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1、目目 录金属基复合材料概述金属基复合材料的种类及性能铝基复合材料镁基复合材料钛基复合材料金属基复合材料成型工艺简介第1页/共67页2 金属基复合材料金属基复合材料是指以金属及其合金为基体，是指以金属及其合金为基体，一种或几种金属或非金属为增强相，人工结合成一种或几种金属或非金属为增强相，人工结合成的复合材料。组成复合材料的各种分材料称为组的复合材料。组成复合材料的各种分材料称为组分材料，组分材料一般不发生作用，均保持各自分材料，组分材料一般不发生作用，均保持各自的特性独立存在。的特性独立存在。在在结构材料结构材料结构材料结构材料方面，不但要求方面，不但要求强度高强度高，还要求，还要求其其重量要
2、轻重量要轻，尤其是在航空航天领域。，尤其是在航空航天领域。一、金属基复合材料概述一、金属基复合材料概述第2页/共67页3金属基复合材料金属基复合材料(MetalMatrixComposite,MMC)，这一术语包括很广的成分与结构，这一术语包括很广的成分与结构，共同点是有连续的金属基体（包括金属间共同点是有连续的金属基体（包括金属间化合物基体）。化合物基体）。目的：目的：把基体的优越的塑性和成形性与增强体的承受把基体的优越的塑性和成形性与增强体的承受载荷能力及刚性结合起来。载荷能力及刚性结合起来。把基体的高热传导性与增强体的低热膨胀系数把基体的高热传导性与增强体的低热膨胀系数结合起来。结合起来
3、。第3页/共67页4金属基复合材料金属基复合材料相对于相对于传统的金属材传统的金属材料料来说，具有来说，具有较高的较高的比强度比强度与与比刚度比刚度；而与而与树脂基复合材料树脂基复合材料相比，它又具有相比，它又具有优良的优良的导电性导电性与与耐热性耐热性；与与陶瓷基材料陶瓷基材料相比，它又具有相比，它又具有高韧性高韧性和和高冲击性能高冲击性能。第4页/共67页按增强体类型分按增强体类型分颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料层状增强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纤维（长短及晶须）增强金属基复合材料 金属基复合材料金属基复合材料是以金属或合金为基体，以高性能是
4、以金属或合金为基体，以高性能的第二相为增强体的复合材料。的第二相为增强体的复合材料。金属基复合材料品种繁多，有各种分类方式，归纳为以金属基复合材料品种繁多，有各种分类方式，归纳为以下下3 3种：种：二、二、金属基复合材料的分类及性能金属基复合材料的分类及性能第5页/共67页（1）、颗粒增强金属基复合材料 颗粒增强复合材料是指增强相为弥散分布的颗粒增强复合材料是指增强相为弥散分布的颗粒体，颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于颗粒体，颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1 1微米微米。在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传递载荷。颗粒增强复合材
5、而基体的作用则在于传递载荷。颗粒增强复合材料的强度通常取决于增强颗粒的直径和体积分数，料的强度通常取决于增强颗粒的直径和体积分数，同时还与基体性质，颗粒与基体的界面及颗粒排同时还与基体性质，颗粒与基体的界面及颗粒排列的形状密切相关。列的形状密切相关。第6页/共67页(2)、层状增强复合材料 层状复合材料是指在韧性和成型性较好的金层状复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量属基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。片层状增强物的复合材料。由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度
6、受到了限制。然而，此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材模量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。料相比具有明显的优越性。第7页/共67页(3)、纤维（长短及晶须）增强复合材料金属基复合材料中的纤维金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同根据其长度的不同根据其长度的不同根据其长度的不同可分为可分为长纤维长纤维长纤维长纤维、短纤维短纤维短纤维短纤维和和晶须晶须晶须晶须，它们均属于，它们均属于一维一维一维一维增强体增强体增强体增强体。因此，由纤维增
