第一章 金属基复合材料概述

1、物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology1金属基复合材料主讲：周文政理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology2第一章 金属基复合材料概述物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology31. 复合材料的概念与定义复合材料的概念与定义q 常规材料的优缺点：常规材料的优缺点：q 定义：定义：采用物理或化学的方法，使两种或两种以上的材料采用物理或化学的方法，使两种或两种以上的材料在相态（如连续相

2、：基体；不连续体：增强相）以性能相在相态（如连续相：基体；不连续体：增强相）以性能相互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些性能，或互补其缺点，或获得新的性能（或功能）的目的。性能，或互补其缺点，或获得新的性能（或功能）的目的。金属材料的优点：优良的延展性和可加工性。缺点：强度金属材料的优点：优良的延展性和可加工性。缺点：强度相对低，耐热、耐磨、耐蚀性差，如铝；相对低，耐热、耐磨、耐蚀性差，如铝；陶瓷材料的优点：强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好，缺点：陶瓷材料的优点：强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好，缺点：很脆，加工性能差。很脆，加工性能差。

3、复合后利用两者的优势互补，提高性能。复合后利用两者的优势互补，提高性能。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology4简单而言复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复合而成的多相材料。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology52. 复合材料的分类与命名复合材料的分类与命名1分类分类1) 按用途分为结构材料（用于制造受力构件的复合材料）按用途分为结构材料（用于制造受力构件的复合材料）和功能材料（具有各种特殊性能，如阻尼、导电、导和功能材料（具有各种特殊性能，如阻尼、导电、

4、导磁、换能、摩擦、屏蔽等）两类。磁、换能、摩擦、屏蔽等）两类。2) 按复合材料各成分在材料集散情况，分为三类：分散按复合材料各成分在材料集散情况，分为三类：分散（掺和）强化型复合材料、层状（结合型）复合材料、（掺和）强化型复合材料、层状（结合型）复合材料、梯度（功能型）复合材料。梯度（功能型）复合材料。3) 按基体材料类型分：金属基复合材料（按基体材料类型分：金属基复合材料（MMC）（如铝）（如铝基复合材料、钛基复合材料等）；聚合物基复合材料基复合材料、钛基复合材料等）；聚合物基复合材料（PMC）；陶瓷基复合材料（）；陶瓷基复合材料（CMC）4) 按增强原理分为弥散增强型复合材料、晶须增强型复

5、按增强原理分为弥散增强型复合材料、晶须增强型复合材料、纤维增强型复合材料。合材料、纤维增强型复合材料。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology6按基体分类按基体分类物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology7按增强体分类按增强体分类物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology8按分散状态分类按分散状态分类物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology9物

6、理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology10 复合材料的分类:复合材料按用途按基体类型按增强体种类和形状 结构复合材料 功能复合材料金属基复合材料非金属基复合材料纤维增强复合材料 颗粒增强复合材料晶须增强复合材料 总结如下:物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology11 金属基复合材料金属基复合材料 聚合物基复合材料聚合物基复合材料 无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料 复合材料复合材料基体材料基体材料增强材料增强材料种类种类外形外形碳纤维复合材料碳纤维复合材料玻璃纤

7、维复合材料玻璃纤维复合材料芳纶纤维复合材料芳纶纤维复合材料连续纤维（短纤维）复合材料连续纤维（短纤维）复合材料片状（粒状）材料增强复合材料片状（粒状）材料增强复合材料物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology123. 复合材料的应用复合材料的应用航空航天： 物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology13航空航天： 物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology14航空航天航空航天：飞机机翼、尾翼、垂尾、机身飞机机翼

8、、尾翼、垂尾、机身 波音波音-747-747型客机上使用聚合物基复合材料的部位型客机上使用聚合物基复合材料的部位 物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology15 B787客机客机(2007年年7月首架飞机下线月首架飞机下线,复合材料占总质量复合材料占总质量50%,节省燃油节省燃油20%) 技技术参数：术参数： 翼展：翼展：50.3-51.8米；机长米；机长: 55.5米；高度：米；高度：16.5米；最大起飞总米；最大起飞总重重:163000千克；巡航速度：千克；巡航速度： 0.85马赫（马赫马赫（马赫=1126公里公里/小时）小时）

