第5章金属基复合材料

1、复合材料郭连贵郭连贵湖北工程学院化学与材料科学学院湖北工程学院化学与材料科学学院石墨烯石墨烯第第5章章 金属基复合材料金属基复合材料多壁碳纳米管多壁碳纳米管5.1 金属基复合材料的种类和性能金属基复合材料的种类和性能 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；比刚度； 与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性；与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性； 与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能。与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能。 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）是）是，非均质混合物，共

2、同点是具有非均质混合物，共同点是具有连续的金属基体。连续的金属基体。5.1 金属基复合材料的种类和性能金属基复合材料的种类和性能 19631963年，年，NASANASA制备出钨丝增强制备出钨丝增强CuCu基复合材料，是纤维增强金属基复合材基复合材料，是纤维增强金属基复合材料的研究起点，料的研究起点，SiC/Al,AlSiC/Al,Al2 2O O3 3/Al/Al； 19781978年年B/AlB/Al复合材料在哥伦比亚航天飞机上应用；复合材料在哥伦比亚航天飞机上应用； 1964 1964年，年，KraftKraft通过共晶合金定向凝固制备出金属基复合材料，界面结通过共晶合金定向凝固制备出金

3、属基复合材料，界面结合良好，合良好，Ni-NiNi-Ni3 3AlAl，Ni-NiNi-Ni3 3SiSi； 2020世纪世纪8080年代，金属基复合材料迅速发展，开始注重颗粒、晶须和短纤年代，金属基复合材料迅速发展，开始注重颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料，在汽车、体育用品等领域得到应用；维增强金属基复合材料，在汽车、体育用品等领域得到应用； 9090年代后期，电子产品和技术迅速发展，低膨胀、高强度和高导热性的年代后期，电子产品和技术迅速发展，低膨胀、高强度和高导热性的金属基复合材料在电子产品得到应用；金属基复合材料在电子产品得到应用； 近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。近年，

4、功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。5.1 金属基复合材料的种类和性能金属基复合材料的种类和性能一、金属基复合材料的分类一、金属基复合材料的分类基体基体增强体增强体6 碳化物金属陶瓷作为工具材料已碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作被广泛应用，称作。硬。硬质合金通常以质合金通常以CoCo、NiNi作为作为，WCWC、TiCTiC等作为强化相。等作为强化相。 硬质合金组织硬质合金组织( (Co+WC)78 按用途分类：按用途分类：结构复合材料结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。用于制造各种航天、航耐热性等是其主要性能

5、特点。用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。功能复合材料功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性，用于高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。强调具有电、热、磁等功电子、仪器、汽车等工业。强调具有电、热、磁等功能特性能特性智能复合材料智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。复等特性。 应当注意，功能复合材料和智能复合材料容易混应当注意，功能复合材料和智能复合材料容易混淆。淆。5.

6、1 金属基复合材料的种类和性能金属基复合材料的种类和性能二、金属基复合材料的性能特点二、金属基复合材料的性能特点p 高比强度、比模量高比强度、比模量p 良好的导热、导电性能良好的导热、导电性能p 热膨胀系数小、尺寸稳定性好热膨胀系数小、尺寸稳定性好p 良好的高温性能良好的高温性能p 良好的耐磨性良好的耐磨性p 良好的断裂韧性和抗疲劳性能良好的断裂韧性和抗疲劳性能p 不吸潮、不老化、气密性好不吸潮、不老化、气密性好5.2 金属基复合材料的制造工艺金属基复合材料的制造工艺 金属基体与增强材料的金属基体与增强材料的和和； 金属基体金属基体/ /增强材料增强材料和和在工艺过程中的形成在工艺过程中的形成

7、及控制；及控制； ； 防止防止 优化优化，提高复合材料的，提高复合材料的，降低，降低。 5.2 金属基复合材料的制造工艺金属基复合材料的制造工艺根据各种方法的基本特点，把金属基复合材料的制备工根据各种方法的基本特点，把金属基复合材料的制备工艺分为四大类：艺分为四大类：12连续增强相金属基复合材料的制备工艺连续增强相金属基复合材料的制备工艺铝合金铝合金 固态、液态法固态、液态法镁合金镁合金 固态、液态法固态、液态法钛合金钛合金 固态法固态法高温合金高温合金 固态法固态法金属间化合物金属间化合物 固态法固态法碳纤维碳纤维硼纤维硼纤维SiC纤维纤维Al2O3纤维纤维13不连续增强相金属基复合材料的制

8、备工艺不连续增强相金属基复合材料的制备工艺 铝合金铝合金 固态、液态、原位生长、喷射成型法固态、液态、原位生长、喷射成型法镁合金镁合金 液态法液态法钛合金钛合金 固态、液态法、原位生长法固态、液态法、原位生长法高温合金高温合金 原位生长法原位生长法金属间化合物金属间化合物 粉末冶金、原位生长法粉末冶金、原位生长法颗粒颗粒晶须晶须短纤维短纤维5.2 金属基复合材料的制造工艺金属基复合材料的制造工艺一、固相法一、固相法-扩散结合扩散结合中，增强纤维与基体的中，增强纤维与基体的结合主要分为三个关键步骤：结合主要分为三个关键步骤：a)a)金属箔复合法金属箔复合法 b)b)金属无纬带重叠法金属无纬带重叠

9、法 c)c)表面镀有金属的纤表面镀有金属的纤维结合法维结合法 5.2 金属基复合材料的制造工艺金属基复合材料的制造工艺一、固相法一、固相法-粉末冶金粉末冶金 将金属或非金属粉末将金属或非金属粉末后后成形，并在低于金属熔点的温度下进成形，并在低于金属熔点的温度下进行行，利用粉末间原子，利用粉末间原子来使其来使其的过程被称做的过程被称做工艺。工艺。粉末混料均匀并加入适当的助剂，再进行压制成型，粉粒间的原子通粉末混料均匀并加入适当的助剂，再进行压制成型，粉粒间的原子通过过，使制件结合为具有一定强度的整体。，使制件结合为具有一定强度的整体。将压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧结，烧结将