7、强的复合材料均表现出。因此，由纤维增强的复合材料均表现出明显的明显的各向异性各向异性各向异性各向异性特征。特征。短纤维和晶须在基体中为随机分布，因而性短纤维和晶须在基体中为随机分布，因而性能在宏观上表现为各向同性。能在宏观上表现为各向同性。第8页/共67页纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（材料（材料（材料（MMCMMC）可以使用在较高温的工作环境之下。）可以使用
8、在较高温的工作环境之下。）可以使用在较高温的工作环境之下。）可以使用在较高温的工作环境之下。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。l l作为增强体的连续纤作为增强体的连续纤作为增强体的连续纤作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、SiCSiC和和和和C C纤维；纤维；纤维；纤维；AlAl2 2OO3 3纤维通常以短纤维的纤维通常以短纤维的纤维通常以短纤维的纤维通常以短纤维的形式用于形式用于形式用于形式用于MMCMMC中。中。
9、中。中。第9页/共67页金属基复合材料纤维选择要点金属基复合材料纤维选择要点 高强度、高模量。（明显高于金属基体）高强度、高模量。（明显高于金属基体）耐热性高耐热性高 （如：（如：KFKF不宜选用）不宜选用）价格低价格低 （比较突出的制约因素）（比较突出的制约因素）相容性好相容性好 （膨胀系数相近，高温惰性）（膨胀系数相近，高温惰性）第10页/共67页11按基体材料分类：按基体材料分类：铝基复合材料铝基复合材料铝基复合材料铝基复合材料镁基复合材料镁基复合材料镁基复合材料镁基复合材料钛基复合材料钛基复合材料钛基复合材料钛基复合材料金属间化合物基复合材料金属间化合物基复合材料金属间化合物基复合材料
10、金属间化合物基复合材料目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。工业中应用。第11页/共67页按用途分按用途分（1）、结构复合材料）、结构复合材料（2）、功能复合材料）、功能复合材料（3）、智能复合材料）、智能复合材料第12页/共67页结构复合材料结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。特点。用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能
11、结构件。功能复合材料功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性。化学性能包括抗氧化性和耐腐蚀性等优化组合是其主要特性。化学性能包括抗氧化性和耐腐蚀性等，用于电子、用于电子、仪器、汽车等工业仪器、汽车等工业。智能复合材料智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。应当注意，功能复合材料和智能复合材料容易混淆。应当注意，功能复合材料和智能复合材料容易混淆。第13页/共67页MMC的性能特征MMCMMC的性能取决于所选组分的特性、含量、分布的性能取决于
12、所选组分的特性、含量、分布等。通过优化组合可以具有金属特性，又有较好综等。通过优化组合可以具有金属特性，又有较好综合性能的合性能的MMCMMC。归纳起来。归纳起来MMCMMC有以下性能特点：有以下性能特点：高比强度、高比模量高比强度、高比模量导热、导电性能导热、导电性能热膨胀系数小、尺寸稳定性好热膨胀系数小、尺寸稳定性好良好的高温性能良好的高温性能耐磨性好耐磨性好良好的断裂韧性和抗疲劳性能良好的断裂韧性和抗疲劳性能不吸潮、不老化、气密性好不吸潮、不老化、气密性好第14页/共67页金属基复合材料的性能特点金属基复合材料的性能特点（1 1）、高比强度、比模量）、高比强度、比模量 在金属基体中加入适
13、量的高强度，高模量，低在金属基体中加入适量的高强度，高模量，低密度的纤维，晶须及颗粒等增强体，显著提高了复密度的纤维，晶须及颗粒等增强体，显著提高了复合材料的合材料的比强度，比刚度和比模量比强度，比刚度和比模量。在金属中加入高性能，低密度的增强体，可使在金属中加入高性能，低密度的增强体，可使复合材料的比强度，比模量成倍增加。采用高比强复合材料的比强度，比模量成倍增加。采用高比强度，高比模量的金属基复合材料制成的构件相对密度，高比模量的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，航天领域中的理度轻，强度高，刚性好，是航空，航天领域中的理想材料。想材料。第15页/共67页（2 2）
