金属基复合材料课件

1、1.金属基复合材料，2。随着现代科学技术的飞速发展，人们对材料科学的要求越来越高。就结构材料而言，不仅要求高强度，而且要求重量轻，尤其是在航空航天领域。金属基复合材料就是为了满足上述要求而诞生的。1.金属基复合材料概述；3.金属基复合材料(MMC)包括广泛的部件和结构，具有共同的连续金属基体(包括金属间化合物基体)。目的：将基体优良的塑性和成形性与钢筋的承载力和刚度结合起来。将基体的高导热性与增强材料的低热膨胀系数结合起来。与传统金属材料相比，金属基复合材料具有更高的比强度和刚度；与树脂基复合材料相比，它具有优异的导电性和耐热性。与陶瓷基材料相比，它具有高韧性和高冲击性能。金属基复合材料的例子

2、可以追溯到古代文明。公元前7000年在土耳其发现的铜锥子是经过反复校平和锤打后开发出来的。在这个过程中，非金属夹杂物被拉长。弥散强化金属材料：自1924年以来，施密特对氧化铝粉末烧结的研究在20世纪50年代和60年代引起了广泛的研究。增雨理论始于20世纪30年代，并在随后的几十年中得到发展。金属基复合材料真正开始于20世纪50年代末或60年代初。美国国家航空航天局(美国航天局)成功地制备了钨丝增强铜基复合材料，这已成为金属基复合材料研究和发展的一个象征性起点。随后，纤维金属基复合材料的研究在20世纪60年代迅速发展。当时，主要力量集中在由钨和硼纤维增强的基于铝和铜的系统上。在这种复合材料中，基

3、体的主要功能是将载荷传递和分布到纤维上。增强体的体积分数通常非常高(约40-80)，并且获得的轴向性能非常好，因此基体的结构和强度似乎是次要的。连续纤维增强复合材料的研究在20世纪70年代有所下降，主要是由于干材料价格高和生产制造的限制。涡轮发动机各种部件对高温高效材料的持续需求引发了人们对金属基复合材料，尤其是钛基材料的广泛兴趣。由于金属基复合材料具有极高的比强度、比刚度和高温强度，因此首先应用于航空航天领域，并在未来的航空航天领域占据重要地位。随后，它也被应用于汽车、体育用品等领域。尤其是晶须增强复合材料和颗粒增强复合材料在日本民用领域得到了很好的应用。金属基复合材料的研究重点：1)不同基

4、体和不同增强相的复合效应，复合材料的设计和性能；2)界面优化和增强相/基体界面设计；3)提高复合材料性能、降低成本的制备技术研究；4)新型增强剂的研发；5)扩大复合材料的应用。1.金属基复合材料概述，金属基复合材料按增强材料分类：颗粒和晶须增强金属基复合材料，纤维增强金属基复合材料，11。金属基颗粒复合材料，也称为金属陶瓷，是由钛、镍、钴和铬、碳化物、氮化物、氧化物和硼化物等金属组成的异质材料。硬质合金金属陶瓷被广泛用作工具材料，称为硬质合金。在硬质合金中，钴和镍通常用作粘结剂，碳化钨和碳化钛用作强化相。12、纤维增强金属基复合材料具有高熔点，因此高强度纤维增强金属基复合材料(MMC)可用于高

5、温工作环境。常用的贱金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。作为增强材料的连续纤维主要有硼纤维、碳化硅纤维和碳纤维。氧化铝纤维通常以短纤维的形式用于金属基复合材料。MMC的扫描电镜照片，13，按基体材料分类：铝基复合材料、镁基复合材料、钛基复合材料、高温合金基复合材料、金属间化合物基复合材料，14，按应用分类：结构复合材料：高比强度、高比模量、直尺稳定性和耐热性是它们的主要性能特征。用于制造各种高性能结构零件，如航天、航空、汽车和先进武器系统。功能复合材料：其主要特点是高导热、导电、低膨胀、高阻尼、高耐磨等物理性能的优化组合，用于电子、仪器、汽车等行业。强调具有电、热、磁功能智能复合材料：强调感觉、

6、反应、自我监控和自我修复的特性。应该注意的是，功能复合材料和智能复合材料很容易混淆。2.金属基复合材料的制备技术1。金属基复合材料制备工艺的选择原则：1)基体和增强剂的选择，基体和增强剂的组合；2)界面形成机制、界面产品控制和界面设计；3)增强剂在基体中的均匀分布；4)制备工艺和参数的选择和优化；5)控制和降低制备成本及工业应用前景。金属基复合材料是如何得到的？17，金属基复合材料制备技术分类：1)固态法：真空热压扩散连接、超塑成形/扩散连接、模压、热等静压和粉末冶金。2)液态法：液态浸渗、真空压铸、背压铸造和半固态铸造。3)喷射成形方法：等离子喷射成形和喷射成形。4)原位生长法。18、连续增

