金属基复合材料

1、名称：学号：等级：金属基复合材料、目录、金属基复合材料是指金属基复合材料的种类和性能铝基复合材料镁基复合材料的金属基复合材料的成形技术概述，3、金属基复合材料是指以金属及其合金为基体，一种或几种金属或非金属为强化相，人工结合的复合材料。 构成复合材料的各种材料被称为成分材料，成分材料一般不起作用，各自的特性独立存在。 结构材料不仅要求强度高，而且要求轻量，特别是航空宇宙领域。 一、金属类复合材料的概要、四、金属类复合材料(Metal Matrix Composite，MMC )这一术语包含广泛的成分和结构，共同点有连续的金属基质(包括金属间化合物矩阵)。 目的：将基体的优良塑性和成形性与增强体

2、的承载力和刚性结合起来。 把基体的高热传导性和加强体的低热膨胀系数结合起来。 5、金属系复合材料与相对于传统金属材料具有高比强度和比刚性的树脂系复合材料相比，与具有优异导电性和耐热性的陶瓷基材相比，具有高韧性和高冲击性能。 各增强体类型粒子增强金属基复合材料层状增强复合材料纤维(长短及晶须)增强金属基复合材料，金属基复合材料以金属或合金为基体，高性能第二相为增强体的复合材料。 金属基复合材料的种类很多，有各种各样的分类方式，可归纳为以下3种：二、金属基复合材料的分类和性能，(1)，粒子强化金属基复合材料粒子强化复合材料是强化相分散分布的粒子体，粒径和粒子间隔大，一般大于1m。 在这种复合材料中

3、，强化相是主要载流子相，但基体的作用是传递载荷。 粒子增强复合材料的强度通常依赖于增强粒子的直径和体积分率，并与基质的性质、粒子与基质的界面及粒子的排列形状密切相关。 层状增强复合材料层状复合材料是指在韧性和成形性良好的金属基材上反复排列的包含高强度、高弹性模量片材层状增强物的复合材料。 薄片增强的强度高于纤维增强，因此层状结构复合材料的强度受到限制。 但是，在增强平面的各个方向上，薄片增强物在强度和弹性模量上有增强效果，与纤维单方面增强的复合材料相比有明显的优势。 (3)、纤维(长短及晶须)增强复合材料在金属类复合材料中的纤维根据其长度分为长纤维、短纤维及晶须，均属于一维增强体。 因此，用纤

4、维增强的复合材料都表现出明显的各向异性特征。 短纤维和晶须在基质中随机分布，因此性能在宏观上表现出各向同性。 纤维强化金属系复合材料的金属熔点高，所以高强度纤维强化后的金属系复合材料(MMC )可以在比较高温的工作环境下使用。 常用的基底金属材料有铝合金、钛合金、镁合金。 作为增强体的连续纤维主要是硼纤维，SiC和c纤维Al2O3纤维通常在MMC中作为短纤维使用。 金属类复合材料纤维选择点高强度、高弹性模量。 (明显比金属基体高)耐热性高(例如，KF不应该选择)价格低(比较突出的制约因素)相容性好(膨胀系数接近，高温惰性)，12、按基材分类：铝系复合材料镁系复合材料钛系复合材料金属间化合物系复

5、合材料，现在铝系、妈妈根据用途不同，结构复合材料(2)、功能复合材料(3)、智能复合材料、结构复合材料：高比强度、高比弹性模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特征。被用于制造各种宇宙、航空、汽车、先进武器系统等高性能的结构物。 功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高衰减、高耐磨性等物理性能的最佳组合是其主要特性。 化学性能包含耐氧化性和耐腐蚀性等，用于电子、机器、汽车等工业。 智能复合材料：强调感觉、反应、自我监视、自我修复等特性。 请注意，功能复合材料和智能复合材料容易混淆。 MMC的性能特性、MMC的性能取决于所选择的成分的特性、含量、分布等。 通过优化组合，具有金属特性，具有综合性能

6、的MMC。 归纳起来，MMC具有高比强度、高比弹性模量热传导、导电性能热膨胀系数小、尺寸稳定性良好的高温性能、耐磨损性良好的断裂韧性和耐疲劳性能不吸湿、不劣化、气密性良好、金属基复合材料的性能特性、(1)、高比强度、比弹性模量为金属基材适量的高强度、高弹性模量、低密度如果在金属中加入高性能、低密度的加强体，复合材料的比强度、比弹性模量会加倍。 由高比强度、高比弹性模量金属基复合材料制成的构件相对密度轻，强度高，刚性好，是航空航天领域的理想材料。 (2)、导热性能、部分增强体为绝缘体，但在复合材料中占小份额，基体的导电和导热性没有完全阻断，金属基复合材料具有良好的导电和导热性。 为了解决高集成度