10、压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为基体金属熔点的温度约为基体金属熔点的2/32/33/43/4倍。由于高温下不同种类原子的倍。由于高温下不同种类原子的，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的，使粉末颗粒相互结合。，使粉末颗粒相互结合。5.2 金属基复合材料的制造工艺金属基复合材料的制造工艺二、液相法二、液相法-压铸法压铸法 在压力的作用下，将液在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度态或半液态金属以一定速度充填充填或或中，在压力下中，在压力下快速凝固成型。快速凝固成型。 主要工艺因素有熔融金主要工艺因素有熔融金属的温度、模具

11、预热温度、属的温度、模具预热温度、压力和加压速度等。压力和加压速度等。 5.2 金属基复合材料的制造工艺金属基复合材料的制造工艺二、液相法二、液相法-搅拌铸造法搅拌铸造法 搅拌铸造法是最早用于颗粒增强金属搅拌铸造法是最早用于颗粒增强金属基复合材料的一种弥散混合铸造工艺。基复合材料的一种弥散混合铸造工艺。 搅拌铸造法有两种方式：一种是在合搅拌铸造法有两种方式：一种是在合金液处于液相线温度以上进行搅拌，称金液处于液相线温度以上进行搅拌，称为为“液态搅拌液态搅拌”；另一种是合金液处于；另一种是合金液处于固相线与液相线之间进行搅拌，称为固相线与液相线之间进行搅拌，称为“半固态搅拌铸造法半固态搅拌铸造法

12、”或或“流变铸造流变铸造”。5.2 金属基复合材料的制造工艺金属基复合材料的制造工艺三、喷射成型法三、喷射成型法 将将在坩埚中熔化后，在压力作在坩埚中熔化后，在压力作用下通过喷咀送入雾化器，在高速惰性气用下通过喷咀送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，体射流的作用下，形成所谓，形成所谓“” ； 通过一个或多个通过一个或多个向向“雾化锥雾化锥”喷射喷射入入，使之与，使之与一齐在一齐在基板（收集器）上沉积，并快速凝固形成基板（收集器）上沉积，并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。颗粒增强金属基复合材料。5.2 金属基复合材料的制造工艺金属基复合材料的制造工艺四、原位生长法四、原位生长法-共晶合金

13、定向凝固法共晶合金定向凝固法 在复合材料制造过程中，增强材料在基体中生成和生长的方法称作原在复合材料制造过程中，增强材料在基体中生成和生长的方法称作原位自生成法。位自生成法。 增强材料增强材料从基体中凝固析从基体中凝固析出，通过控制冷凝方向，在基体中生长出出，通过控制冷凝方向，在基体中生长出排列整齐的类似纤维的条状或片层状排列整齐的类似纤维的条状或片层状。 要求合金成分为共晶或接近共晶成分，要求合金成分为共晶或接近共晶成分，以及有包晶或偏晶反应的两相结合。以及有包晶或偏晶反应的两相结合。 工艺过程：合金原料在真空或惰性气体中通过感应加热熔化，控制冷却工艺过程：合金原料在真空或惰性气体中通过感应

14、加热熔化，控制冷却方向，进行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方向整齐排列，连续相为基体，方向，进行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方向整齐排列，连续相为基体，类似纤维的条状或片层状的分散相为增强体。类似纤维的条状或片层状的分散相为增强体。5.2 金属基复合材料的制造工艺金属基复合材料的制造工艺四、原位生长法四、原位生长法-直接金属氧化法直接金属氧化法 。 制备制备Al2O3 / Al时，时，900 1300 C的温度下，使熔融铝通过显微通道渗透的温度下，使熔融铝通过显微通道渗透到氧化铝层外部，并顺序氧化；即铝被氧化，但液态铝的渗透通道未被堵到氧化铝层外部，并顺序氧化；即铝被氧化，但液态铝的渗透通道未被

15、堵塞。可根据氧化程度控制塞。可根据氧化程度控制Al2O3的量。所制备的复合材料就是含有的量。所制备的复合材料就是含有Al的、的、互连的互连的Al2O3陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料。 直接氮化获得直接氮化获得AlN / Al、和、和TiN / Ti等金属或陶瓷基复合材料。等金属或陶瓷基复合材料。 5.3 铝基复合材料铝基复合材料是在金属基复合材料中是在金属基复合材料中的一种。由于的一种。由于为为结构，因此具有良好的结构，因此具有良好的，再加之它所具有，再加之它所具有的的、及及等优点，为其在工程上应用创造了有等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。利的条件。在在制造铝基复合材料制造铝基复合材料

16、时，通常并不是使用纯铝而是时，通常并不是使用纯铝而是。这主要是由于这主要是由于与纯铝相比与纯铝相比，。5.3 铝基复合材料铝基复合材料5.3 铝基复合材料铝基复合材料5.3 铝基复合材料铝基复合材料5.3 铝基复合材料铝基复合材料5.3 铝基复合材料铝基复合材料5.3 铝基复合材料铝基复合材料5.3 铝基复合材料铝基复合材料5.3 铝基复合材料铝基复合材料5.4 钛基复合材料钛基复合材料5.4 钛基复合材料钛基复合材料一、颗粒增强钛基复合材料一、颗粒增强钛基复合材料5.4 钛基复合材料钛基复合材料二、连续纤维增强钛基复合材料二、连续纤维增强钛基复合材料5.4 钛基复合材料钛基复合材料三、钛基复合材料的应用三、钛基复合材料