9、 ；载客量：；载客量：289；最大航程：；最大航程：15700公里公里 物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology16 A380客机客机(2007年年10月月,首次商业航行首次商业航行,复合材料占总质量复合材料占总质量25%) 是目前世界是目前世界上唯一采用全机身长度双层客舱上唯一采用全机身长度双层客舱,最先进、最宽敞和最高效的飞机。最先进、最宽敞和最高效的飞机。 技术参数：翼展：技术参数：翼展：79.8米；机长：米；机长：73米；宽度：米；宽度：7.14米；最大起飞重量：米；最大起飞重量：560吨；巡航速度：吨；巡航速度：0.89

10、马赫；载马赫；载 客客 量：量：555人；最大航程：人；最大航程：15000公里。公里。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology17 我国研制的我国研制的ARJ21 （Advanced Regional Jet）支线客机）支线客机-“翔凤翔凤”(复复合材料占总质量合材料占总质量2%)2007年年12月月21日下线，日下线，2008年上半年首飞；载客量年上半年首飞；载客量70-100人人;最大燃油航程：最大燃油航程： 4164 km. 物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technol

11、ogy18聚合物基复合材料在导弹火箭上的应用聚合物基复合材料在导弹火箭上的应用(导弹减轻导弹减轻1公斤公斤,射程增加射程增加16-20公里公里)物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology19交通运输交通运输：各种车身构件、车门、地板、冷藏车、座椅各种车身构件、车门、地板、冷藏车、座椅建筑工业建筑工业：轻型房屋、建筑装饰及雕塑轻型房屋、建筑装饰及雕塑电子电器电子电器：层压板、电线杆、路灯灯具层压板、电线杆、路灯灯具体育体育：撑杆、弓箭、赛车、滑板撑杆、弓箭、赛车、滑板机械：机械：各种配件、风机各种配件、风机物理科学与工程技术学院Col

12、lege of Physics Science and Technology20物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology21物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology22物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology23物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology24物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Te

13、chnology254.1 玻璃纤维玻璃纤维(20世纪世纪20年代，生产并投入使用，美国；年代，生产并投入使用，美国；1950年，中国年，中国)4. 4. 增强材料增强材料物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology264.1 玻璃纤维玻璃纤维的组成玻璃纤维的组成 玻璃纤维是由玻璃纤维是由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属无定形离子结构物质。物，属无定形离子结构物质。SiO2：主要组分，形成基本骨架，有高的熔点主要组分，形成基本骨架，有高的熔点金属氧化物金属氧化物：（Al2O3 ，CaO

14、 ，MgO ，BeO ，Na2O,K2O，B2O3）物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology274.2 碳纤维（碳纤维（CF）碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化高温碳化而成的而成的纤维状碳纤维状碳化合物化合物。（高强度、高模量、耐热性好、密度低）（高强度、高模量、耐热性好、密度低）1959年美国研制人造丝碳纤维；年美国研制人造丝碳纤维；1963年日本以沥青为原料研制出碳纤维；年日本以沥青为原料研制出碳纤维；1964年英国，聚丙烯腈基碳纤维年英国，聚丙烯腈基碳纤维20世纪世纪70年代，中国生产碳纤维

15、年代，中国生产碳纤维（品种少，性能一般，产量低）（品种少，性能一般，产量低）1969年年 100t1985年年 4700t2000年年 20000t物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology28碳纤维的用途碳纤维的用途物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology29碳纤维的用途碳纤维的用途物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology30碳纤维的用途NH-90NH-90直升机直升机物理科学与工程技术学院College

16、 of Physics Science and Technology31碳纤维的用途碳纤维的用途 NH-90NH-90直升机机体结构中，绝大部分均采用复合材料整体结构，直升机机体结构中，绝大部分均采用复合材料整体结构，与全金属结构相比，其零件数目减少与全金属结构相比，其零件数目减少20%20%，重量减轻，重量减轻15%15%。 物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology32碳纤维的用途碳纤维的用途物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology33碳纤维的用途物理科学与工程技术

17、学院College of Physics Science and Technology344.3 芳纶纤维（芳纶纤维（KF，VF） KF是一种低密度、高强度、高模量和耐腐蚀的有是一种低密度、高强度、高模量和耐腐蚀的有机纤维，机纤维，1960年美国杜邦公司发明。年美国杜邦公司发明。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology354.3 芳纶纤维（KF，VF）物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology364.4 其它纤维其它纤维硼纤维（硼纤维（BF） 20世纪世纪50年代末，美