7、强相金属基复合材料的制备技术、固体铝合金、固体镁合金、固体钛合金、固体高温合金、固体金属间化合物、碳纤维硼纤维碳化硅纤维氧化铝纤维、19、不连续增强相金属基复合材料的制备技术、铝合金固体、液体、原位生长、喷射成形法镁合金液体法钛合金固体、液体法、原位生长法高温合金原位生长法金属间化合物粉末冶金、原位生长法、颗粒、晶须、短纤维、20、21、2.1前驱体的制备(金属间化合物粉末冶金金属基复合材料制备工艺分类：纤维/()、22、等离子喷涂纤维/基体箔的前驱体(预制)带(板)、固定间距纤维的定向缠绕和等离子喷涂基体粉末的定位。23、纤维/基体复合长丝通过PVD方法，基体金属通过物理气相沉积(PVD)均

8、匀地沉积在纤维表面上，形成纤维/基体复合长丝。采用PVD法在纤维表面沉积金属基体。物理气相沉积是通过蒸发、电离或溅射产生金属颗粒，并与反应气体反应，形成沉积在工件表面的化合物。24、将粉末纤维/基体复合丝、金属基体粉末和聚合物粘合剂混合制成基体粉末/聚合物粘合剂胶体；将纤维通过一定孔径的胶槽，在纤维表面均匀涂覆一层基体粉末胶体，干燥后形成一定直径的纤维/基体粉末复合纱。复合丝的直径取决于胶体的粘度、纤维运行的速度和胶槽的毛细管孔径。要求聚合物粘合剂在真空状态下能在低温下完全挥发。粉末法纤维/基体复合丝示意图，25，熔池法纤维/基体复合丝示意图，26，主要应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。

9、碳纤维或石墨纤维与熔融铝的接触会产生Al4C3界面产物。过多的脆性相Al4C3会严重影响复合材料的性能。用钛硼或(液体)钠金属涂覆纤维可以增加纤维和熔融铝之间的润湿性，并防止形成过度脆性相Al4C3。27、纤维/基体复合丝采用熔池法，扩散结合，扩散结合是指在一定温度和压力下，通过基体金属表面原子的相互扩散，将均匀分布的基体箔或(复合)前驱体丝连接在一起。D关键是热压工艺参数的控制，包括温度、压力和时间。其压力应有一定的下限，以防止压力不足的金属充分扩散并包围光纤形成空穴缺陷。模具成型：将纤维/基体预制品放入一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终产品。2.2固相法，28，粉末冶金法

10、，其中将金属或非金属粉末混合并压制成形，并在低于金属熔点的温度下烧结，通过粉末之间的原子扩散将它们结合的过程称为粉末冶金法。1.粉末制备和压制成型将粉末均匀混合并加入适当的添加剂，然后进行压制成型。粉末颗粒之间的原子通过固相扩散和机械闭塞以一定的强度结合成一个整体。2.烧结将压制好的零件放入带有还原气氛的密闭炉中进行烧结，烧结温度约为母材熔点的2/33/4倍。由于不同种类的原子在高温下的扩散、粉末表面氧化物的减少和变形粉末的再结晶，粉末颗粒相互结合。29、粉末冶金工艺，30、常用粉末冶金材料粉末冶金减摩材料。它是通过在材料的孔隙中浸渍润滑油或向材料组合物中加入减摩剂或固体润滑剂来制备的。广泛用

11、于制造轴承、支撑衬套或端面密封等。(2)粉末冶金多孔材料。也称为多孔烧结材料。材料中的孔呈十字交叉和相互连接，体积孔隙率为3060，孔径为1100微米。良好的渗透性、导热性和导电性、耐高温和耐低温性、抗热震性和耐介质腐蚀性。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。(3)粉末冶金结构材料。也称为烧结结构材料。能够承受拉伸、压缩、扭转和其他负载，并能在摩擦和磨损条件下工作。31，(4)粉末冶金工具和模具材料。包括硬质合金、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，无偏析，韧性和耐磨性优于熔铸高速钢，热处理变形小，使用寿命长。它可用于制造刀具、模具和零件的毛坯。(5)粉末冶金电磁材料。包括电

