第五章复合材料

1、置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝作为食物或燃料提供能量，实现高速、高效的长时运转-中国科学院理化技术研究所、清华大学医学院联合研究小组。金属基体金属基体金属基体具有很多优良性能：金属基体具有很多优良性能：使用性能使用性能反映金属材料在使用过程中所表现出来的性能，包反映金属材料在使用过程中所表现出来的性能，包括力学性能、物理及化学性能。括力学性能、物理及化学性能。工艺性能工艺性能反映金属在加工制造过程中表现出来的性能，包括反映金属在加工制造过程中表现出来的性能，包括铸造、压力加工、焊接、切削加工和热处理等性能。铸造、压力加工、焊接、切削加工和热处理等性能。 这些性能与金属的成分、组织和

2、结构密切相关。这些性能与金属的成分、组织和结构密切相关。4纤维增强：比强度、比模量明显高于金属基体纤维增强：比强度、比模量明显高于金属基体颗粒增强：比强度无明显增加，但比模量明显提高颗粒增强：比强度无明显增加，但比模量明显提高 一般说来增强颗粒越小，则复合材料强度越高一般说来增强颗粒越小，则复合材料强度越高金属基复合材料的力学性能一览表金属基复合材料的力学性能一览表复合材料复合材料增强相含量增强相含量, vol %抗拉强度，抗拉强度，MPa拉伸模量，拉伸模量，GPa密度，密度，g/cm3BF /AlCVD SiCF /AlNicalon SiCF /AlCF /AlFP Al2O3 F/AlS

3、umica Al2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVD SiCF/TiBF / Ti5050354035505018202035451200150013001500700900500800650900500620400510150017501300150020022021023095 11010015022013096 138100210 2302202.62.853.02.62.43.32.92.82.83.93.77而与树脂基复合材料相比，它又具有优良的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；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与陶瓷基材料相比，它

4、又具有高韧性和高冲击性能。击性能。原因：金属基体属于典型韧性材料，受到冲击时原因：金属基体属于典型韧性材料，受到冲击时能通过塑性变形吸收能量，或使裂纹钝化、减小能通过塑性变形吸收能量，或使裂纹钝化、减小应力集中而改善韧性。应力集中而改善韧性。8构件的使用性能要求是构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重选择金属基体材料最重要的依据，也是其发展要的依据，也是其发展的动力。的动力。在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸稳在航天、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。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作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金

5、属合金合金镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨/ /镁、石墨镁、石墨/ /铝、硼铝、硼/ /铝复合材料。铝复合材料。9高性能航空发动机、燃气轮机：要求有高比强度和比高性能航空发动机、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。性气氛中正常工作。 选择钛合金、镍合金选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作以及金属间化合物作为基体材料。如碳化为基体材料。如碳化硅硅/钛、钨丝钛、钨丝/镍基超合镍基超合金复合材料可

6、用于喷金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴气发动机叶片、转轴等重要零件。等重要零件。10在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定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，适合于批量生的高温强度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产。产。v选用铝合金作基体材料与选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）粒（短纤维）/ /铝基复合铝基复合材料。如碳化硅材料。如碳化硅/ /铝复合铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤材料、碳纤维或氧化铝纤维维/ /铝复合材料可制作发铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。动机活塞、缸套等零件。11

7、金属基复合材料的例子可追溯到古文明时期。金属基复合材料的例子可追溯到古文明时期。在土耳其发现的公元前在土耳其发现的公元前7000年的铜锥子，它是年的铜锥子，它是经过反复拓平与锤打研制成的。在这个过程个，经过反复拓平与锤打研制成的。在这个过程个，非金属夹杂物被拉长。非金属夹杂物被拉长。弥散强化金属材料：始于弥散强化金属材料：始于1924年，年，Schmit关于关于铝氧化铝粉末烧结，导致上世纪铝氧化铝粉末烧结，导致上世纪50及及60年代年代的广泛研究。的广泛研究。沉淀强化的理论开始于沉淀强化的理论开始于30年代，并在以后的几年代，并在以后的几十年里得到了发展。（合金通过相变得到的合十年里得到了发展

8、。（合金通过相变得到的合金元素与基体元素的化合物会引起合金强化，金元素与基体元素的化合物会引起合金强化，为沉淀强化。）为沉淀强化。）12金属基复合材料真正的起步是在金属基复合材料真正的起步是在20世纪世纪50年代年代末或末或60年代初。年代初。美国国家航空和宇航局美国国家航空和宇航局(NASA)成功地制备出成功地制备出W丝增强的丝增强的Cu基复合材料，成为金属基复合材料基复合材料，成为金属基复合材料研究和开发的标志性起点。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随后，对纤维金属基复合材料的研究在20世纪世纪60年代迅速发展起来。那时，主要的力量集中年代迅速发展起来。那时，主要