14、、导热导电性能）、导热导电性能 虽然有的增强体为绝缘体，但在复合材料中虽然有的增强体为绝缘体，但在复合材料中占很小份额，基体导电及导热性并未被完全阻断，占很小份额，基体导电及导热性并未被完全阻断，金属基复合材料仍具有良好的金属基复合材料仍具有良好的导电与导热性导电与导热性。为了解决高集成度电子器件的散热问题，现为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的热导率比金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的热导率比纯铝、铜还高，用它们制成的集成电路底板和封纯铝、铜还高，用它们制成的集成电路底板和
15、封装件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路装件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路的可靠性。的可靠性。第16页/共67页（3 3）、热膨胀系数小、尺寸稳定性好）、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、金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高颗粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维的模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的具有负的热膨胀系数热膨胀系数。加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材。加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系
16、数明显下降，并可通料的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种应用的要求。种应用的要求。例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量达到量达到4848时，复合材料的热膨胀系数为零，在温度变时，复合材料的热膨胀系数为零，在温度变化时使用这种复合材料做成的零件不发生变形。化时使用这种复合材料做成的零件不发生变形。第17页/共67页（4 4）、良好的高温性能）、良好的高温性能 由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强材由于金属基体的高温性能比聚合物高很
17、多，增强材料主要是无机物，在高温下又都具有很高的高温强度和料主要是无机物，在高温下又都具有很高的高温强度和模量，因此金属基复合材料比基体金属具有更高的高温模量，因此金属基复合材料比基体金属具有更高的高温性能。性能。如石墨纤维增强铝基复合材料在如石墨纤维增强铝基复合材料在500500高温下，仍具高温下，仍具有有600MPa600MPa的高温强度，而铝基体在的高温强度，而铝基体在300300强度已下降到强度已下降到100MPa100MPa以下。又如钨纤维增强耐热合金，在以下。又如钨纤维增强耐热合金，在11001100，100h100h高温持久强度为高温持久强度为207MPa207MPa，而基体合金
18、的高温持久强，而基体合金的高温持久强度只有度只有48MPa48MPa。因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上，可大幅度提高发动机的性能和效率。上，可大幅度提高发动机的性能和效率。第18页/共67页（5 5）、良好的耐磨性）、良好的耐磨性 金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。如碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比如碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比基体金属高出基体金属高出2 2倍以上；与铸铁比较，倍以上；与铸铁比较，SiCp