12、气材料和磁性材料。用于制造各种转换、传输和储存能量和信息的磁性装置。(6)粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等。用于制造涡轮盘、喷嘴、叶片和其他耐高温零件。32，粉末冶金技术的主要应用：汽车动力系统：33，汽车发动机用粉末烧结钢零件，34，汽车传动系统用粉末烧结钢零件，35，齿轮保持架，36，温压成型连杆：37，在压力的作用下，液态或半液态金属以一定的速度填充到压铸型腔或增强材料预制件的间隙中。主要工艺因素包括熔融金属的温度、模具的预热温度、压力和压制速度。2.3液体方法(1)挤压铸造，38，(2)半固态缓慢铸造，其中将颗粒加入到半固态金属

13、熔体中，然后将半固态复合材料注射到用于压铸的模具中。金属熔体的温度控制在液相线和固相线之间，一些枝晶在搅拌下破碎成固体颗粒。当加入预热的增强颗粒时，增强颗粒被金属颗粒阻挡，并在搅拌过程中停留在半固体熔体中，以减少聚集和偏析。同时，搅拌可以促进颗粒与金属基体的接触和润湿。39，(3)奥斯帕雷共沉积，其中液态金属在高速惰性气体射流的作用下形成“雾化锥”；同时，通过一个或多个喷嘴将增强颗粒注入雾化锥中，使得它们与金属雾化液滴一起沉积在基底(收集器)上，并快速固化形成颗粒增强金属基复合材料。然后将基底金属坯料放置在增强材料预制件的上部。然后放入可充入流动氮气的加热炉中。通过加热，基体金属熔化并自发渗透

14、到网状增强材料预制件中。无压渗透过程示意图，41。以制备氮化铝/铝复合材料为例，将增强剂预制棒放入形状相同的陶瓷罐中，将铝合金坯料放在预制棒上。在流动的氮气气氛中，当加热到800-1000时，铝合金熔化并自发渗透到预成型件中，氮气与铝反应形成氮化铝。氮化铝的产量可以通过控制氮气流量、温度和渗透速度来控制。氮化铝可以提高复合材料的刚度，降低热膨胀系数，但强度低。这是一个低成本的准备过程。42，4，原位生长(复合)法，增强相直接由基体生成，生成的相具有良好的热力学稳定性，基体与增强相之间没有润湿和界面反应等问题，基体与增强相结合良好，很好地解决了界面相容性问题。43、直接金属氧化(氮化)法，通过氧

15、化或氮化贱金属获得复合材料。在制备Al2O3/Al时，熔融铝在900-1300温度下通过微通道渗透到氧化铝层的外部，并依次被氧化。也就是说，铝被氧化，但是液态铝的渗透通道没有被堵塞。Al2O3的量可以根据氧化程度来控制。所制备的复合材料是含铝的互连氧化铝陶瓷基复合材料。金属或陶瓷基复合材料如氮化铝/铝和氮化钛/钛可以通过直接氮化获得。典型的金属基复合硬质合金是指用一种或几种难熔碳化物(如碳化钨、碳化钛等)粉末通过粉末冶金制成的材料。)作为主要组分，钴粉作为粘合剂。1.硬质合金的性能特征。硬质合金具有极高的硬度，高于任何一种钢，并具有良好的热硬度和耐磨性。它一般做成刀片，装在刀体上使用。非常脆。

16、45，常用硬质合金的分类和等级，(1)钨钴硬质合金：碳化钨和结合剂钴，其等级由“YG”(汉语拼音的前缀“硬质和钴”)和平均钴含量百分比(YG8是指含8质量%钴的钨钴硬质合金)组成。(2)钨钛钴硬质合金：碳化钨、碳化钛和结合剂钴，品牌由“YT”(汉语拼音中“硬质和钛”的前缀)和碳化钛的平均含量组成(YT15代表TiC含量为15%的钨钴钛硬质合金)，46，硬质合金工具：47，成型方法：压制烧结，48，界面除原始成分外基本不含其他物质。第二种界面：基体和增强相通过扩散和渗透相互溶解形成界面。这种界面通常在增强相如纤维周围形成溶解扩散层。第三种界面：界面处有微米和亚微米界面反应材料层。有时它不是一个完整的界面层，但是在界面上有界面反应产物。50，2，金属基复合材料的界面结合，在金属基复合材料中，有必要在增强相和基体之间的界面上建立一定的结合力。当不同的界面被粘合和加载时，如果粘合太弱，大量的纤维被拉出，强度低；如果粘合太强，纤维将被损坏，材料将变脆，这将降低强度和塑性。只有具有中等界面结合的复合材料显示出高强度和高塑性。51，金属基复合材料的界面结合形式，(1)机械结合：第一种界面。主要依靠增强剂粗糙表面的机械“锚定”力。(2)渗透与溶解的结合：第二种界面。如果相互溶解严重，溶解后可能发生沉淀，这将严重