，这就是把树脂粘合的或者是等离子喷涂的条带预制品再经过热压扩散结合。,挥发性粘合剂工艺,这种工艺是最直接的方法，几乎不需要什么重要设备或专门技术。制造预制品的材料包括成卷的硼纤维、铝合金箔、气化后不留残渣的易挥发树脂以及树脂的溶剂。铝箔的厚度应结合适当的纤维间距来选择，通常为5075um。所用的纤维排列方法有两种：一、单丝滚筒缠绕二、从纤维盘的线架用多丝排列成连续条带,33,前一种工艺利用滚筒缠绕可能做成幅片，其尺寸等于滚筒的宽度和围长。由于简单的螺杆机构便能保证纤维盘的移动与滚筒转动相配合，故能使间距非常精确和满足张力控制。缠绕鼓(基体箔材)纤维定向定间距缠绕涂敷聚合物粘结剂定位第二种纤维排列法是制造连续多丝条带，它要求更完善的设备条件。目前的设备可同时输出600根脆性丝。,等离子喷涂工艺,等离子喷涂的硼铝带用同样的方法制造，只是不喷挥发性粘合剂，而在纤维箔片上喷一层基体铝合金，将纤维和箔片粘在一起。因为选择的等离子喷涂合金与箔基体相同，所以这两种材料都变成基体的一部分。铝合金粉注入到灼热的等离子气流中并在放热区内被熔化。熔融质点打在纤维箔片上并急冷到纤维的反应温度以下。由于纤维周围充满了等离子焰射流中含有的惰性气体，因而能防止纤维氧化。,35,等离子喷涂的优点是，纤维在缠绕筒上就被基体固定住，因而纤维间距好控制，喷涂条带的耐久性和强度好，以及易于复合粘结。纤维定向定间距缠绕等离子喷涂基体粉末定位,用挥发性粘合剂和等离子喷涂工艺生产的“毛料”预制带还必须经叠片和压合才能做成复合材料，采用挥发性粘合剂方法时，粘合剂必需在热压结之前排除。这一步骤直接在高压焊合之前进行，因为在树脂粘合剂挥发之后必须依靠机械作用使纤维和铝箔保持原位。叠片过程包括先把顶制品剪切成一定形状，然后将其铺放在热压模或平压板上。剪切时一般采用比较简单的单片剪切。剪切机可以类似于板金剪切机、剪刀或糕点扣模。,假若使用平板热压，通常要将叠层封装在套内，因为控制气氛对防止铝或硼在高温下氧化是很重要的。在平板之间压制的典型封装复合材料的基体与硼纤维各占50(体积比)。若要制造复杂形状的零件，则使用成型模具热压叠层，这种叠层可以含有许多复杂形状的单片。层片用滚压剪切的方法切割，其方法与扣制糕点类似，随后将这些层片叠好并在叶形模具中压制。这两种工艺都能用来热压长零件。,2、硼铝基复合材料的二次加工,二次加工是指对基本的复合材料型件如平板、梁和管等所进行的加工、包括成型、连接机械加工和热处理等工艺过程。,成型,硼铝基复合材料的成型涉及到它的组分强而近于脆性的纤维和软而延性的铝。纤维在室温拉伸实验时具有完全弹性的应力应变特性，在高温下具有很高的抗蠕变能力，不会有什么塑性延伸。由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴向断裂延伸率小于1，致使零件的加工制造在很多情况下是在复合材料热压过程中用易于弯曲的预制板加工成最终形状的。,连接,硼铝基复合材料与承载结构的附件的连接是复合材料应用中最重要的工程领域之一。硼铝基复合材料的连接技术是基于铝的连接而并不考虑硼同硼连接。其目的是想要得到高剪切强度的基体连接而不使复合材料的机械性能降低。连结工艺包括固态扩散结合、使用钎料的钎焊、不用焊料的铝的熔焊技术和低温钎焊。焊接：标准的焊接工艺是把钎焊箔放入需要连接的零件之间并在接触压力下在进行炉中钎焊。