19、SiCpAlAl复复合材料的耐磨性比铸铁还好。可用于汽车发动机、合材料的耐磨性比铸铁还好。可用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件，能明显提高零件的性刹车盘、活塞等重要零件，能明显提高零件的性能和使用寿命。能和使用寿命。第19页/共67页（6 6）、良好的断裂韧性和抗疲劳性能）、良好的断裂韧性和抗疲劳性能 金属基复合材料的断裂韧性和抗疲劳性能金属基复合材料的断裂韧性和抗疲劳性能取决于增强物与金属基体的界面结合状态，增取决于增强物与金属基体的界面结合状态，增强物在金属基体中的分布以及金属基体、增强强物在金属基体中的分布以及金属基体、增强物本身的特性，特别是物本身的特性，特别是界面状态界面状态，适
20、中的界面，适中的界面结合强度既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹结合强度既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的形成与扩展和位错运动，提高材料的断裂韧的形成与扩展和位错运动，提高材料的断裂韧性性。第20页/共67页（7 7）、不吸潮、不老化、气密性好）、不吸潮、不老化、气密性好 与聚合物相比金属基复合材料性质稳与聚合物相比金属基复合材料性质稳定、组织致密，不老化、分解、吸潮等，定、组织致密，不老化、分解、吸潮等，也不会发生性能的自然退化，这比聚合物也不会发生性能的自然退化，这比聚合物基复合材料好，在太空使用不会分解出低基复合材料好，在太空使用不会分解出低分子物质污染仪器和环境，有明显的优越分子物质污染仪
21、器和环境，有明显的优越性。性。第21页/共67页铝木复合板铝木复合板铜包钢导线铜包钢导线镍镍/不锈钢不锈钢钛钛/铜复合铜复合陶瓷陶瓷/钢复合管钢复合管铝蜂窝复合板铝蜂窝复合板金属基复合材料实例第22页/共67页航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料，例如波音料，例如波音747大型运输机、远距离通信天线、大型运输机、远距离通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问题之一就涉及到平方题之一就涉及到平方立方尺寸关系，即结构的立方尺寸关系，即结构的强强强强度与刚度度与刚度度与刚度度与刚度随其尺寸的随其尺
22、寸的平方平方平方平方增加而增加而重量重量重量重量却随其线尺却随其线尺寸的寸的立方立方立方立方增加。所以，假若要保证大型结构的机动增加。所以，假若要保证大型结构的机动性和高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。性和高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。三、铝基复合材料第23页/共67页铝基复合材料铝基复合材料是在金属基复合材料中是在金属基复合材料中应用得最广应用得最广应用得最广应用得最广的一种。由于的一种。由于铝的基体铝的基体铝的基体铝的基体为为面心立方面心立方面心立方面心立方结构，因此具有良好的结构，因此具有良好的塑塑塑塑性和韧性性和韧性性和韧性性和韧性，再加之它所具有的，再加之它所具有的易
23、加工性易加工性易加工性易加工性、工程可靠性工程可靠性工程可靠性工程可靠性及及价格价格价格价格低廉低廉低廉低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。在在制造铝基复合材料制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是时，通常并不是使用纯铝而是用各用各用各用各种铝合金种铝合金种铝合金种铝合金。第24页/共67页铝基复合材料大型运载工具的首选材料。如波音大型运载工具的首选材料。如波音747747、757757、767767常用：常用：B/AlB/Al、C/AlC/Al、SiC/AlSiC/AlSiCSiC纤维密度较纤维密度较B B高高3030，强度较低，但相容
24、性好。，强度较低，但相容性好。C C纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。基基体体材材料料可可选选变变形形铝铝、铸铸造造铝铝、焊焊接接铝铝及及烧烧结结铝铝。它它们塑性好制备铝薄容易。们塑性好制备铝薄容易。第25页/共67页 基体与增强体基体与增强体铝基复合材料的增强体主要有铝基复合材料的增强体主要有3种：长纤维，晶种：长纤维，晶须和颗粒；基体主要有纯铝及其合金。基体合金的种须和颗粒；基体主要有纯铝及其合金。基体合金的种类较多，主要有两大类：变形合金和铸造合金。类较多，主要有两大类：变形合金和铸造合金。第26页/共67页 (1)(1)、长纤维