9、的力量集中在以钨和硼纤维增强的铝和铜为基的系统。在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。增强体的体积分数一般都传递和分配给纤维。增强体的体积分数一般都很高很高(约约40-80)，得出的轴向性能都很好。，得出的轴向性能都很好。13关于连续纤维增强的复合材料的研究在关于连续纤维增强的复合材料的研究在70年代年代里有点滑坡，主要归咎干该材料的昂贵价格和里有点滑坡，主要归咎干该材料的昂贵价格和受生产制造的限制。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涡轮发动机的各个部件对于高温高效性材

10、料的不断需求，触发了对金属基复合材科特别是钛不断需求，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。基材料的广泛兴趣的复苏。近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。点。14由于金属基复合材料具有极高的比强度、比刚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。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，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特别是晶须增

11、强复合材料和颗粒增强复合材料在日本的民用领域得到较好的应用。在日本的民用领域得到较好的应用。15金属基复合材料的研究重点：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）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能；性能；2）增强相）增强相/基体的界面优化、界面设计；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；）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；）新型增强剂的研究开发；5）复合材料的扩大应用。）复合材料的扩大应用。 根据其形态增强体分为连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒等。根据其形态增强体

12、分为连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒等。增强体应具有高比强度、高模量、高温强度、高硬度、低热膨胀增强体应具有高比强度、高模量、高温强度、高硬度、低热膨胀等性能。等性能。5.1 5.1 金属基复合材料的分类金属基复合材料的分类（1）连续纤维（3）层状（2）颗粒碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维陶瓷颗粒材料，主要有氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钛、硼 化钛、碳化硼及氧化钇等层状复合材料断口形貌层状复合材料断口形貌层状复合材料颗粒复合材料单向纤维增强复合材料蜂窝夹心复合材料编织复合材料功能梯度复合材料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料 指增强体为颗粒形态的金属基复合材料，一般它是指弥指增强体为颗粒形态

13、的金属基复合材料，一般它是指弥散的硬质增强相的体积超过散的硬质增强相的体积超过20的复合材料，而不包括的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。 颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比，但基体性能也很重要。这种材料的性能还对界面积比，但基体性能也很重要。这种材料的性能还对界面性能及颗粒排列的几何形状十分敏感。性能及颗粒排列的几何形状十分敏感。 用于增强金属的颗粒主要是无机非金属颗粒。用于增强金属的颗粒主要是无机非金属颗粒。层状复合材料层状复合材料 指在韧性和成型性较好的金属基体材

14、料中含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。由于片层的间距是微观的，材料从其结构组元看，可以认为是各向异性的和均匀的，是一种结构复合材料。 层状结构复合材料的强度由于薄片增强的强度不如纤维增强相高而受到了限制，但在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强效果，这是其一个明显的优势。纤维增强复合材料纤维增强复合材料 金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须类一维增强体。长纤维、短纤维和晶须类一维增强体。 由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特征。征。 用于

15、金属基复合材料的增强纤维主要为无机纤维和用于金属基复合材料的增强纤维主要为无机纤维和金属纤维。金属纤维。（1）用于450以下的轻金属基体铝、镁合金（3）用于1000以上的高温复合材料的金属基体镍基、铁基耐热合金和金属间化合物基体分类基体分类 目前最广泛、最成熟的是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等。（2）用于450700的复合材料的金属基体钛合金 钛合金具有比重轻、耐钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在点，可在450450700700使用，使用，用于航空发动机等零件。用于航空发动机等零件。 主要是镍基、铁基耐主要

16、是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。热合金和金属间化合物。较成熟的是镍基、铁基高较成熟的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。复合材料尚处于研究阶段。金属基复合材料的性能特征金属基复合材料的性能特征比强度高，比刚度大比强度高，比刚度大 纤维增强金属基复合材料多数是纤维增强金属基复合材料多数是Vf=3050的高强的高强度和高模量的纤维增强金属。与金属相比，在纤维方度和高模量的纤维增强金属。与金属相比，在纤维方向是具有很高的比强度和比模量，特别是纤维增强镁、向是具有很高的比强度和比模量，特别是纤维增强镁、铝等，具有很显著的效果。铝等，具有很显著的效果。

17、良好的导热导电性和电磁感应屏蔽性良好的导热导电性和电磁感应屏蔽性 由于金属基复合材料的基体为金属，而金属均有良好的由于金属基复合材料的基体为金属，而金属均有良好的导热和导电性，因此金属基复合材料具有良好的导热性，导热和导电性，因此金属基复合材料具有良好的导热性，可以减小由于运行条件所引起的温度梯度。由于温度分可以减小由于运行条件所引起的温度梯度。由于温度分布比较均匀，因而可减少温度应力。布比较均匀，因而可减少温度应力。 良好的导电性可以防止出现静电聚集，并对电磁感应产良好的导电性可以防止出现静电聚集，并对电磁感应产生屏蔽。生屏蔽。线膨胀系数小、尺寸稳定线膨胀系数小、尺寸稳定 金属基复合材料所用

