第十章 金属基复合材料

1、第10章金属基复合材料，复合材料分类：复合材料，根据应用，基体类型，增强材料的类型和形状，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，复合材料：由两种或多种具有不同性能的材料制成的复合材料金属基复合材料：连续金属和合金基增强材料基体：铝基，镁基，钛基，钢基，铜基增强材料：连续纤维，短纤维， 晶须和颗粒金属基复合材料的性能特点：高比强度、高模量、高韧性、高热导率、小膨胀系数、良好的耐磨性、高高温强度和良好的表面稳定性。 第一部分是金属基复合材料体系的选择。1.基体选择的工作环境和工程所需的钢筋类型(1)航空航天的工作环境和要

2、求要求高比强度、高比模量和高尺寸稳定性。金属合金镁及铝合金体积小、质量轻，汽车发动机具有较高的工作温度、高温强度、抗气体腐蚀、耐磨性，铝合金具有450以下的导热工作温度，钛合金具有450 650的镁合金工作温度，铁基和镍基耐热合金具有800以上的不锈钢工作温度，(2)连续纤维增强型：纤维具有高强度和高模量，连续纤维是主要载体、基体，一般采用纯铝或低合金防锈铝合金作为基体。不连续强化：金属基体是主要载体，基体的强度对材料有决定性的影响。通常，选择高强度铝合金作为基体。2.增强材料、连续长纤维、短纤维、晶须和颗粒功能：提高材料强度、模量、高温强度和耐磨性：增强材料应具有高比强度、高模量、高温强度、

3、高硬度、低热膨胀、良好的化学稳定性、润湿性和相容性，且无严重的不良界面反应。它与矩阵匹配以提高性能。(1)连续纤维沿轴向具有高强度和弹性模量。长，直径范围：5.6 14 m(束)，95 140 m(单丝)。碳纤维：碳纤维和石墨纤维的总称。高强度、高弹性模量、优异的导热性和导电性、低膨胀系数、优异的高温力学性能、低碳纤维相对密度、高弹性模量、在2500无氧环境下不降低。石墨纤维比碳纤维具有更高的耐热性和导电性，并具有自润滑性能。在高温下，碳纤维与金属发生不同程度的反应，导致碳纤维受损。制备方法：有机纤维可在惰性气体中高温碳化，制成碳纤维和石墨纤维。碳纤维在2000以下制备，石墨纤维在2500以上

4、处理后制备。硼纤维：强度高、弹性模量大、耐高温性能好。在现代航空结构材料中，硼纤维的弹性模量绝对值最高，相对密度高、延伸率差、价格昂贵。硼纤维是通过化学沉积将还原产生的硼涂覆在钨和碳丝上制成的。碳化硅纤维是一种具有优异高温强度、高熔点、高强度、高硬度和高弹性模量的陶瓷纤维。化学沉积法：氢气和硅烷的混合气体在1300下与钨丝反应形成碳化硅纤维。烧结法(有机聚合物转化法):硅聚合物在1000以上旋转烧结。玻璃纤维：强度高，相对密度低，化学稳定性高，耐热性好，价格低廉。缺点是脆性高，耐磨性差，纤维表面光滑，难以与其他物质结合。玻璃纤维可以制成长纤维和短纤维，也可以织成布和毡。其他纤维：氧化铝纤维、天

5、然纤维、聚合物纤维，(2)晶须，其为针状单晶，直径仅为0.2-1.0微米，长度约为几十微米。晶体缺陷少，强度接近完整晶体的理论值陶瓷晶须包括碳化硅、氧化铝、氮化硅和硼酸铝晶须。制备方法：化学气相法。在金属晶须中，铁晶须可以批量生产，其最大特点是可以在磁场中取向，因此易于制备取向纤维增强复合材料。(3)颗粒，通常由陶瓷颗粒制成。尺寸小于50微米，一般小于10微米。氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钛、硼化钛、碳化硼和氧化钇颗粒。优点：高强度、高弹性模量、高硬度和耐热性。第二部分，金属基复合材料的性能设计，复合材料力学行为的核心：基体和增强体之间的载荷分布。混合法则：施加的载荷等于基体和钢筋的平均载荷之

6、和。1.连续纤维增强金属基复合材料的强度主要取决于连续纤维增强金属基复合材料作为传递和分散载荷介质的失效，这主要是由纤维断裂引起的。对于层状金属基复合材料，抗拉强度Cu为：fu为纤维的抗拉强度，M*为纤维断裂时金属基的抗拉强度。“最小体积分数f”:当纤维体积分数f很小时，由混合定律计算的破坏应力小于对应于用孔代替纤维的金属基体值。这不是真的。f必须大于f。对于纵向弹性模量，也可以使用混合定律。2.不连续金属基复合材料的强度。当混合定律应用于短纤维(包括晶须)时，应考虑长径比和基体的剪切强度。当短纤维长度不同时，最终的表达式也不同。如果纤维长度L小于临界长度Lc，纤维的最大应力将不会达到纤维的平