25、增强铝基复合材料、长纤维增强铝基复合材料 长纤维对铝基体的增强方式可以以单向纤维、二长纤维对铝基体的增强方式可以以单向纤维、二维织物和三维织物存在。长纤维增强铝基复合材料主维织物和三维织物存在。长纤维增强铝基复合材料主要有：要有：B Bf fAlAl、C Cf fAlAl、SiCSiCf fAlAl、AlAl2 20 03f3fAlAl和不锈和不锈钢丝钢丝AlAl等。等。B Bf fAlAl复合材料复合材料 硼纤维是在钨或碳丝化学气相沉积而形成的单丝，硼纤维是在钨或碳丝化学气相沉积而形成的单丝，直径较粗直径较粗(100(100140m)140m)，因而在工艺上较易制造。，因而在工艺上较易制造。
26、第27页/共67页 纤维含量越高，其拉伸强度的变化。纤维含量越高，其拉伸强度的变化。硼硼-铝复合材料的耐高温性突出。铝复合材料的耐高温性突出。第28页/共67页 硼硼-铝复合材料中由于纤维的纵向热膨胀系数与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差别较大，因此在界面会产生较高基体的热膨胀系数差别较大，因此在界面会产生较高的残余应力。的残余应力。第29页/共67页B Bf fAlAl复合复合材料的制造材料的制造复合材料的制造包括将复合材料的组分复合材料的制造包括将复合材料的组分组装组装并并压合压合成适于制造复合材料零件的形状。成适于制造复合材料零件的形状。常用的工艺有两种常用的工艺
27、有两种:一、纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行一、纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行;二、先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品二、先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制成最终形状的零件。制成最终形状的零件。前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先铸锭前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先铸锭然后再锻成零件的形状。然后再锻成零件的形状。第30页/共67页 C Cf fAlAl复合材料复合材料 碳纤维密度小，具有优异的力学性能，是目前碳纤维密度小，具有优异的力学性能，是目前可作金属基复合材料增强物的高性能纤维中价格可作金属基复合材料增强物的高性能纤维中价格最便宜的一种，它们与很多种金
28、属基体复合，制最便宜的一种，它们与很多种金属基体复合，制成了高性能的金属基复合材料。成了高性能的金属基复合材料。但是由于碳但是由于碳(石墨石墨)纤维与液态铝的浸润性差，纤维与液态铝的浸润性差，高温下相互之间又容易发生化学反应，生成严重高温下相互之间又容易发生化学反应，生成严重影响复合材料性能的化合物。人们采取了多种纤影响复合材料性能的化合物。人们采取了多种纤维表面处理方法来解决这个问题，比如在碳纤维维表面处理方法来解决这个问题，比如在碳纤维表面镀铬、铜等。表面镀铬、铜等。第31页/共67页 碳纤维对复合材料的力学性能影响很大。碳纤维对复合材料的力学性能影响很大。表表5-105-10是液态金属浸
29、渍法制备的碳纤维增强铝合金的是液态金属浸渍法制备的碳纤维增强铝合金的拉伸强度。最后一项是碳与铝反应产物的数量。表中前拉伸强度。最后一项是碳与铝反应产物的数量。表中前4 4种纤维都是经高温石墨化处理的石墨纤维，它们与铝的反种纤维都是经高温石墨化处理的石墨纤维，它们与铝的反应产物应产物AlAl4 4C C3 3的量较少，拉伸强度较高。最后一种纤维是未的量较少，拉伸强度较高。最后一种纤维是未经高温石墨化处理的碳纤维，它与铝的反应产物经高温石墨化处理的碳纤维，它与铝的反应产物AlAl4 4C C3 3的量的量很高，其拉伸强度大大下降。因此，未经高温石墨化处理很高，其拉伸强度大大下降。因此，未经高温石墨
30、化处理的碳纤维是不适宜作铝基体的增强物，除非经过表面处理。的碳纤维是不适宜作铝基体的增强物，除非经过表面处理。第32页/共67页 （2 2）短纤维增强铝基复合材料）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、价格低、成形性好等优点，可有增强体来源广、价格低、成形性好等优点，可采用传统的金属成形工艺如铸、锻、挤、轧等，采用传统的金属成形工艺如铸、锻、挤、轧等，而且材料的性能是各向同性的。而且材料的性能是各向同性的。可用做铝基复合材料增强物的短纤维有氧化可用做铝基复合材料增强物的短纤维有氧化铝、硅酸铝和碳化硅等。铝、硅酸铝和碳