18、的碳纤维、碳化硅纤维和硼纤维金属基复合材料所用的碳纤维、碳化硅纤维和硼纤维均具有很高的模量和很低的线膨胀系数，且石墨纤维均具有很高的模量和很低的线膨胀系数，且石墨纤维的纵向线膨胀系数为负值。例如：的纵向线膨胀系数为负值。例如： 在石墨增强镁基复合材料时，当石墨含量为在石墨增强镁基复合材料时，当石墨含量为48%时，时，复合材料的热膨胀系数为复合材料的热膨胀系数为0。良好的高温性能良好的高温性能 在复合材料中，作为承载主体的纤维，在高温下能在复合材料中，作为承载主体的纤维，在高温下能保持很高的强度和模量。当金属基体接近于熔点保持很高的强度和模量。当金属基体接近于熔点温度时，由于纤维的作用，沿纤维方

19、向的力学性温度时，由于纤维的作用，沿纤维方向的力学性能主要由纤维控制，因此，还具有很高的强度和能主要由纤维控制，因此，还具有很高的强度和刚度。例：刚度。例： 铝基体在铝基体在300，强度为，强度为100MPa 石墨纤维增强铝基复合材料在石墨纤维增强铝基复合材料在500，强度为，强度为600MPa良好的耐磨性良好的耐磨性 当金属基中加入了大量的陶瓷增强物时，由于陶瓷材当金属基中加入了大量的陶瓷增强物时，由于陶瓷材料的硬度高、耐磨、化学性能稳定，不仅提高了材料料的硬度高、耐磨、化学性能稳定，不仅提高了材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性，的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性，如

20、：如： SiCf/铝基复合材料的耐磨性比基体金属高出铝基复合材料的耐磨性比基体金属高出2倍以上。倍以上。 SiCp/Al复合材料复合材料汽车活塞杆（环）、汽车活塞杆（环）、刹车盘刹车盘27 材料耐磨性比较材料耐磨性比较磨痕宽度，磨痕宽度，mmmm稀土铝硅合稀土铝硅合金金66-1266-12Al2O3 Al2O3 纤维纤维- -铝铝SiCSiC颗粒颗粒- -铝铝高镍奥氏体铸高镍奥氏体铸铁铁最大最大1.94751.94751.5001.5000.94250.94251.16701.1670最小最小1.84761.84761.3251.3250.8650.8651.12751.1275平均平均1.8

21、971.8971.4121.4120.90370.90371.14121.1412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 金属基复合材料的抗疲劳性能与纤维类型、金属金属基复合材料的抗疲劳性能与纤维类型、金属基体的性能、生产工艺和界面状况等密切相关。基体的性能、生产工艺和界面状况等密切相关。 铝基复合材料较之铝合金下降很多（脆性碳化硅颗铝基复合材料较之铝合金下降很多（脆性碳化硅颗粒）粒） 当纤维与基体在界面上结合得合适时，界面能有当纤维与基体在界面上结合得合适时，界面能有效地阻止裂纹向增强纤维扩展。效地阻止裂纹向增强纤维扩展。 纤维增强金属基复合材料的抗拉、抗疲劳性能，纤维增强金属

22、基复合材料的抗拉、抗疲劳性能，明显高于金属基体材料。明显高于金属基体材料。不吸湿、不老化、气密性好不吸湿、不老化、气密性好 金属基复合材料不吸湿，没有分解和污染系统的物金属基复合材料不吸湿，没有分解和污染系统的物质产生，这对卫星仪表的稳定和可靠运行是十分质产生，这对卫星仪表的稳定和可靠运行是十分重要的。重要的。 总之，金属基复合材料具有高比强度、比模量、总之，金属基复合材料具有高比强度、比模量、良好的导热、导电性、耐磨性、高温性能、较低良好的导热、导电性、耐磨性、高温性能、较低的热膨胀系数、高的尺寸稳定性等优点，在航空、的热膨胀系数、高的尺寸稳定性等优点，在航空、航天、电子、汽车、轮船、先进武

