航空航天复合材料 课件知识点2 铝基复合材料

金属基复合材料复合材料原理

知识点2-铝基复合材料主要内容铝基复合材料概述纤维增强铝基复合材料晶须、颗粒增强铝基复合材料一二三铝基复合材料应用四1.增强体:有长纤维、短纤维、晶须和颗粒；2.基体:要有纯铝及其合金。3.基体铝合金的种类：有形变铝合金与铸造铝合金。4.形变铝合金的国际标准，由四位数字组成：最后两位无特殊意义，仅表示同组中铝合金的不同序号。第二位英文大写字母，A（或0）表示原始合金。1—工业纯铝（>99.00%的工业纯铝）2—Al-Cu、Al-Cu-Mn（Cu为主要合金元素）3—Al-Mn（Mn为主要合金元素）4—Al-Si（Si为主要合金元素）5—Al-Mg（Mg为主要合金元素）6—Al-Mg-Si（Mg与Si为主要合金元素，并以Mg2Si为主增强体）7—Al-Cu-Mg-Zn（Zn为主要合金元素，即含量相对较高）8—其它（备用）。

一、铝基复合材料概述二、纤维增强铝基复合材料1．Bf/Al复合材料1）概述：以硼纤维为增强体的铝基复合材料。硼纤维的比模量约为钢、铝、钼、铜和镁的任何一种标准工程材料的5～6倍，这是由于硼纤维的共价键强度比金属键更强，而金属键的结合力又比有机树脂的结合力强得多。Bf/Al是铝基复合材料中最有前途的一种。具有以下特点：1）综合了硼纤维优越的强度、刚度和低密度及铝合金基体的易加工性和工程可靠性等优点；2）弹性各向同性；3）横向抗拉强度和剪切强度与铝基体合金基体的强度相当；4）高的导电性、导热性、塑性、韧性、耐磨性、连接性、可热处理性、不可燃性等。基体B纤维体积分数/%纵向拉伸强度/MPa弹性模量/GPa纵向断裂应变/%20244764142115282222760.7950.722024（T6）4664145919242292760.810.7756061485014901343-217-0.6956061（T6）5114172320.735表1Bf/Al复合材料室温纵向拉伸性能有两种：1）纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行；2）先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品加工成最终形状的零件。前一种类似于铸件，后一种类似于先铸锭再锻造成型。2）制备3）性能Bf/Al复合材料应用于航天飞机的机身构架管，如F-111、S-3A等，此外还有“阿特拉斯”导弹的壳体。4）应用由于碳纤维与Al基体的界面，在400～500℃时会发生明显的反应生成Al4C3。为减少界面反应的发生，纤维表面需涂覆陶瓷层，一般为SiC最佳，TiN次之。也可在其表面涂覆钽、镍、银等金属。为改善界面润湿性，在SiC涂层外再涂一层铬。表2石墨纤维增强铝基复合材料的力学性能基体合金体积分数/%热压温度/℃延伸率/%拉伸模量/GPa拉伸强度/MPa弯曲模量/GPa弯曲强度/MPaAl3(纯铝)36.8-1.2017968616068236.9-0.6815548816975037.16451.0316353716688642.8-0.731895431626706061（LD2）26.76751.03142447--30.06850.9315452515757442.56700.832156411697602．Cf/Al复合材料