31、化硅等。第33页/共67页 氧化铝和硅酸铝短纤维增强铝基复合材料的室温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并不比基体合金高，但它们的高温强度明显拉伸强度并不比基体合金高，但它们的高温强度明显优于基体，弹性模量在室温和高温都有较大的提高，优于基体，弹性模量在室温和高温都有较大的提高，热膨胀系数减小，耐磨性能得到改善。热膨胀系数减小，耐磨性能得到改善。第34页/共67页纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。关。关。关。纤维无规排列时，能获得基本
32、各向同性的复合材料。纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维纤维纤维纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，纤维采用三维编织，纤维采用三维编织，纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优
33、的可获得各方向力学性能均优的可获得各方向力学性能均优的可获得各方向力学性能均优的材料。材料。材料。材料。纤维在基体中的不同分布方式纤维在基体中的不同分布方式纤维在基体中的不同分布方式纤维在基体中的不同分布方式第35页/共67页36层状复合材料层状复合材料层状复合材料是指在层状复合材料是指在层状复合材料是指在层状复合材料是指在基体中含有多重层片基体中含有多重层片基体中含有多重层片基体中含有多重层片状高强高模量增强物状高强高模量增强物状高强高模量增强物状高强高模量增强物的复合材料。的复合材料。的复合材料。的复合材料。l l这种材料是各向这种材料是各向这种材料是各向这种材料是各向异性的异性的异性的异
34、性的(层内两层内两层内两层内两维同性维同性维同性维同性)。如碳。如碳。如碳。如碳化硼片增强钛、化硼片增强钛、化硼片增强钛、化硼片增强钛、胶合板等。胶合板等。胶合板等。胶合板等。层状状陶瓷陶瓷复复合材料合材料断断口形貌口形貌三明治三明治复复合合第36页/共67页双金属、表面涂层等也是层状复合材料。双金属、表面涂层等也是层状复合材料。双金属、表面涂层等也是层状复合材料。双金属、表面涂层等也是层状复合材料。结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。运输及
35、包装等。运输及包装等。运输及包装等。有有TiNTiN涂层的涂层的高尔夫球头高尔夫球头层状状复复合合铝合合金金蜂蜂窝夹层板板第37页/共67页3 3、颗粒、颗粒(晶须晶须)增强铝基复合材料增强铝基复合材料 主要使用的有主要使用的有SiCSiC、AlAl2 2O O3 3颗粒颗粒(晶须晶须)增强铝基增强铝基复合材料。复合材料。SiC SiC颗粒颗粒(晶须晶须)增强铝基复合材料具有良好的增强铝基复合材料具有良好的力学性能和耐磨性能。随着力学性能和耐磨性能。随着SiCSiC含量的增加，其热含量的增加，其热膨胀系数降低，并低于基体。这些复合材料的韧性膨胀系数降低，并低于基体。这些复合材料的韧性低于基体，
36、但高于连续纤维增强铝基复合材料，而低于基体，但高于连续纤维增强铝基复合材料，而且其刚度比基体提高很多。由于且其刚度比基体提高很多。由于SiCSiC的硬度很高，的硬度很高，使得这种复合材料的硬度大大提高，其耐磨性也相使得这种复合材料的硬度大大提高，其耐磨性也相应大大提高。应大大提高。第38页/共67页 复合材料的拉伸强度和弹性模量比基体高，复合材料的拉伸强度和弹性模量比基体高，且随着且随着SiCSiC晶须含量的增加，其拉伸强度和弹性晶须含量的增加，其拉伸强度和弹性模量均有较大升高。模量均有较大升高。第39页/共67页 第40页/共67页 在铝合金中加入脆性的在铝合金中加入脆性的SiCSiC颗粒或
37、晶须，其断裂韧性颗粒或晶须，其断裂韧性下降很多。下降很多。颗粒：颗粒：particle晶须：晶须：whisker纤维：纤维：fiber在铝合金中加入脆性的在铝合金中加入脆性的SiCSiC颗粒，其耐磨性增加很多颗粒，其耐磨性增加很多。第41页/共67页 硼硼-铝复合材料可用作中子屏蔽材料，还可用来制造铝复合材料可用作中子屏蔽材料，还可用来制造废核燃料的运输容器和储存容器、可移动防护罩、控废核燃料的运输容器和储存容器、可移动防护罩、控制杆、喷气发动机风扇叶片、飞机机翼蒙皮、飞机起制杆、喷气发动机风扇叶片、飞机机翼蒙皮、飞机起落架部件、自行车架、高尔夫球杆等。落架部件、自行车架、高尔夫球杆等。碳纤维