23、器具有广泛的航天、电子、汽车、轮船、先进武器具有广泛的应用前景。应用前景。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制备方法的基本特点，主要把金属基复合根据各种制备方法的基本特点，主要把金属基复合材料的制备工艺分为三大类，即：材料的制备工艺分为三大类，即：(1)固态法：热压扩散结合法、粉末冶金法、热等静固态法：热压扩散结合法、粉末冶金法、热等静压、模压成型、轧制法等。压、模压成型、轧制法等。(2)液态法：挤压铸造法、液态金属浸渗、喷射沉积液态法：挤压铸造法、液态金属浸渗、喷射沉积法、真空吸铸、半固态铸造、搅拌复合法等。法、真空吸铸、半固态铸造、搅拌复合法等。(3)自生成法

24、及其他新技术：复合涂镀法等。自生成法及其他新技术：复合涂镀法等。固态法固态法 将金属粉末或金属箔与增强物按设计要求以一定将金属粉末或金属箔与增强物按设计要求以一定的含量、分布、方向混合或排布在一起，再经过的含量、分布、方向混合或排布在一起，再经过加热、加压，将金属基体与增强物复合在一起。加热、加压，将金属基体与增强物复合在一起。 整个工艺过程处于较低的温度，金属基体和增强整个工艺过程处于较低的温度，金属基体和增强物都处于固态，界面反应不严重。物都处于固态，界面反应不严重。 粉末冶金法（原则上可以用来制造各类增强体增粉末冶金法（原则上可以用来制造各类增强体增强的金属基复合材料，但主要用它制造非连

25、续增强的金属基复合材料，但主要用它制造非连续增强复合材料，特别是晶须和颗粒复合材料及他们强复合材料，特别是晶须和颗粒复合材料及他们的小尺寸的零件）：的小尺寸的零件）：热压热压松装烧结松装烧结粉浆烧注粉浆烧注混合混合压制压制等静压制等静压制轧制轧制 挤挤压压烧结烧结烧结烧结浸适浸适热处理热处理电镀电镀预烧结预烧结高温烧高温烧结结复压复压锻打锻打复烧复烧拉拉丝丝烧缩烧缩精精整整锻造锻造 轧制轧制挤压挤压 烧结烧结（浸油）（浸油） 热处理热处理粉末冶金成粉末冶金成品品举例举例热压法制造热压法制造SiCf/Al 将将SiC纤维与铝合金薄片按一定方式排列和堆叠，然后纤维与铝合金薄片按一定方式排列和堆叠，

26、然后在惰性气体保护下加热、加压使它们紧密地结合成为在惰性气体保护下加热、加压使它们紧密地结合成为一定形状的制品。一定形状的制品。用这种方法制成的铝基纤维复合材料具有很高的质量。用这种方法制成的铝基纤维复合材料具有很高的质量。美国美国Textron特殊材料公司用固态扩散法制成碳化硅特殊材料公司用固态扩散法制成碳化硅连续纤维连续纤维/铝工字梁和板材，在战斗机尾翼上试用获得铝工字梁和板材，在战斗机尾翼上试用获得成功。成功。图图 SiC颗粒增强颗粒增强Al基基复合材料的粉末冶金复合材料的粉末冶金工艺流程示意图。工艺流程示意图。粉末冶金法五大优点粉末冶金法五大优点热等静压或烧结温度低于金属熔点，减小界面

27、反应对热等静压或烧结温度低于金属熔点，减小界面反应对复合材料性能的不利影响。复合材料性能的不利影响。可根据性能要求，使增强材料与基体金属粉末以任何可根据性能要求，使增强材料与基体金属粉末以任何比例混合。比例混合。可降低增强材料与基体互相湿润和密度差的要求，使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复合材料的基体中。颗粒或晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中。采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷。般不会产生偏析、偏聚等缺陷。粉未冶金法制备的金属基复合材料可通过传统的金属粉未冶金法制备

28、的金属基复合材料可通过传统的金属加工方法进行二次加工。可以得到所需形状的复合材加工方法进行二次加工。可以得到所需形状的复合材料构件的毛坯。料构件的毛坯。粉末冶金法主要缺点粉末冶金法主要缺点工艺过程比较复杂；工艺过程比较复杂；金属基体必须制成粉末，增加了工艺的复杂性和成本；金属基体必须制成粉末，增加了工艺的复杂性和成本；在制备铝基复合材料时，还要防止铝粉引起的爆炸。在制备铝基复合材料时，还要防止铝粉引起的爆炸。 液态金属法液态金属法 液态金属法是金属基体处于熔融状态下与固体增强物液态金属法是金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合成材料的方法。复合成材料的方法。 金属在熔融态流动性好，在一定的外界