机械固定和胶接也是复合材料的有效连接方法,机械加工,硼纤维硬度高(莫氏硬度为9)硼铝基复合材料的机械加工比较困难对单层件来说板金剪切技术就可以胜任拉伸试样的加工问题通常采用砂轮切割或电加工的方法来解决用标准的浸有金刚石的黄铜切割轮可得到良好的切割表面，出于硼自身的清洁作用，铝不会沾污或损伤具有合适粒度的砂轮。,3、机械性能,弹性模量,弹性模量决定了结构在载荷下的尺寸，用硼铝基复合材料来增强或加固金属结构也取决于对其弹性模量的了解，正是组元材料模量的比值决定了结构内部的载荷分配。单向增强硼铝基复合材料可以看作是一种正交材料，它在横向上各向同性并具有五个独立的弹性常数。然而，硼铝基复合材料经常作薄片使用，这种薄片也是复杂叠层的结构单元。于是可以把它作为一个处于平面应力状态的正交薄片来对待，因而只需四个独立的弹性常数。这些常数是轴向弹性模量E11、横向弹模量E22，主泊松比12和平面剪切模量G12。组元硼纤维和铝基体的弹性常数见表-4。,硼铝复合材料的纵向弹性模量E11，可用混合定则公式相当精确地计算即E11=EF.VF+EM.VM式中角注F和M表示纤维和基体，而V表示体积百分比。,表4硼纤维与铝基体的弹性常数,横向弹性模量的关系较为复杂，但理论计算与实验值符合，如右图所示。弹性模量的各向异性并不大，对于通常使用的50纤维体积比的复合材料来说，纵向与横向模量的比值约为3：2，它们的纵向与横向的比弹性模量大约为最普通用的工程合金的300和200。,纵向与横向模量均随温度的增加而下降。复合材料模量的下降主要是由于基体模量的下降所致。如果试样轴相对纤维轴转动，四个独立的弹性常数也将发生相应的变化。,硼6061铝复合材料的纵向和横向弹性模量,强度及应力应变特性,1、轴向拉伸,结构复合材料的最终性能是原材料的性能、成分以及加工和制造过程的结果。然而，由于纤维与基体分布的独立性和各相之间反应热力学的可观察性，使得复合材料这种冶金和结构的体系比以往大多数的工程材料更适于作定量分析的描述。,硼铝基复合材料的轴向拉伸特性取决于增强纤维的性能和复合材料的纤维含量。复合材料轴向强度和断裂应变受纤维性能制约。,右图为硼铝基复合材料的应力应变典型曲线。图中给出了制造状态(F状态)和热处理状态的两种特性。这两种曲线都有一个初始的直线区域，然后在另一个直线区域之前有个过渡的非线性区域，最后在断裂之前有一个非线性区域。这种应力应变曲线不仅反映了硼铝复合构料的特性，而且其它金属基复合材料也有类似的特征。,典型硼铝复合材料的应力应变曲线,左图为复合材料的特性与残余应力的作用示意图，它包括含50硼纤维的复合材料的应力应变特性和纤维与基体组元的应力应变特性。在冷却时，基体发生塑性和弹性收缩，而纤维只发生弹性收缩，基体中留下的平均净拉伸残余应力的大小等于纤维中的净压缩残余应力。前述的复合材料应力应变曲线的三个变形阶段分别对应着基体纤维的弹性弹性、塑性屈服弹性和塑性弹性特性。,基体纤维及复合材料应力应变曲线图,硼铝基复合材料具有很高的抗拉强度，这主要是由于增强纤维的抗拉强度高。其它一些因素如基体成分和残余应力则是次要原因。上图为复合材料强度与纤维含量的关系。对于一定的纤维类型，复合材料的强度一般随纤维含量的增加而增加。,轴向抗拉强度107N/m2,纤维体积比,复合材料轴向抗拉强度随纤维合量的变化,硼铝基复合材料轴向抗拉强度还随