18、国开发的高性能纤维，年代末，美国开发的高性能纤维，主要用于制造树脂基和金属基复合材料。主要用于制造树脂基和金属基复合材料。CF比比BF生产工艺简单，成本低，性能相当，生产工艺简单，成本低，性能相当，BF被被CF替代。替代。目前，主要用于金属基复合材料。目前，主要用于金属基复合材料。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology374.4 其它纤维碳化硅纤维（碳化硅纤维（SiCF）1.制造方法CVD法:钨丝/碳丝 沉积室沉积室烷基硅烷分解烷基硅烷分解SiCF物理科学与工程技术学院College of Physics Science and

19、 Technology384.4 其它纤维其它纤维高硅氧纤维与石英纤维高硅氧纤维与石英纤维 由高纯由高纯二氧化硅二氧化硅和天然和天然石英石英晶体晶体制成的制成的纤维纤维。纯度纯度99.95%，密度密度2.2g/cm3,直径直径0.7 -10m。具有耐热、耐。具有耐热、耐腐蚀腐蚀和柔软性。和柔软性。高温下强度保持率高、尺寸稳定、抗热震性、化学稳定性、高温下强度保持率高、尺寸稳定、抗热震性、化学稳定性、透光性及电绝缘性好。透光性及电绝缘性好。用途用途:主要用作电绝缘材料、主要用作电绝缘材料、隔热材料隔热材料和和复合材料复合材料的增强体。的增强体。用于制用于制飞机飞机雷达罩雷达罩、火箭火箭的尾喷管、

20、空间航天器的的尾喷管、空间航天器的烧蚀材料烧蚀材料等。等。 物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology394.4 其它纤维其它纤维超高相对分子量聚乙烯纤维超高相对分子量聚乙烯纤维 （分子量（分子量300万以上）万以上）目前世界上最新的超轻、高比强度、高比模量、成本低的目前世界上最新的超轻、高比强度、高比模量、成本低的高性能有机纤维。高性能有机纤维。1975年荷兰年荷兰DSM公司发明，公司发明，1990年，第年，第一条小型生产线。一条小型生产线。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Tec

21、hnology404.4 其它纤维其它纤维超高相对分子量聚乙烯纤维超高相对分子量聚乙烯纤维 物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology414.4 其它纤维其它纤维玄武岩纤维（玄武岩纤维（CBF）以火山岩为原料，经以火山岩为原料，经1500 1500 熔融拉丝而成的纤维。熔融拉丝而成的纤维。（外观为金褐色，（外观为金褐色，20062006年全世界产量年全世界产量30003000吨，中国吨，中国700700吨，吨，70%70%用于建筑工业。）用于建筑工业。）物理科学与工程技术学院College of Physics Science an

22、d Technology425. 金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料： 连续的金属、合金 基体 + 增强体基体：铝基、镁基、钛基、钢基、铜基增强体：连续纤维、短纤维、晶须、颗粒q 纤维增强型纤维增强型q 颗粒和晶须增强型颗粒和晶须增强型q 交替叠层型交替叠层型q 共晶定向凝固共晶定向凝固q 概念：概念：物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology43 金属基复合材料具有高强度、高模量、金属基复合材料具有高强度、高模量、高韧性、高导热导电性、低膨胀系数，低膨胀系数，耐磨性好、高温强度高、表面稳定性好，能耐能耐300-500300

23、-500或更高的温度。或更高的温度。 但造价高、密度大、制备工艺复杂，存在界面反应等缺但造价高、密度大、制备工艺复杂，存在界面反应等缺点。点。q 性能特点：性能特点：物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology44 1）高比强度、高比模量）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。 例如：铝合金的比强度为1.4106Pacm3/g、比模量为2.8108Pacm3/g； 而石墨/铝合金的比强度为3.6106Pacm3/g、比模量达到10.5108Pacm3/g。物理科学与工程技术学院

24、College of Physics Science and Technology45 2）导热、导电性能）导热、导电性能 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。 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。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology46 3）热膨胀系数小、尺寸稳定性好）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