29、条件下容易进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。入增强物间隙中。 液态法制造金属基复合材料时，制造温度高，易发生液态法制造金属基复合材料时，制造温度高，易发生严重的界面反应，有效的控制界面反应是液态法的关严重的界面反应，有效的控制界面反应是液态法的关键。键。液态金属浸渍法示意图液态金属浸渍法示意图自生成法自生成法 在复合材料制造过程中，通过加入反应物质或是通入反应气体使得增强材料在基体中生成和生长的方法称作自生成法。 解决相容性（即润湿性）问题和界面反应两大问题。 关键技术是生成一种韧相，它属于专利技术。43 例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉以一定比例混合例如，一定粒

30、度的铝粉、钛粉和硼粉以一定比例混合成型，加热后反应生成成型，加热后反应生成TiB2TiB2，进而形成，进而形成TiB2TiB2增强的铝基增强的铝基复合材料。复合材料。Al + Ti + B TiB2 + Al Al + Ti + B TiB2 + Al 不仅可以用粉末反应生成复合材料，也可以在熔融的不仅可以用粉末反应生成复合材料，也可以在熔融的合金中导入参加反应的粉末或气体而生成复合材料。如合金中导入参加反应的粉末或气体而生成复合材料。如在熔融的在熔融的Al-TiAl-Ti合金中导入载碳气体，反应生成合金中导入载碳气体，反应生成TiCTiC，进，进而形成而形成TiCTiC增强铝基复合材料。增强

31、铝基复合材料。Al + Ti + C TiC + Al喷射沉积法喷射沉积法 首先，将基体金属在坩埚中熔化后，在压力作用下首先，将基体金属在坩埚中熔化后，在压力作用下通过喷咀送入雾化器，在高速惰性气体射流的作通过喷咀送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成所谓用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成所谓“雾化锥雾化锥”。 然后，通过一个或多个喷咀向然后，通过一个或多个喷咀向“雾化锥雾化锥”喷射入增强喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在基板（收集器）颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在基板（收集器）上沉积，并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材上沉积，并快速凝固形成颗粒增强

32、金属基复合材料。料。 图图 喷射沉积法示意图喷射沉积法示意图喷射沉积法的优点喷射沉积法的优点工艺流程短，工序简单，喷射沉积效率高，有利工艺流程短，工序简单，喷射沉积效率高，有利于实现工业化生产。于实现工业化生产。高致密度，直接沉积的复合材料密度一般可达到高致密度，直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的理论的95%98%。属快速凝固方法，冷速可达属快速凝固方法，冷速可达103106K/s，故金属，故金属晶粒及组织细化，消除了宏观偏析，合金成分均晶粒及组织细化，消除了宏观偏析，合金成分均匀，同时增强材料与金属液滴接触时间短，很少匀，同时增强材料与金属液滴接触时间短，很少或没有界面反应。或没有界面反

33、应。具有通用性和产品多样性。该工艺适于多种金属具有通用性和产品多样性。该工艺适于多种金属材料基体，同时可设计雾化器和收集器的形状和材料基体，同时可设计雾化器和收集器的形状和一定的机械运动，以直接形成盘、棒、管和板带一定的机械运动，以直接形成盘、棒、管和板带等接近零件实际形状的复合材料的坯料。等接近零件实际形状的复合材料的坯料。制备方法和适用范围5.4 铝基复合材料铝基复合材料 铝基复合材料是金属基复合材料中发展最快、铝基复合材料是金属基复合材料中发展最快、应用得最广的一种。应用得最广的一种。 金属铝为面心立方结构，无同素异构体，密度金属铝为面心立方结构，无同素异构体，密度为钢的为钢的1/3左右

34、，具有良好的塑性和韧性，以及易左右，具有良好的塑性和韧性，以及易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，在工程加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，在工程上广泛应用。上广泛应用。 工业纯铝：工业纯铝： 塑性优异，适用各种形式的冷、热加工；塑性优异，适用各种形式的冷、热加工； 导电、导热性能好，代替铜制作导线；导电、导热性能好，代替铜制作导线； 强度不高，不适合做承力大的结构材料。强度不高，不适合做承力大的结构材料。基体基体-增强体增强体-制备方法制备方法-性能性能-应用应用基体：基体： 纯铝、铝合金纯铝、铝合金 因纯铝强度不高，在实际使用中，纯铝中常加入因纯铝强度不高，在实际使用中，纯铝中常加入Zn

35、、Cu、Mg、Mn等元素形成合金。有不同的牌等元素形成合金。有不同的牌号，如：号，如：6061：合金元素为镁及硅：合金元素为镁及硅2124：Al-Cu-Mg，一种典型的硬铝合金，一种典型的硬铝合金5.4 铝基复合材料铝基复合材料增强体：增强体：颗粒（晶须）增强铝基复合材料颗粒（晶须）增强铝基复合材料 长纤维增强铝基复合材料长纤维增强铝基复合材料短纤维增强铝基复合材料短纤维增强铝基复合材料颗粒（晶须）增强铝基复合材料颗粒（晶须）增强铝基复合材料增强体：增强体： SiC、Al2O3（主要使用）、（主要使用）、SiO2、BC4、TiC等颗粒等颗粒制备方法：制备方法： 固相法：粉末冶金、热等静压、挤压

