第 3 章 及4章金属基复合材料设计的

1、第第 3 3 章章 金属基复合材料设计的基本原则金属基复合材料设计的基本原则3.1 金属基复合材料体系选择及材料设计金属基复合材料体系选择及材料设计 润湿性差润湿性差 有界面反应有界面反应 液态法制备液态法制备 固态法制备固态法制备 关键问题关键问题相容性相容性化学化学力学力学 不存在完全相容不存在完全相容基体增强体体系基体增强体体系通过增强体表面处理增强体表面处理基体合金化基体合金化先进的制备工艺先进的制备工艺满足性能要满足性能要求的求的MMC得到一一. 结构复合材料的体系选择及材料设计结构复合材料的体系选择及材料设计最高温度范最高温度范围选基体围选基体350400Al、Mg及合金 低于65

2、0 Ti及其合金 高于1000 高温合金 增强体增强体B 热力学上与热力学上与Al不相容，易生成有害化合物。涂层不相容，易生成有害化合物。涂层C 价格便宜，性能优异，但润湿性差，高温反应价格便宜，性能优异，但润湿性差，高温反应SiC 固态制备与固态制备与Al不反应，液态润湿性差不反应，液态润湿性差Al2O3 热力学与热力学与Al相容，价格贵、密度大相容，价格贵、密度大 基体基体Mg最主要的增强体是最主要的增强体是C纤维，但润湿性差，需表面处理纤维，但润湿性差，需表面处理Ti只有只有SiC与之相容性和润湿性好与之相容性和润湿性好高温合金的增强体主要是高温合金的增强体主要是W、Mo，密度大，价格贵

3、，密度大，价格贵一一. 结构复合材料的体系选择及材料设计结构复合材料的体系选择及材料设计 界面设计界面设计承受拉伸载荷承受疲劳或温度交变变化 受冲击载荷 界面结合适中 界面结合适中偏强 界面结合适中偏弱（1）弱界面结合，裂纹沿着界面形核并扩展；）弱界面结合，裂纹沿着界面形核并扩展；（2）强界面结合，且基体强度高，增强体将承载到它）强界面结合，且基体强度高，增强体将承载到它 们的断裂应力然后断裂。们的断裂应力然后断裂。（3）强界面结合，如果基体相对界面及增强体强度是）强界面结合，如果基体相对界面及增强体强度是 弱的，断裂将发生在基体中。弱的，断裂将发生在基体中。 界面设计界面设计一一. 结构复合

4、材料的体系选择及材料设计结构复合材料的体系选择及材料设计结构材料的力学性能与增强体性能、含量及取向密切相关一一. 结构复合材料的体系选择及材料设计结构复合材料的体系选择及材料设计 界面设计界面设计界面上小的缺陷对材料弹性模量有严重影响界面上小的缺陷对材料弹性模量有严重影响梯度涂层梯度涂层化学成分及物化学成分及物理性能渐变理性能渐变解决相容性，改善润湿性解决相容性，改善润湿性反应生长复合材料反应生长复合材料制备过程中产生增强体制备过程中产生增强体理想界面理想界面化学、力学相容性好化学、力学相容性好多种性能综合评价多种性能综合评价用途不同，优质组合方式不同用途不同，优质组合方式不同单一材料无法实现

5、单一材料无法实现二二. 功能复合材料的体系选择及材料设计功能复合材料的体系选择及材料设计3.2 金属基复合材料工艺方法的选择金属基复合材料工艺方法的选择 增强体分散增强体分散增强体在基体中均匀分布增强体在基体中均匀分布 表面处理表面处理 增强体表面处理增强体表面处理 预制件质量预制件质量 预制件强度高、无裂纹预制件强度高、无裂纹3.3 基体材料选择基体材料选择 选择原则一一. 金属基复合材料使用要求金属基复合材料使用要求 航天航空技术 比强度、比模量、尺寸稳定 轻金属：Al、Mg 高性能发动机 高比强、比膜、耐高温 Ni、Ti及金属间化合物 汽车发动机 耐热、耐磨、导热、高温强度、低成本 Al