25、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。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology47 ）良好的高温性能）良好的高温性能 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500高温下，仍具有600MPa的高温强度；而铝基体在300 强度已下降到100MPa以下。物理科学与工程技术学院College of

26、Physics Science and Technology48 5）耐磨性好）耐磨性好 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。中加入了硬度高、耐磨的陶瓷纤维、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。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology49 6）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 的断裂韧性和抗疲劳性能取决于纤维等增强物与金属基体的界面状态、增强物的分布以及各组分本身的特性。适中的界面结合强度既可有效地

27、传递荷载，又能阻止裂纹的扩展，提高断裂韧性。 例如：复合材料的疲劳强度与拉伸强度比约为0.7。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology50 7）不吸潮、不老化、气密性好）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。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology51 20世纪60年代，美苏在宇宙空间开展竞争导致航空航天技术发展而产生。 最早是硼纤维增强铝基复合材料的成功使用，接着是在7

28、0年代中期，碳（石墨）纤维增强铝基复合材料研制及应用取得了较大进展，其后各种不同金属基体、不同类型和增强形态的增强材料以及多种增强形式的金属基复合材料不断发展，逐渐形成了金属基复合材料体系。 80年代后，为解决金属基复合材料制备成本高难以广泛应用，各种新制备技术用于颗粒和晶须增强金属基复合材料，使复合材料成本不断下降，在民用方面如汽车行业等逐步获得应用，进而促进了金属基复合材料的发展。q 起源与发展：起源与发展：物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology52 现代科学技术的飞速发展，对材料的要求越来越高。对于结构材料，不单要求强度高

29、，还要求其重量要轻，在航空航天领域尤其如此。金属基复合材料正是为了满足这些要求而诞生的。 与传统的金属材料相比，它具有较高的比强度和比刚度，而相对于树脂基复合材料，它具有优良的导电性与耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有高的韧性和高的冲击性能。这些优良的性能决定了它从诞生之日起就成了新材料家族中的重要一员。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology53 下图为采用硼纤维增强铝基复合材料代替铝合金制造的航天飞机主舱体的主龙骨支柱，减轻重量达145公斤，效果显著。物理科学与工程技术学院College of Physics Science a

30、nd Technology54 金属基复合材料是金属基复合材料是，而制得的复合材料。而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可因此，对这种材料的分类既可来进行、来进行、也可也可来进行。来进行。q 金属基复合材料的种类：金属基复合材料的种类：物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology55物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology56这是在金属基复合材料中这是在金属基复合材料中的的一种。由于一种。由于为为结构，因此结构，因此具有具有良好的良好的，再加之它所具有的，再加之它所

31、具有的、及及等优点，等优点，为其为其在工程上应用在工程上应用创造了有利的条件。创造了有利的条件。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology57在在制造铝基复合材料制造铝基复合材料时，通常并不是使用时，通常并不是使用纯铝而是纯铝而是。这主要是由于这主要是由于与纯铝相比与纯铝相比，。至于选择何种铝合金做基体，。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中则根据实际中对复合材料的性能需要对复合材料的性能需要来决定。来决定。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology58这种复合材料是以

32、这种复合材料是以制制造的。由于镍的造的。由于镍的，因此这种，因此这种复合材料主要是用于制造复合材料主要是用于制造高温下工作的零高温下工作的零部件部件。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology59人们研制人们研制的一个重要目的，的一个重要目的，即是希望用它来制造即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片燃汽轮机的叶片，从而，从而进一步进一步提高燃汽轮机的工作温度提高燃汽轮机的工作温度。但目前由于但目前由于及及等问题尚等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。未解决，所以还未能取得满意的结果。物理科学与工程技术学院College of Phys

33、ics Science and Technology60比任何其它的结构材料具有比任何其它的结构材料具有。此外，钛此外，钛在中温时在中温时比铝合金比铝合金。 因此，对飞机结构来说，当速度因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速从亚音速提高到提高到超超音速音速时，时，。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology61随着随着速度的进一步加快速度的进一步加快，还需要，还需要，采用，采用更细长的机冀更细长的机冀和和其其它冀型它冀型，为此需要，为此需要，而，而恰可满足这种对材料刚度的要求。恰可满足这种对材料刚度的要求。物理科学与工程技术学院College of Physics Science and Technology62钛基复合材料中钛基复合材料中最常用的增强体是最常用