36、法固相法：粉末冶金、热等静压、挤压法 液态法：挤压铸造法、真空压力浸渍法、搅拌法、共液态法：挤压铸造法、真空压力浸渍法、搅拌法、共喷沉积法喷沉积法性能：（以性能：（以SiC增强为例）增强为例）提高方面：提高方面：强度、硬度、耐磨性强度、硬度、耐磨性表表5-2、5-3、5-4、5-6降低方面：降低方面：韧性韧性表表5-5由表由表5-2 SiC晶须增强铝基复合的力学性能晶须增强铝基复合的力学性能可得：可得：晶须增强复合材料的强度比基体高晶须增强复合材料的强度比基体高随着晶须含量的增加，强度较大提高随着晶须含量的增加，强度较大提高随着温度的上升，强度下降，但添加晶须随着温度的上升，强度下降，但添加晶

37、须20%的复的复合材料能在合材料能在250有较好的强度。有较好的强度。由表由表5-3 SiC颗粒增强铝基复合的力学性能颗粒增强铝基复合的力学性能颗粒增强复合材料的强度比基体高颗粒增强复合材料的强度比基体高随着颗粒含量的增加，强度较大提高随着颗粒含量的增加，强度较大提高,但延伸率却逐渐降低。但延伸率却逐渐降低。由表由表5-4 SiC颗粒和晶须增强铝基复合的力学性能颗粒和晶须增强铝基复合的力学性能 相同含量的颗粒增强铝基复合材料的强度比同含量的晶须相同含量的颗粒增强铝基复合材料的强度比同含量的晶须增强铝基复合材料的强度要低。增强铝基复合材料的强度要低。这是由于这是由于SiC颗粒的硬度很高，使得这种

38、复合的硬度大大颗粒的硬度很高，使得这种复合的硬度大大提高，其耐磨性也相应大大提高。提高，其耐磨性也相应大大提高。应用：应用：汽车零件：活塞、连杆、汽缸等汽车零件：活塞、连杆、汽缸等飞机零件：起落架支柱龙骨、液压歧管等飞机零件：起落架支柱龙骨、液压歧管等卫星和航天用结构材料卫星和航天用结构材料长纤维增强铝基复合材长纤维增强铝基复合材料料增强体：增强体：Bf、Cf、SiCf、Al2O3f、不锈钢丝、不锈钢丝制备方法：制备方法： 固相法：热压法、热等静压固相法：热压法、热等静压 液态法：挤压铸造法、真空铸造、液态金属浸渍法、液态法：挤压铸造法、真空铸造、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法真空压力浸渍法B

39、f/Al性能：性能：提高方面：提高方面：拉伸强度、弹性模量拉伸强度、弹性模量表表5-7、表、表5-8在高温时，性能尤其突出。在高温时，性能尤其突出。问题：问题： 有较高有残余应力有较高有残余应力 表表5-9由表由表5-7 硼硼-铝复合材料的室温拉伸性能，可得：铝复合材料的室温拉伸性能，可得：添加硼纤维的复合材料的拉伸强度和弹性模量均添加硼纤维的复合材料的拉伸强度和弹性模量均明显高于基体。明显高于基体。随着添加量的增强，强度提高。随着添加量的增强，强度提高。纵向与横向和性能不同，纵向强度高于横向。纵向与横向和性能不同，纵向强度高于横向。表表5-8 硼硼-铝复合材料的纵向拉伸强度与温度的关系，铝复

40、合材料的纵向拉伸强度与温度的关系，可得：可得：随着温度的升高，复合材料的拉伸强度和弹性模随着温度的升高，复合材料的拉伸强度和弹性模量下降。量下降。当纤维含量为当纤维含量为40%时，在时，在500时，拉伸强度还有时，拉伸强度还有500MPa。1000由表由表5-9 硼硼-铝复合材料纤维中与基体的残余应力，铝复合材料纤维中与基体的残余应力，可得：可得：在界面处产生较高的残余应力，这是由于纤维的在界面处产生较高的残余应力，这是由于纤维的纵向热膨胀系数与基体的热膨胀系数差别很大。纵向热膨胀系数与基体的热膨胀系数差别很大。应用：应用：Bf/Al是实际应用最早的金属基复合材料。是实际应用最早的金属基复合材