38、增强铝基复合材料用在飞机上，如它使用在碳纤维增强铝基复合材料用在飞机上，如它使用在F-15F-15战斗机上，使其质量减轻战斗机上，使其质量减轻20203030。用碳纤维。用碳纤维增强铝合金管材还可制作网球拍架。增强铝合金管材还可制作网球拍架。氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是用氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是用来制造柴油发动机的活塞。来制造柴油发动机的活塞。铝基复合材料的应用铝基复合材料的应用第42页/共67页铝基复合材料的二次加工铝基复合材料的二次加工二次加工是指对基本的复合材料型二次加工是指对基本的复合材料型件如平板、梁和管等所进行的加工、包件如平板、梁和管等所进行的加工、包
39、括括成型成型、连接机械加工连接机械加工和和热处理热处理等工艺等工艺过程。过程。第43页/共67页1成成型型硼硼铝复合材料的成型涉及到它的组分铝复合材料的成型涉及到它的组分强而强而近于脆性的纤维和软而延性的铝。近于脆性的纤维和软而延性的铝。纤维在室温拉伸实验时具有完全纤维在室温拉伸实验时具有完全弹性的弹性的弹性的弹性的应力应力应变应变特性，在高温下具有很高的抗蠕变能力，不会有什么特性，在高温下具有很高的抗蠕变能力，不会有什么塑性延伸。塑性延伸。由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴向断裂延伸率小于向断裂延伸率小于1，致使零件的加工制造在很多，致使零件
40、的加工制造在很多情况下是在复合材料热压过程中用易于弯曲的预制板情况下是在复合材料热压过程中用易于弯曲的预制板加工成最终形状的。加工成最终形状的。第44页/共67页2连连接接硼铝复台材料与承载结构的硼铝复台材料与承载结构的附件附件附件附件的连接是复的连接是复合材料应用中最重要的工程领域之一。合材料应用中最重要的工程领域之一。硼硼铝复合材料的连接技术是基于铝的连接铝复合材料的连接技术是基于铝的连接而并不考虑硼同硼连接。其目的是想要得到高剪而并不考虑硼同硼连接。其目的是想要得到高剪切强度的基体连接而不使复合材料的机械性能降切强度的基体连接而不使复合材料的机械性能降低。低。连结工艺包括固态扩散结合。连
41、结工艺包括固态扩散结合。焊接焊接焊接焊接：标准的焊接工艺是把焊箔放入需要连接的零：标准的焊接工艺是把焊箔放入需要连接的零件之间并在接触压力下进行炉中焊。件之间并在接触压力下进行炉中焊。机械固定机械固定机械固定机械固定和和胶接胶接胶接胶接也是复合材料的有效连接力法。也是复合材料的有效连接力法。第45页/共67页MMCMMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度
42、韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了上限制了上限制了上限制了MMCMMC的应用范围。的应用范围。的应用范围。的应用范围。航天飞机内航天飞机内航天飞机内航天飞机内MMC(Al/MMC(Al/B B纤维纤维纤维纤维)桁架桁架桁架桁架第46页/共67页以陶瓷颗粒、纤维或晶须作为增强体，可制成镁基复合材料，集超轻、高比刚度、高比强度于一身，该类材以陶瓷颗粒、纤维或晶须作为增强体，可制成镁基复合材料，集超轻、高比刚度、高比强度于一身，该类材料比铝基复合材料更轻，具有更高的比强度和比刚度将是航空航天优选材料。料比铝基复合材料更轻，具有更高的比强度和比刚度将是航空航天优选材料。四四 、镁基复合
43、材料镁基复合材料第47页/共67页镁基复合材料镁基复合材料特点：镁、镁合金及其镁基复合材料的密度一般小于1.8，仅为铝或铝基复合材料的66%左右，是密度最小的MMC之一，而且具有更高的比强度、比刚度以及优良的力学和物理性能。镁基MMC常用基体合金：纯镁强度较低，不适合用作MMC，一般需添加合金元素以合金化。主要合金元素有Al、Zn、Ag、Mn、和稀土金属等。第48页/共67页镁基MMC的增强体基本要求：基本要求：与基体有良好的物理、化学相容性，与基体有良好的物理、化学相容性，尽量避免增强体与基体之间的界面反应，浸润性尽量避免增强体与基体之间的界面反应，浸润性好。好。常用的增强体：常用的增强体：
