第13章金属基复合素材.ppt

1、第13章 金属基复合材料,复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多体材料。复合材料通常有基体和增强材料组成。复合材料能显示出单一材料所不具有的新性能。复合材料的出现和发展，是现代科学技术不断进步的必然，也是材料设计方面的一个质的飞跃。 金属基复合材料（Metal Matrix Composite，简称MMC）是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合而成的复合材料。,13.1 基本概念 1 、 金属基复合材料的种类,按 基体 分类,铝基复合材料 品种和规格最多、应用最广 钛基复合材料 镁基复合材料 高温合金基复合材料,按增 强体 分类,（1）颗粒增

2、强复合材料 （2）层状复合材料 （3）纤维增强复合材料,图 典型复合材料结构 （a）单向纤维增强复合材料,（b）颗粒增强复合材料,（c）层状复合材料 （d）蜂窝夹心复合材料,（e）编织复合材料,（f）功能梯度复合材料,2 金属基复合材料的选择工况条件使用性能要求选择金属基体材料。,航空和航天:高比强度、高比模量、尺寸稳定性。大多选 择体积质量小的铝合金、镁合金作为基体金属,燃气轮机:高比强度、抗蠕变和高温强度，抗氧化、抗气 体腐蚀、耐疲劳、导热等。工作温度800, 应选择铁基、镍基、钴基耐热合金。,电子技术: 集电材料、触头材料、耐磨材料、耐蚀电极材 料等，需要高导热、低膨胀的金属基复合材料。

3、基体 主要选用具有导热、导电性的铝及铝合金、铜及铜合 金、银等金属,表 每公斤质量对各类飞行器的价值,13.2 金属基复合材料的性能特点,现代科学技术对材料的强韧性、导电、导热性、耐 高温性、耐磨性等性能都提出了越来越高的要求,特别在航空航天工业和汽车工业中要求材料具 有更高的比强度和比模量(刚度),金属基复合材料具有与金属及其合金相近的一些 共同性能，通过纤维、颗粒、晶须等复合后，可以 获得比基体金属或合金更好的比强度、比模量、高 温性能等性能的新型工程材料。,各类复合材料的比强度随温度的变化,金属基复合材料的性能特点,1、高比强度、比模量 2、高韧性、耐冲击性能 3、良好的高温性能 4、表

4、面耐久性好，表面缺陷敏感性低 5、导热、导电性能好 6、热膨胀系数小、尺寸稳定性好,1 、高比强度、比模量,金属基体 + 适量高性能的纤维、晶须或颗粒等增强物 材料的比强度和比模量 .,（1）高性能水平。如B与SiC纤维增强的铝和钛，单 向b1200MPa，模量200GPa；,（2）中等性能水平。如纺丝SiC与碳纤维增强铝等， b在6001000MPa，模量100150GPa间；,（3）较低性能水平。如晶须、颗粒或短纤维增强铝 等， b在400600MPa，模量在95130GPa,图 几种金属基复合材料与树脂基复合材料和基体金属 的力学性能对比,2、高韧性、耐冲击性能,金属及合金基 体往往具有

5、高 的强韧性,增强相无论是 纤维或是颗粒 都比较脆,受冲击时基体通过塑 性变形消耗能量，使裂 纹钝化，应力集中,增强相及增强相与基 体界面裂纹的扩展， 断裂抗力,金属基复合材料与聚合物基、陶瓷基复合材料 相比，具有高的韧性和耐冲击性。,3、良好的高温性能,金属基体的高温性能比聚合物高很多，一般增强相 在高温下又都具有很高的高温强度和模量。 金属基复合材料具有比金属基体更高的高温性能,相对聚合物基复合材料而言，金属基复合材料具有 物理、力学性能的高温稳定性和优良耐热冲击性能。 而陶瓷基复合材料中的陶瓷基体的抗热冲击性因陶 瓷的导热性差而比金属基复合材料差，常常使其作为 高温结构材料应用受到限制。

6、,图 SiCf / Ti比强度与温度的关系,图 SiCf / Ti比强度与温度的关系,图 45W-1ThO2增强Fe-Cr-A1-Y合金的蠕变性能,4、表面耐久性好，表面缺陷敏感性低,金属基体对表面裂纹的敏感性比聚合物或陶瓷要小很 多，表面坚实耐久，尤其是颗粒、晶须增强金属基复合 材料常可以作为工程构件中的耐磨件使用。,陶瓷基复合材料，由于腐蚀或擦伤等引起的小裂纹可 使其强度剧烈降低, 而造成应力集中，引起破坏。这是由 于陶瓷弹性模量高，塑韧性低，不能象金属基复合材料 的基体那样可借助塑性变形来使缺口或裂纹钝化. 聚合物基复合材料基体的强度和金属基体相比都相当 低, 像擦伤、磨损等对其表面都有

7、显著影响。,5、导热、导电性能好,金属基复合材料的导热、导电性能是聚合物基、 陶瓷基复合材料无法比拟的，它可以使局部的高温 热源和集中电荷很好地扩散消除。如碳纤维加入铝 合金基体后，基体的导电、导热优异性不会有大的 损失。 因此，碳纤维增强铝基复合材料可做航空航天领 域中的结构材料，还可作为空间装置的热传导和散 热器面板应用。,6、热膨胀系数小、尺寸稳定性好,一般增强物均有很小的热膨胀系数，又有高的模 量，特别是G纤维还具有负的热膨胀系数。大多数金 属的热膨胀系数与各种增强材料相差较大。,选择不同基体金属和增强物，以一定的比例复合， 导热性好、热胀系数小、尺寸稳定的复合材料。,经合理设计的碳纤维-铝基和G材料（纤维量48）-镁基 复合材料的热胀系数可达到零。在温度变化时使用这种复合 材料做成的零件不发生热变形。硼纤维与钛合金的热膨胀系 数接近，可使热应力降至很低。,人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