41、料。 在飞行器和航空发动机上应用可以获得明显的减重效在飞行器和航空发动机上应用可以获得明显的减重效果。也应用在体育器材上。果。也应用在体育器材上。Cf/Al 碳纤维的密度小，为碳纤维的密度小，为1.752.2 g/cm3，具有非常优异的，具有非常优异的力学性能，是目前作为金属基复合材料增强体的高性力学性能，是目前作为金属基复合材料增强体的高性能纤维中价格最便宜的一种。已成功地用于增强多种能纤维中价格最便宜的一种。已成功地用于增强多种金属基体，其中用得最广泛的就是增强铝基体。金属基体，其中用得最广泛的就是增强铝基体。制备上的一个问题：制备上的一个问题：Cf与液态铝的浸润性差，在高温下相互之间容量

42、发生化与液态铝的浸润性差，在高温下相互之间容量发生化学反应。学反应。怎么办？怎么办？在纤维表面进行处理，如镀铬、镀铜或镀镍。在纤维表面进行处理，如镀铬、镀铜或镀镍。 Cf对复合材料的力学性能影响很大，不同来源的对复合材料的力学性能影响很大，不同来源的Cf，其性能会有不同。由表其性能会有不同。由表5-10 液态金属浸渍法制备液态金属浸渍法制备的碳纤维增强铝合金的拉伸强度，可得：的碳纤维增强铝合金的拉伸强度，可得： Cf会与液态的铝反应，生成：会与液态的铝反应，生成：Al4C3石墨化的石墨化的Cf反应产物较少，未经高温石墨化的反应产物较少，未经高温石墨化的Cf会与液态铝强烈反应。会与液态铝强烈反应

43、。石墨化的石墨化的Cf增强的复合材料强度较高。增强的复合材料强度较高。应用：应用：航空航天事业航空航天事业网球拍架网球拍架SiCf/Al两种两种SiC纤维：纤维：有芯和无芯有芯和无芯有芯：化学气相沉积，游离的有芯：化学气相沉积，游离的C少，含氧量低，因此不少，含氧量低，因此不容易与铝反应容易与铝反应无芯：聚碳硅烷先驱体转化法，较多无芯：聚碳硅烷先驱体转化法，较多C和和O，较易与铝，较易与铝反应。反应。性能：性能：提高：抗拉强度、抗弯强提高：抗拉强度、抗弯强度、耐磨性度、耐磨性如图如图5-2 Nicalon SiC纤维纤维增强铝基复合材料的强增强铝基复合材料的强度与温度的关系。度与温度的关系。短

44、纤维增强铝基复合材料短纤维增强铝基复合材料增强体：增强体：Al2O3、硅酸铝、硅酸铝、 SiC等短纤维等短纤维制备方法：制备方法： 可采用传统的金属成形工艺：铸、锻、挤、轧等。可采用传统的金属成形工艺：铸、锻、挤、轧等。性能：性能：室温下：室温下：Al2O3、硅酸铝短纤维增强铝基复合材料与基、硅酸铝短纤维增强铝基复合材料与基体相差不多。体相差不多。高温下：复合材料明显优于基体。高温下：复合材料明显优于基体。表表5-11和表和表5-12由表由表5-11可得：可得：在室温下，添加氧化铝短纤维的复合材料的屈服在室温下，添加氧化铝短纤维的复合材料的屈服强度和拉伸强度与基体相差不多，但弹性模量明强度和拉

45、伸强度与基体相差不多，但弹性模量明显高于基体。显高于基体。在高温下，复合材料的强度均高于基体。随着添在高温下，复合材料的强度均高于基体。随着添加量的增强，强度提高。加量的增强，强度提高。应用：应用：目前主要用于制造汽车发动机的零件：活塞镶圈、目前主要用于制造汽车发动机的零件：活塞镶圈、传动齿轮等。传动齿轮等。应用应用SiCp/AlSiCp/Al复合材料刹车盘复合材料刹车盘 航空发动机及其静子叶片航空发动机及其静子叶片美国正在研制颗粒增强耐热铝基复合材料，一旦开始生产，则将首先用于一级部分二级压气机，例如用作压气机静子叶片。 普惠公司生产的普惠公司生产的PW4000PW4000航空发动机航空发动

46、机及其碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其碳化硅颗粒增强铝基复合材料风扇出口导流叶片风扇出口导流叶片 v钛及其合金具有高强度、低密度、低热膨胀系数、钛及其合金具有高强度、低密度、低热膨胀系数、优良的耐高温和耐蚀性等性能，是高性能结构材料的优良的耐高温和耐蚀性等性能，是高性能结构材料的首选材料。首选材料。v钛基复合材料钛基复合材料(TMCs)具有比钛合金更高的比强度和具有比钛合金更高的比强度和比模量、极佳的耐疲劳和抗蠕变性能、以及优异的高比模量、极佳的耐疲劳和抗蠕变性能、以及优异的高温性能和耐蚀性能，它克服了原钛合金耐磨性和弹性温性能和耐蚀性能，它克服了原钛合金耐磨性和弹性模量低等缺点。模量低等缺点。