44、C C纤维、纤维、SiCSiC晶须和颗粒、晶须和颗粒、B B4 4C C颗粒颗粒等。等。C C与纯镁不反应，但与镁合金中的与纯镁不反应，但与镁合金中的AlAl、LiLi等反应，等反应，可生成碳化铝、碳化锂等化合物，严重损伤可生成碳化铝、碳化锂等化合物，严重损伤C C纤维，纤维，需在需在C C纤维表面进行涂层保护。纤维表面进行涂层保护。研究表明：研究表明：SiCSiC、B B4 4C C纤维、晶须、颗粒是镁基纤维、晶须、颗粒是镁基MMCMMC的合适增强体。的合适增强体。第49页/共67页镁基MMC的性能颗粒增强镁基MMC的抗拉强度与基体差不多，但耐磨性和耐温性提高。晶须增强镁基MMC的抗拉强度和
45、模量都有所提高。纤维增强镁基MMC的抗拉强度和弯曲强度提高很多。第50页/共67页镁基MMC的制备表5-9 几种主要镁合金基MMC制备方法制备工艺制备工艺增强体类型增强体类型优点优点缺点缺点挤压铸造挤压铸造短纤维、晶须、颗粒短纤维、晶须、颗粒工艺简单，成本低，易于工艺简单，成本低，易于批量生产；铸造缺陷少；批量生产；铸造缺陷少；界面结合良好；界面结合良好；MMC的的性能力学性能较高性能力学性能较高难以直接制备形状难以直接制备形状复杂的零件复杂的零件粉末冶金粉末冶金颗粒颗粒增强体分布均匀增强体分布均匀设备复杂；小批量设备复杂；小批量成本高；不安全成本高；不安全搅拌铸造搅拌铸造晶须、颗粒晶须、颗粒
46、设备简单；生产效率高设备简单；生产效率高铸造气孔较多；颗铸造气孔较多；颗粒分布不均匀粒分布不均匀喷射沉积喷射沉积短纤维、晶须、颗粒短纤维、晶须、颗粒基体合金晶粒度小；近无基体合金晶粒度小；近无界面反应界面反应MMC的致密度不的致密度不高；强度不高高；强度不高第51页/共67页镁基MMC的应用汽车制造：方向盘减震轴、活塞环、支架、变速箱外壳等；通讯电子：手机、便携式电脑等的外壳机械工业：SiC晶须增强镁基MMC用于制造齿轮，SiC颗粒增强镁基MMC耐磨性好可用于制造油泵的壳体、止推板、安全阀等。第52页/共67页五、钛基复合材料（TMC）特性：钛合金：密度4.35.1，模量80130GPa，有较
47、高的比强度和比刚度，钛的熔点高，强度能保持到高温（使用温度800)800)，抗氧化和抗化学腐蚀性能好。TMC：比钛合金更高的比强度、比模量，极佳的耐疲劳、抗蠕变性能，优异的高温性能和耐腐蚀性能，并克服了钛合金耐磨性和弹性模量低等缺点。类型：颗粒增强、连续纤维增强钛基MMC。相容性问题：几乎所有增强体与活性Ti基体发生界面反应形成一种或多种化合物。因为所有TMC在制造和热加工过程中，都要经历8001200的高温暴露，不可避免地发生界面反应。界面反应退化问题：采用对增强纤维涂层处理。第53页/共67页颗粒增强TMC特点：加工制造工艺比较经济、简便。常用工艺精密铸造、粉末冶金、锻造、挤压、轧制等都可
48、以用于加工TMC。性能：钛和钛合金中加入颗粒增强剂后，TMC的硬度、耐磨性能、刚度、耐高温性能得到明显改善，而塑性、断裂韧性和耐疲劳强度有所下降，室温拉伸强度与基体相近或低于基体。第54页/共67页连续纤维增强TMC特点：具有较高的工作温度6001000），高抗腐蚀性和抗损伤性。但比重较高（工业纯钛密度4.51），制造困难和成本高。力学性能：纵向强度和弹性模量提高很大，但横向性能较低。第55页/共67页连续纤维增强TMC的力学性能材料拉伸强度/MPa弹性模量/MPa断裂延伸率/%SiC/Ti-6Al-4V（35%）制造态 905，7h热处理16901434186.2190.30.960.86B
49、/Ti（25%）1000400160 130工业纯钛345685 100第56页/共67页 钛基复合材料 钛钛及及其其合合金金是是比比强强度度、比比刚刚度度最最好好的的基基材材，耐耐蚀蚀性性和和耐耐高高温温性性也也很很好好，易易做做耐耐热热件件。（低低于于相相变温度）变温度）但但钛钛薄薄难难制制，化化学学活活性性高高，与与C C纤纤维维和和B B纤纤维维反应生成反应生成TiCTiC和和TiBTiB2 2白亮层白亮层 。解决办法：。解决办法：高速工艺高速工艺 -缩短高温停留时间缩短高温停留时间 低温工艺低温工艺 -850-850热压热压1515分钟分钟 表面包覆表面包覆 -涂涂SiCSiC 合金
50、化合金化 -提高基体稳定性提高基体稳定性第57页/共67页TMC的应用利用利用TMCTMC的耐高温性能，制造耐高温构件。的耐高温性能，制造耐高温构件。美国美国SiCSiC纤维增强纤维增强TMCTMC用于航天飞机的机翼、机身的蒙皮、支撑梁及加强筋；导弹尾翼、汽车发动机气用于航天飞机的机翼、机身的蒙皮、支撑梁及加强筋；导弹尾翼、汽车发动机气门阀、连杆等。门阀、连杆等。第58页/共67页六六、金属基复合材料的制备工艺金属基复合材料的制备工艺 金属基复合材料的制备工艺种类繁多，主要根据基金属基复合材料的制备工艺种类繁多，主要根据基金属基复合材料的制备工艺种类繁多，主要根据基金属基复合材料的制备工艺种类