郑州大学复合材料学课件第三章MMC1.ppt

1、Chapter 4 金属基复合材料 （Metal Matrix Composite）,Chapter 3: Metal Matrix Composite,4.1 Introduction to MMC,4.1.1.定义 金属基复合材料（Metal Matrix Composite),简称（MMC) 是以金属及其合金为基体，与一种或几种非金属增强相人工结合成的复合材料。,Chapter 3: Metal Matrix Composite,4.1.2 MMC的沿革与发展,20世纪60年代,Chapter 3: Metal Matrix Composite,70年代中期,C纤维增强铝基复合材料,70

2、年代末,碳化硅纤维、晶须、颗粒 氧化铝纤维,增强铝 增强钛,Al203短纤维/Al汽车活塞 （活塞环）（丰田汽车公司）（左图） SiCp/Al连杆，锻件替代钢连杆，减重6Kg（福特、通用汽车公司）（中图） SiCp/Al， Al203 p/Al汽车刹车盘，减重60（丰田、福特和通用汽车公司）（右图）,Chapter 3: Metal Matrix Composite,80年代,制备工艺技术的研究,压铸成型 半固态成型 喷射沉积 原位金属直接氧化法 反应生产法,90年代,界面 (interface),界面稳定性 界面产物及作用 界面结构 界面反应控制 界面与性能的关系, MMC研究和开发的集中方

3、向： MMC的发展特点是：基体的多样性；品种变化性；技术的复杂性；使用的局限性和长期预研性。因此，MMC的研究开发主要集中在以下方向： 不同金属基与不同种类、形态的增强材料复合 新型增强材料的开发，包括金属与非金属、颗 粒、晶须，片晶等 制备工艺的开发和研究 增强相/基体界面优化的研究 扩大MMC材料的应用范围和领域,Chapter 3: Metal Matrix Composite,4.1.3 MMC分类,金属基复合材料分类图,Chapter 3: Metal Matrix Composite,4.1.4 MMC性能特点 金属基复合材料作为结构材料具有一系列和金属性能相似的特点，随着科技的发

4、展，单一的金属或其合金难以满足要求，金属基复合材料通过和高强度、高模量、耐热性性好的纤维或颗粒晶须等复合后，可以获得比其基体金属或合金在比强度、比模量、高温性能等性能更好的新型工程材料，其主要的性能特点有：, 高比强度、比模量 高韧性和高冲击性能 具有较好的高温性能 表面耐久性好，表面缺陷敏感性低 良好的导热、导电性能 良好的热匹配性 良好的再加工性能,Chapter 3: Metal Matrix Composite,高比强度、比模量,与结构陶瓷和聚合物材料 相比，金属材料的高强度在复 合材料中能得到更好的利用， 右图为几种常用的金属基复合 材料与常用金属材料（铝、钛 合金及钢）的比强度和比

5、模量 的比较，纤维增强材料的比强 度和比模量明显优于金属材料 ；而颗粒增强复合材料在比模 量上有显著提高。,Chapter 3: Metal Matrix Composite,金属基复合材料的强度与模量分为三个水平： 高性能水平，强度1200MPa以上、模量在200GPa以上； 中性能水平，强度600-1000MPa、100-150Gpa之间； 较低性能水平，强度400-600MPa、模量95-130Gpa。,典型的铝基和钛基MMC的性能,Chapter 3: Metal Matrix Composite,高韧性和高冲击性能 金属基复合材料相对与聚合物基、陶瓷基复合材料具有高的高韧性和耐冲击性

6、能。,如右图，基体中的裂纹 顶端的最大应力接近基体的 抗拉强度，而低于纤维的断 裂应力时，裂纹或在界面扩 展钝化，或因基体的塑性剪 切变形而钝化，从而改善了 材料的断裂韧性。,Chapter 3: Metal Matrix Composite,具有在高温下保持的性能,和聚合物基复合材料相比，MMC的物理和机械性能具 有高温稳定性，即对温度变化不敏感，具有较好的高温性能， 可作为在一定高温下使用的结构材料。,如左图，硼纤维增强铝在近400 温度下仍有较好的高温比强度。而硼纤维在增强环氧树脂复合材料在室温时具有比MMC高的比强度，但在约150 时，比强已经明显下降。,Chapter 3: Meta

7、l Matrix Composite,表面耐久性好，表面缺陷敏感性低 金属基复合材料中金属基体对表面裂纹的敏感性比聚合物或者陶瓷小的多，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耐磨件使用。 导热、导电性能好 金属基复合材料导热、导电性能比聚合物或者陶瓷基结构好的多。它可以使局部高温热源和集中电荷很好扩散消除。如碳纤维增强铝基复合材料可以作为航空航天技术领域中的结构材料，还可以作为空间装置的热传导和散热器面板应用,Chapter 3: Metal Matrix Composite, 良好的热匹配性,有些增强纤维和基体的热膨胀系数接近，复合后可以降 低热应力和热膨胀系数

8、，如碳纤维增强铝基复合材料经过设 计，可以使热膨胀系数接近零。这样的复合材料，质轻，性 能好且不易因温差变形。 一些材料的导热系数和热膨胀系数,Chapter 3: Metal Matrix Composite,性能再现性好及可加工性 金属材料的特性之一就是性能再现性好。金属材料与其它材料相比，金属材料的力学、物理和化学性能比较稳定，性能可以通过合金化，得到精确的控制。这种特性对要求高强、高模以及高温性能的复合材料尤为重要。目前，如何提高金属基体与增强材料之间的结合性能和界面控制，成为提高金属基复合材料性能稳定性和再现性的关键。 MMC可如其他金属材料一样，可以借用金属材料加工成型的方法来制备

9、，如扩散结合、粉末冶金、铸造成型等，也可通过轧制、拉拔、挤压等金属材料的压力加工方法进行第二次加工，进一步提高复合材料的性能。甚至可以进行超塑性加工成型。这是PMC、CMC和C/C复合材料所不具备的加工性能。,Chapter 3: Metal Matrix Composite,4.1.5金属基复合材料的应用,金属基复合材料主要应用在以下领域： 空间和宇航中的应用 在军事领域应用 航空工业（飞机）应用 在核反应工程中应用 在汽车工业中的应用,Chapter 3: Metal Matrix Composite,Chapter 3: Metal Matrix Composite,空间和宇航中的应用,Chapter 3: Metal Matrix Composite,哈勃望远镜结构,哈勃望远镜在空间,Chapter 3: Metal Matrix Composite,航空工业（飞机）应用,Chapter 3: Metal Matrix Composite,在汽车工业中的应用,Al203短纤维/Al汽车活塞 （活塞环）（丰田汽车公司）（左图） SiCp/Al连杆，锻件替代钢连杆，减重6Kg（福特、通用汽车公司）（中图） SiCp/Al， Al203 p/Al汽车刹车盘，减重60（丰田、福特和通用汽车公司）（右图）,Chapter 3: Metal Matrix C