6、 电子工业集成电路 高导热、低热膨胀 Ag、Cu、Al 金属基体金属基体物理性物理性化学性化学性相容性相容性基体固结增强体传递和承受各种载荷的作用基体固结增强体传递和承受各种载荷的作用二二. 金属基复合材料组成特点金属基复合材料组成特点 连续纤维增强连续纤维增强MMC 基体与纤维有良好的润湿性基体与纤维有良好的润湿性 非连续增强非连续增强MMC 高强度基体高强度基体三三. 基体与增强物的相容性基体与增强物的相容性四四. 结构用复合材料基体结构用复合材料基体五五. 功能用复合材料基体功能用复合材料基体应具有良好的导电、导热性和良好的力学性应具有良好的导电、导热性和良好的力学性 Cu、Al高比强、

7、比刚度、高的结构效率高比强、比刚度、高的结构效率 Al 、Mg合金应用航天航空、汽车、武器合金应用航天航空、汽车、武器连续高温使用连续高温使用Ti、Ni、Co基发动机基发动机基体合金元素基体合金元素增强体与基体界面反应增强体与基体界面反应3.4 增强体选择增强体选择一. 增强物分类1. 纤维类增强物2. 颗粒类增强物3. 晶须类增强物陶瓷颗粒陶瓷颗粒 Al2O3、SiC金属硬质颗粒金属硬质颗粒 W、Mo、Cr增强物特性增强物特性高比强、比模量等高比强、比模量等化学稳定性化学稳定性与金属之间良好润湿性与金属之间良好润湿性单晶纤维无缺陷但对滑移抗力小单晶纤维无缺陷但对滑移抗力小C纤维：强度纤维：强

8、度7000MPa， 模量模量400MPa汽车工业应用广泛汽车工业应用广泛晶须增强晶须增强AC8A做汽车内燃机的活塞做汽车内燃机的活塞二. 增强物表面处理干法：CVD、PVD湿法：电镀及溶胶凝胶喷涂法：等离子、火焰、电弧CVDPVD喷涂在一定温度下混合气体与基体表面之间相互作用，在基体表面形成金属或化合物的固态膜或镀层真空条件，利用物理方法将材料气化成原子、分子或使其电离成离子，通过气相过程，在材料和基体表面沉积薄膜将待喷材料用热源加热到熔化或半熔化状态，再用高压气流令其雾化并喷射于工件表面，从而形成涂层（热源）SiC颗粒表面化学镀颗粒表面化学镀Cu晶须表面镀晶须表面镀SnO2第第 4 4 章章

9、 金属基复合材料的制造方法金属基复合材料的制造方法关键问题关键问题 增强体在基体中的分布增强体在基体中的分布 增强体与基体相容性增强体与基体相容性 增强体与基体界面结构及性能增强体与基体界面结构及性能适合批量生产、接近最终形状适合批量生产、接近最终形状 影响影响MMC迅速发展和使用迅速发展和使用润湿、结合及反应性润湿、结合及反应性均匀性均匀性4.1 金属基复合材料制造的难点及解决途径金属基复合材料制造的难点及解决途径1MMC在高温制造时将产生严重的界面反应、在高温制造时将产生严重的界面反应、氧化反应氧化反应界面反应基体与增强体之间的结合强度有效传递载荷有效阻止裂纹扩展提高实现制造难点制造难点严