47、v可成型形状复杂的零部件，减少了废料和机加工损可成型形状复杂的零部件，减少了废料和机加工损耗。耗。v可用作高温、高压、酸、碱、盐等条件下的结构材可用作高温、高压、酸、碱、盐等条件下的结构材料，被认为是一种很有希望的新型复合材料。料，被认为是一种很有希望的新型复合材料。5.5 钛基复合材料钛基复合材料TMCS基体的选择：基体的选择： （高温下的抗氧化性能）（高温下的抗氧化性能）TiAl()基合金基合金钛合金钛合金Ti3Al(2)工业纯钛工业纯钛Ti2NbAl基合金（良好的塑性抗氧化性）基合金（良好的塑性抗氧化性） 工业纯钛不宜作纤维增强工业纯钛不宜作纤维增强TMCs的基体，因为它与的基体，因为它

48、与增强体特别是增强体特别是SiC纤维有强烈的反应。纤维有强烈的反应。颗粒增强钛基复合材料颗粒增强钛基复合材料体积分数为：体积分数为：520%连续纤维增强钛基复合材料连续纤维增强钛基复合材料体积分数为：体积分数为：3040%颗粒增强钛基复合材料颗粒增强钛基复合材料增强体：增强体： SiC、TiC、TiB2、TiB等颗粒等颗粒制备方法：制备方法： 固相法：粉末冶金并应用原位反应技术固相法：粉末冶金并应用原位反应技术 采用真空高温活化烧结、真空热压及等静压等特殊采用真空高温活化烧结、真空热压及等静压等特殊工艺。工艺。为什么要采用原位反应技术？为什么要采用原位反应技术？ 因为所有的强化剂与活性的因为所

49、有的强化剂与活性的Ti基都会发生界面反应基都会发生界面反应而形成一种或是多种化合物。而形成一种或是多种化合物。性能：性能：各向同性各向同性提高方面：提高方面：硬度、耐磨性、刚度、高温强度好硬度、耐磨性、刚度、高温强度好降低方面：降低方面：塑性、断裂韧性、耐疲劳性能、室温强度与基体相塑性、断裂韧性、耐疲劳性能、室温强度与基体相近或更差。近或更差。表表5-13由表由表5-13 TiC和和SiC颗粒增强钛基复合材料的力学性能，颗粒增强钛基复合材料的力学性能，可得：可得：室温下，室温下， TiC增强的增强的TMCS的拉伸强度与基体相近，的拉伸强度与基体相近，SiC颗粒增强颗粒增强TMCS拉伸强度比基体

50、还低。拉伸强度比基体还低。在高温下，颗粒增强在高温下，颗粒增强TMCS拉伸强度均比基体高。拉伸强度均比基体高。基体的断裂伸长率均大于颗粒增强基体的断裂伸长率均大于颗粒增强TMCS，这表示，这表示此复合材料的塑性与基体相比下降。此复合材料的塑性与基体相比下降。应用：应用：超高音速宇航飞行器和先进航空发动机超高音速宇航飞行器和先进航空发动机Ti-47Al-2V-7%TiB2作用导弹翼片作用导弹翼片汽车工业汽车工业连续纤维增强钛基复合连续纤维增强钛基复合材料材料增强体：增强体： SiC、TiC、 SiC包覆硼纤维、耐高温的金属纤维。包覆硼纤维、耐高温的金属纤维。制备方法：制备方法： 只能采用固相法合

51、成，后用热等静压、真空热压锻造只能采用固相法合成，后用热等静压、真空热压锻造方法压实成形。方法压实成形。表表5-14为连续纤维增强为连续纤维增强TMCS制备方法：制备方法： 交替叠轧法、等离子喷涂、高速物理气相沉积法交替叠轧法、等离子喷涂、高速物理气相沉积法性能：性能： 各向异性很强，横向拉伸强度仅为纵向的各向异性很强，横向拉伸强度仅为纵向的3045%，纵向拉伸强度比基体高得多。纵向拉伸强度比基体高得多。纵向：提高弹性模量、拉伸、蠕变强度纵向：提高弹性模量、拉伸、蠕变强度横向：性能低于基体材料，这是由于载荷是由基材横向：性能低于基体材料，这是由于载荷是由基材和基材与强化剂界面来承担。和基材与强化剂界面来承担。表表5-15、表、表5-16应用：应用：航天航空事业航天航空事业汽车工业：汽车工业： 日本丰田汽车公司开发了日本丰田汽车公司开发了TiB/Ti-4.3Fe