1）概述有三种：1）扩散结合；2）挤压铸造；3）液态金属浸渍法。

2）制备3）性能表3液态金属浸渍法制备的碳纤维增强铝基复合材料的拉伸强度纤维类型纤维体积分数/%拉伸强度Al4C3量/ppm/MPa%ROM人造丝基Thornel503279891250人造丝基Thornel752781294—沥青基3540678100聚丙烯氰基Ⅰ4380582123聚丙烯氰基Ⅱ（未石墨化）2924528>6000Cf/Al复合材料具有很高的比强度和比模量，应用于直升机、导弹、坦克和突出浮桥中等。如CH47直升机的传动机构，大大减轻了振动噪音，此外人造卫星和大型空间结构上，如卫星支撑架、平面天线体、可折式抛物面天线肋等。4）应用碳化硅具有优异的室温和高温力学性能，与铝基体的界面结合状态良好。由于有芯碳化硅纤维单丝的性能突出，复合材料的性能较好。有芯SCS-2碳化硅纤维增强6061铝合金基复合材料，在碳化硅纤维体积分数为34%时，室温抗拉强度为1034MPa；拉伸弹性模量为172GPa，接近理论值；抗压强度高达1896MPa，压缩模量为186GPa。无芯Nicalon碳化硅纤维增强6061铝合金基复合材料，在体积分数为35%时，室温抗拉强度为800～900MPa，拉伸弹性模量为100～110GPa，抗弯强度为1000～1100MPa。在室温至400℃之间能保持很高的强度。应用：SiCf/Al复合材料主要用于飞机、导弹结构件、发动机构件等。3．SiCf/Al复合材料Al2O3f/Al复合材料具有高刚度、高强度、高蠕变抗力和高疲劳抗力。氧化铝纤维的结构主要有α-Al2O3和γ-Al2O3两种。由于Al2O3与铝基体的润湿性差，故影响界面结合强度，为此在基体中添加Li元素，可显著改善界面润湿性，同时还可抑制界面发生化学反应。纤维种类体积分数/%体积密度/g.cm3抗拉强度/MPa弹性模量/GPa抗弯强度/MPa剪切模量/GPa抗压强度/MPaα-Al2O3503.2558522010302622800γ-Al2O3502.986015011001351400表4同一体积分数的α-Al2O3、γ-Al2O3纤维增强的铝基复合材料性能4．Al2O3f/Al复合材料三、晶须、颗粒增强铝基复合材料

SiC晶须增强Al-Cu-Mg-Mn系的2124铝合金复合材料，抗拉强度、弹性模量随着体积分数的增加而显著增加。主要应用于导弹、航天器构件和发动机部件、汽车的气缸、活塞、连杆、飞机尾翼平衡器等。

SiC颗粒增强铝合金复合材料具有高的比强度、比刚度。如25%SiCp/6061Al，用于制备飞机上放置电器设备的机架，刚性比7075铝合金高65%。复合材料20-65%SiC/Al由于热膨胀匹配、热导率高、密度低、尺寸稳定性好，并适用与钎焊，应用于支撑微电子器件的底座。图1(Al2O3+Al3Ti)/Al图2(Al2O3+TiB2)/Al1）Al-TiO2体系2）Al-TiO2-B体系

（a）,（d）摩尔比B/ZrO2=0（b）,（e）摩尔比B/ZrO2=1.0（c）,（f）摩尔比B/ZrO2=2.0图3Al-ZrO2-B体系热爆合成铝基复合材料组织SEM图及其对应的XRD图3）Al-ZrO2-B体系

图4块状物能谱图图5Al-ZrO2-B体系热爆合成铝基复合材料的力学性能

（a）摩尔比B/ZrO2=0（b）摩尔比B/ZrO2=1.0（c）摩尔比B/ZrO2=2.0图6Al-ZrO2-B体系热爆合成铝基复合材料断口形貌的SEM图3）Al-ZrO2-B体系

（a）,（d）摩尔比C/TiO2=0（b）,（e）摩尔比C/TiO2=0.5（c）,（f）摩尔比C/TiO2=1.0图7Al-TiO2-C体系热爆合成铝基复合材料组织SEM图及其对应的XRD图4）Al-TiO2-C体系图8Al-TiO2-C体系热爆合成铝基复合材料的力学性能

（a）摩尔比C/TiO2=0（b）摩尔比C/TiO2=0.5（c）摩尔比C/TiO2=1.0图9Al-TiO2-C体系热爆合成铝基复合材料的断口形貌SEM图4）Al-TiO2-C体系（a）磨损量-滑动路程（b）磨损量-载荷（c）磨损量-滑动速度图10Al-TiO2-C体系不同摩尔比C/TiO2热爆合成铝基复合材料的磨损性能

（a）摩尔比C/TiO2=0（b）摩尔比C/TiO2=0.5（c）摩尔比C/TiO2=1.0图11不同C/TiO2摩尔比的复合材料在干摩条件下的磨面SEM照片4）Al-TiO2-C体系四、铝基复合材料的界面

界面是所有复合材料的核心之一，直接影响基体与增强体间的载荷传递、界面的结合强度。当增强体为内生型时，界面干净、热力学稳定、无反应层、结合强度高。而在外生型复合材料中，界面结构取决于基体与增强体的