10、格严格控制控制损伤纤维、造成界面分离MMC制造的必要条件制造的必要条件金属需具备足够的流动性、成型性金属需具备足够的流动性、成型性金属与增强体具有良好的润湿性金属与增强体具有良好的润湿性4.1 金属基复合材料制造的难点及解决途径金属基复合材料制造的难点及解决途径三三. 增强物在基体中含量、分布、均匀性增强物在基体中含量、分布、均匀性金属需渗入增强体间隙中，否则难以实现良好的结合金属需渗入增强体间隙中，否则难以实现良好的结合增强体尺寸、形状、聚集状态以及物理、化学特性不同增强体尺寸、形状、聚集状态以及物理、化学特性不同制造难点制造难点二、金属基体与增强物之间的润湿性差二、金属基体与增强物之间的润

11、湿性差1增强物表面处理增强物表面处理 有效防止界面反应及相互扩散有效防止界面反应及相互扩散 有效改善基体与增强物间润湿性有效改善基体与增强物间润湿性 优化界面结构和性能优化界面结构和性能2加入合适的合金元素，优化基体合金元素加入合适的合金元素，优化基体合金元素 有效改善基体与增强体润湿性有效改善基体与增强体润湿性 有效防止界面反应有效防止界面反应三三. 优化工艺方法及工艺参数优化工艺方法及工艺参数解决途径解决途径 涂层Al中加入Bi、Ti、Pb温度时间与4.2 金属基复合材料制造方法分类金属基复合材料制造方法分类固态法液态法自生成法粉末冶金法热压法热等静压法挤压铸造搅拌制造热喷镀法界面反应弱金

12、属流动性好易进入间隙中良好的相容性反应元素反应气体一一. 固态法固态法1. 扩散结合扩散结合 纤维的排布纤维的排布 MMC的叠合与真空封装的叠合与真空封装 热压热压2. 粉末冶金粉末冶金 机械混粉机械混粉 封装除气封装除气 冷等静压（热等静压）冷等静压（热等静压）优点优点界面反应少界面反应少增强材料与基体任意比例混合增强材料与基体任意比例混合降低增强体与基体润湿要求降低增强体与基体润湿要求组织均匀、细化、致密组织均匀、细化、致密可二次加工可二次加工二二. 液态法液态法1. 压铸压铸 工艺参数工艺参数 熔融金属温度熔融金属温度 模具预热温度模具预热温度 使用压力使用压力 加压速度加压速度2. 半

13、固态复合铸造半固态复合铸造3. 无压渗透无压渗透三三. 喷涂与喷射沉积喷涂与喷射沉积喷涂沉积喷涂沉积 用于制备纤维增强用于制备纤维增强MMC喷射沉积喷射沉积 用于制备颗粒增强用于制备颗粒增强MMC优点优点高致密度高致密度晶粒组织细化晶粒组织细化工艺简单工艺简单四四. 原位复合原位复合增强体材料直接从基体金属中生成增强体材料直接从基体金属中生成优点优点界面结合好界面结合好生成相热力学稳定性好生成相热力学稳定性好不存在润湿性及界面反应问题不存在润湿性及界面反应问题4.3 金属基复合材料的二次加工金属基复合材料的二次加工1铸造成型铸造成型二二. 挤压模锻塑性成型挤压模锻塑性成型三三. 机械加工机械加

14、工挤压温度挤压速度挤压比切削、研磨钻孔切割焊接 搅拌铸造法 喷射沉积法 粉末冶金法 挤压铸造法复合材料制备复合材料制备颗粒增强铝基复合材料晶须增强铝基复合材料 颗粒和晶须混杂增强铝基复合材料制备工艺路线制备工艺路线晶须制备晶须预制件制备晶须表面处理模具晶须预制件成型加压电炉加热烧结挤压铸造毛坯热 挤 压 等二次加工液态铝合金挤压模具晶须预制件预热加压挤压铸造法挤压铸造法放入晶须分散晶须分散 表面处理表面处理过滤过滤成型成型干燥干燥 ( 90 )烧成烧成 ( 8001000 )复合材料制备工艺 晶须预制件制备晶须预制件制备晶须的涂覆晶须的涂覆原始态晶须 SE有涂层的晶须 SEJoining of alumina borate whisker reinforced aluminum composite in a semi-solid stateJour