7、均强度，并且纤维不会断裂，这是由界面或基体损坏引起的。如果纤维长度L大于临界长度Lc，并且纤维的应力达到平均强度，则材料开始断裂。短纤维的增强效果不如连续纤维有效，因此短纤维的f比连续纤维高。3。颗粒增强金属基复合材料的强度强化机理是弥散强化复合材料的失效始于颗粒界面，表明界面失效或颗粒脱落剪应力导致颗粒失效和材料变形。第3节：金属基复合材料的界面、强化和断裂。1.金属基复合材料的界面位于基体和增强体之间，起到传递载荷的作用。在制造或使用金属基复合材料的过程中，为了获得合适的界面结合强度，有必要控制界面的化学反应。增强体与基体的结合强度对复合材料的性能有很大影响。如果界面结合强度低，增强体很容

8、易与基体分离，不能起到增强作用。如果界面结合强度过高，钢筋与基体之间的应力不会松弛，容易形成脆性断裂。铝基复合材料的界面反应铝是一种高活性金属，能与大多数增强材料发生反应。由于表面有Al2O3层，反应速度慢。铝和碳之间的反应产生Al4C3。铝和硼之间的界面反应产生AlB2和AlB12。铝基成分不同，产品也不同。铝和碳化硅之间的反应产生Al4C3和硅。当温度低于620时，铝不能与碳化硅反应。在热处理后的铝镁碳化硅复合材料中，界面反应产物有一薄层Al4C3，提高了界面结合强度，阻碍了界面滑动，明显提高了弹性模量。镁能显著提高铝合金基体的界面活性。在低温下，镁不与碳反应。通常，镁不会与碳化硅反应。镁

9、与氧发生强烈反应，形成氧化镁或氧化镁铝尖晶石。在钛基复合材料的界面上，钛与硼反应生成TiB2，TiB 2从室温到高温都是稳定的。钛和钛合金容易与大多数增强体反应，但不同体系的反应速率有很大差异。什么时候当颗粒直径一般在0.01 0.1范围内时，增强效果最好。当直径过大时，会造成应力集中；当直径小于0.01时，类似于固溶体结构，影响不大。纤维增强复合材料的复合效应取决于纤维和基体的性能、界面的物理和化学效应以及纤维的含量、长度和排列。为了达到纤维增强的目的，必须注意以下问题：纤维增强复合材料的外载荷主要取决于增强纤维。因此，应选择比基体具有更高强度和弹性模量的纤维材料作为增强剂。纤维和基体之间应

10、该有一定的结合效果，它们之间的结合力应该保证基体上的力通过界面传递给纤维。然而，结合力不应太大。如果界面结合强度太高，增强体和基体之间的应力不会松弛，容易形成脆性断裂。纤维的排列方向应与构件的受力方向一致，以起到增强作用。纤维和基体的热膨胀系数应相容。纤维的体积百分比必须大于一定的体积含量。不连续的短纤维必须大于一定长度。(2)强化型：a .位错强化金属基复合材料中的局部应力或残余热应力会产生位错。如果增强体和金属基体之间的错配应变通过释放位错环而松弛，则增强体将发生。错配应变：钢筋的自然形状与其在金属基体中占据的空腔形状之间的差异。细晶粒增强的不连续增强金属基复合材料具有极细的晶粒尺寸，比未

11、增强的基体金属的晶粒尺寸小得多。不同的晶粒尺寸对再结晶有两个影响：如果晶粒尺寸很小，晶粒会钉扎大角度晶界；如果颗粒尺寸较大，颗粒将促进再结晶和成核，并使复合材料获得极细的晶粒。弥散强化和时效强化相对颗粒增强金属基复合材料没有显著影响。晶粒尺寸和晶粒间距大于时效强化合金。颗粒对析出相的大小和分布有很大影响：错配应变的增加导致位错密度的增加；加速沉淀相的成核。大量试验结果表明，非连续增强金属基复合材料的力学性能有以下趋势：屈服强度和拉伸强度增加，屈服强度随着增强体体积分数的增加而增加，但拉伸强度并不总是具有相似的效果。在增强晶须增强金属基复合材料方面，晶须比颗粒更有效，屈服强度的增加通常在压缩时大

12、于拉伸时。金属基复合材料的断裂：(1)连续长纤维金属基复合材料的金属基体断裂韧性远大于纤维，因此基体的失效应变大于纤维的老化应变。复合材料的断裂主要是由连续纤维的断裂引起的。(2)不连续金属基复合材料的断裂，短纤维(晶须)很少开裂，大颗粒会开裂。尺寸为20m的基体中空洞的形成和连接是不连续金属基复合材料断裂的主要机制。空洞通常在增强体附近成核，并因界面应力和基体加工硬化而加剧。界面应力是由外加载荷、不均匀的热收缩和基体的塑性流变引起的。促进空隙形成的结构因素包括粗增强颗粒、颗粒边界处的增强颗粒、颗粒分布不均匀的颗粒聚集区域、垂直于载荷的大颗粒表面以及颗粒表面上的脆性反应层。4.金属基复合材料的磨损机理是塑性流变和断裂表现：材料表面点蚀和脱落。最佳耐磨性：高硬度和高断裂韧性的适当分布。增强陶瓷颗粒的含量和尺寸越大，耐磨性越高。第四部分是金属基复合材料的制造工艺。1.液相专业热喷涂法：将粉末输入火焰加热区，加热膨胀，加速喷涂，在冷却模具中固化；(3)浆料浇铸，其中将陶瓷粉末逐渐加入熔融金属中，连续搅拌浆料，然后固化整个混合物。2.无液相固相法基体金属的制备方法。金属基体与增强材料之间的界面反应相对不严重。(1)混合