7、电子器件的散热问题，目前研究成功的超高弹性模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石粒子强化铝、铜系复合材料的热传导率比纯铝、铜高，它们制作的集成电路基板和封装高效且迅速地分散热，提高集成电路的可靠性(3)，热膨胀系数小，尺寸稳定性好，金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等具有小的热膨胀系数，具有高模数，特别是高模数、超高模数的石墨纤维具有负的热膨胀系数。 加入相当含量的增强物不仅能大幅度提高材料的强度和弹性模量，而且还能显着降低其热膨胀系数，通过调整增强物的含量可以得到不同的热膨胀系数，满足各种应用的要求。 例如，石墨纤维强化镁系复合材料，石墨纤维的含量达到48%时，复合材料的热膨

8、胀系数为零，温度变化时，使用该复合材料制作的部件不变形。 (4)、良好的高温性能、金属基材的高温性能比聚合物高得多，增强材料主要是无机物，高温下具有高的高温强度和弹性模量，金属基材复合材料具有比基材金属高的高温性能。 例如，石墨纤维增强铝系复合材料在500的高温下具有600MPa的高温强度，而铝基体在300的强度下降到100MPa以下。 另外，钨纤维强化耐热合金在1100、100h的高温耐久强度为207MPa，基体合金的高温耐久强度仅为48MPa。 因此，金属系复合材料被选定为发动机等高温部件，可以大幅度提高发动机的性能和效率。 (5)、良好的耐磨耗性、金属系复合材料，特别是陶瓷纤维、晶须、粒

9、子强化金属系复合材料具有良好的耐磨耗性。 例如，碳化硅粒子增强了的铝系复合材料的耐磨损性，与比母材金属高2倍以上的铸铁相比，SiCp/Al复合材料的耐磨损性比铸铁更好。 可用于汽车发动机、制动盘、活塞等重要零件，能显着提高零件的性能和寿命。(6)、良好的断裂韧性和耐疲劳性能、金属基复合材料的断裂韧性和耐疲劳性能取决于增强物和金属基材的界面结合状态，增强物在金属基材中的分布和金属基材、增强物自身的特性，特别是界面状态，适度的界面结合强度能有效地传递载荷，阻止龟裂的形成和发展和变位运动，提高材料的断裂韧性。 (7)、不吸湿、不老化、气密性好，与聚合物相比，金属基复合材料的性质稳定，组织致密，不老化

10、、不分解、不吸湿等，也不发生性能的自然劣化，比聚合物基复合材料优越，在宇宙中不分解低分子物质污染设备和环境，具有明显的优势金属基复合材料的例子，航空航天工业需要大型轻量结构材料，如波音747大型运输机、电信天线、巨大火箭和航天器等。 设计这些结构时，一个问题是结构的强度和刚性以其尺寸的平方增加，而重量以其线的尺寸的三次方增加的平方-三维尺寸关系。 所以，要保证大型结构的机动性和高效率，需要更完美的设计和更好的材料。 三、铝系复合材料、铝系复合材料在金属系复合材料中应用最广泛。 铝基体为面心立方结构，具有良好的塑性和韧性，且易加工，工程可靠性和价格低等优点，为工程应用创造了有利条件。 制造铝基复

11、合材料时，通常不是纯铝，而是使用各种铝合金。 铝基复合材料，大型交通工具的优先材料。 例如波音747、757、767中常用： B/Al、C/Al、SiC/Al SiC纤维的密度比b高30%，强度低，但相容性好。 c纤维丝细，不易浸润，抗折性差，反应活性高。 基材可以选择变形铝、铸造铝、焊接铝和烧结铝。 这些很容易塑性地制作铝的薄。 基体和增强体铝基复合材料的增强体主要有长纤维、晶须和粒子三种，基体主要有纯铝及其合金。 母材合金的种类很多，主要有变形合金和铸造合金两种。(1)、长纤维增强铝基复合材料、长纤维对铝基质的增强方式可以存在于单向纤维、二维织物和三维织物中。 长纤维增强铝基复合材料主要有

12、Bf/Al、Cf/Al、SiCf/Al、Al203f/Al和不锈钢线/Al等。 Bf/Al复合材料、硼纤维是钨和碳线的化学气相生长而成的单丝，直径粗(100140m )，因此容易进行工艺制造。 纤维含量越高，其拉伸强度的变化。 硼-铝复合材料耐高温性突出。 在、硼-铝复合材料中，由于纤维的纵向热膨胀系数与基体的热膨胀系数的差大，因此在界面上产生高的残馀应力。 Bf/Al复合材料的制造复合材料的制造包括组装复合材料的成分，冲压合成适合复合材料零件制造的形状。 常用的技术有两种：一、纤维和基体组装压接和零件成型同时进行二、加工成复合材料预制品，再把预制品制成最终形状的零件。 前者的工艺类似铸件，后

13、者先制作铸锭，然后锻造成零件的形状。Cf/Al复合材料，碳纤维密度小，具有优良的力学性能，是目前成为金属基复合材料增强物的高性能纤维中最便宜的一种，它们与许多金属基体复合，制成了高性能的金属基复合材料。 但是，因为碳(石墨)纤维和液态铝的润湿性差，所以在高温下容易相互发生化学反应，生成对复合材料的性能有很大影响的化合物。 为了解决这个问题，碳纤维表面多采用镀铬、铜等纤维表面处理方法。 碳纤维对复合材料的力学性能有很大影响。 表5-10是用液状金属浸渍法制造的碳纤维强化铝合金的拉伸强度。 最后一项是碳和铝的反应产物的量。表中前四种纤维都是经过高温石墨化处理的石墨纤维，与铝的反应生成物Al4C3的

14、量少，拉伸强度高。 最后的纤维是未经高温石墨化处理的碳纤维，与铝的反应生成物Al4C3的量高，拉伸强度大幅下降。 因此，未经高温石墨化处理的碳纤维只要不进行表面处理，就是不适合铝基体的增强物。 (2)短纤维增强铝基复合材料与长纤维相比，短纤维增强铝基复合材料具有增强体来源广泛、价格低、成形性好等优点，可以采用传统的金属成形技术，如铸造、锻造、挤出、轧制等，材料性能各向同性。 可以作为铝系复合材料的增强物使用的短纤维是氧化铝、硅酸铝、碳化硅等。氧化铝和硅酸铝短纤维增强铝基复合材料的室温拉伸强度虽然不比基质合金高，但高温强度明显优于基质，弹性模量在室温和高温下大大提高，热膨胀系数减少，耐磨损性能得

15、到改善。 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。 纤维不规则排列的话，可以得到几乎各向同性的复合材料。 均匀方向的纤维使材料具有明显的各向异性。 纤维采用正交交织，在相互垂直的方向上具有优异的性能。 纤维采用三维编织，可以得到各方向力学性能优良的材料。 基体中纤维的分布方式，37，层状复合材料层状复合材料是指基体中含有多层片状高强度高弹性模量增强物的复合材料。 这个材料是各向异性的。 例如碳化硼片强化钛、胶合板等。 双金属、外涂层等也是层状复合材料。 结构层状材料根据材质被用于飞机的制造、运输、包装等。 3、粒子(晶须)增强铝基复合材料，主要使用SiC、Al2O3粒子(晶须)增强铝基

16、复合材料。 SiC粒子(晶须)增强了铝基复合材料，具有良好的力学性能和耐磨性能。 随着SiC含量的增加，热膨胀系数下降，低于基质。 这些复合材料的韧性比基质低，但比连续纤维增强铝基复合材料高，其刚性比基质高得多。 由于SiC的硬度高，该复合材料的硬度大大提高，其耐磨损性也相应地大大提高。 复合材料的拉伸强度和弹性模量高于基体，随着SiC晶须含量的增加，拉伸强度和弹性模量大幅上升。 如果在铝合金中加入脆性的SiC粒子或晶须，断裂韧性会大幅下降。 粒子： particle晶须： whisker纤维： fiber，铝合金中添加了脆性SiC粒子，耐磨损性大幅度增加。 硼-铝复合材料可作为中子屏蔽材料使

17、用，也可用于废核燃料的运输容器和储藏容器、可移动的防护盖、控制杆、喷气发动机的风扇叶片、飞机翼的表皮、飞机的起落架部件、自行车框架、高尔夫球杆等的制造。 碳纤维增强铝基复合材料被用于飞机，F-15战斗机，其质量减少了20%30%。 也可以用碳纤维增强铝管材来制作网球拍. 氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是制造柴油机的活塞。 铝基复合材料的应用，铝基复合材料的二次加工二次加工是指对平板、梁、管等基本复合材料进行加工、成形、机械加工和热处理等工艺。 1 .成形硼-铝复合材料的成形与成分强且接近脆性的纤维和柔软的延展性的铝有关。 纤维在室温拉伸实验时具有完全弹性的应力应变特性，在高温下具有很高的抗蠕变能力，没有塑性拉伸。 由于纤维对复合材料的约束，材料的最大轴方向断裂伸长率小于1%，零件的加工制造多用复合材料热压过程中容易弯曲的块加工成最终形状。2、连接硼铝复盖材料和支撑结构附件是复合材料应用中最重要的工程领域之一。 硼-铝复合材料的连接技术是用铝连接，没有考虑硼和硼的连接。 其目的是在不降低复合材料的机械性能的情况下，得到高剪切强度的基体连接。 合并过程包括固体扩散耦合。 焊接：标准焊接工艺是将焊接箔放入连接零件之间，在接触压力下进行炉