第5章金属基复合材料

复合材料郭连贵湖北工程学院化学与材料科学学院石墨烯第5章金属基复合材料多壁碳纳米管5.1金属基复合材料的种类和性能金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度；与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能。金属基复合材料（MMC）是以金属或合金为基体，以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的非均质混合物，共同点是具有连续的金属基体。5.1金属基复合材料的种类和性能金属基复合材料的发展1963年，NASA制备出钨丝增强Cu基复合材料，是纤维增强金属基复合材料的研究起点，SiC/Al,Al2O3/Al；1978年B/Al复合材料在哥伦比亚航天飞机上应用；1964年，Kraft通过共晶合金定向凝固制备出金属基复合材料，界面结合良好，Ni-Ni3Al，Ni-Ni3Si；20世纪80年代，金属基复合材料迅速发展，开始注重颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料，在汽车、体育用品等领域得到应用；90年代后期，电子产品和技术迅速发展，低膨胀、高强度和高导热性的金属基复合材料在电子产品得到应用；近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。5.1金属基复合材料的种类和性能一、金属基复合材料的分类铝基复合材料镁基复合材料钛基复合材料镍基复合材料铜基复合材料基体颗粒增强金属基复合材料短纤维、晶须增强金属基复合材料长纤维强金属基复合材料层状复合材料增强体6•金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。•碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀7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材料（MMC）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、钛合金和镁合金。作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中。MMC的SEM照片8•按用途分类：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。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优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。强调具有电、热、磁等功能特性智能复合材料：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。5.1金属基复合材料的种类和性能二、金属基复合材料的性能特点高比强度、比模量良好的导热、导电性能热膨胀系数小、尺寸稳定性好良好的高温性能良好的耐磨性良好的断裂韧性和抗疲劳性能不吸潮、不老化、气密性好5.2金属基复合材料的制造工艺金属基复合材料工艺研究内容金属基体与增强材料的结合和结合方式；金属基体/增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制；增强材料在金属基体中的分布；防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤；优化工艺参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。5.2金属基复合材料的制造工艺根据各种方法的基本特点，把金属基复合材料的制备工艺分为四大类：(1)固态法：扩散结合和粉末冶金；(2)液态法：铸造法、压铸法、半固态复合铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法等；(3)喷射与喷涂沉积法：等离子喷涂成型、喷射成型。(4)原位复合法：共晶合金定向凝固法、直接金属氧化法、反应自生成法。12连续增强相金属基复合材料的制备工艺铝合金—固态、液态法镁合金—固态、液态法钛合金—固态法高温合金—固态法金属间化合物—固态法碳纤维硼纤维SiC纤维Al2O3纤维……13不连续增强相金属基复合材料的制备工艺铝合金—固态、液态、原位生长、喷射成型法镁合金——液态法钛合金——固态、液态法、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5.2金属基复合材料的制造工艺一、固相法-扩散结合扩散结合工艺中，增强纤维与基体的结合主要分为三个关键步骤：①纤维的排布；②复合材料的叠合和真空封装；③热压。热压的工艺参数：温度、压力及时间。热压法的应用：B/Al、SiC/Al、SiC/TiC/Al、C/Mg等复合材料零部件、管材及板材。直径较粗的硼纤维和碳化硅纤维增强铝基、钛基及钨丝-超合金、钨丝-铜等复合材料的主要方法。a)金属箔复合法b)金属无纬带重叠法c)表面镀有金属的纤维结合法5.2金属基复合材料的制造工艺一、固相法-粉末冶金将金属或非金属粉末混合后压制成形，并在低于金属熔点的温度下进行烧结，利用粉末间原子扩散来使其结合的过程被称做粉末冶金工艺。1、粉料制备与压制成型粉末混料均匀并加入适当的助剂，再进行压制成型，粉粒间的原子通过固相扩散和机械咬合作用，使制件结合为具有一定强度的整体。2、烧结将压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为基体金属熔点的2/3～3/4倍。由于高温下不同种类原子的扩散，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的再结晶，使粉末颗粒相互结合。汽车发动机用粉末烧结钢零件汽车变速器系统用粉末烧结钢件:5.2金属基复合材料的制造工艺二、液相法-压铸法在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型。主要工艺因素有熔融金属的温度、模具预热温度、压力和加压速度等。5.2金属基复合材料的制造工艺二、液相法-搅拌铸造法搅拌铸造法是最早用于颗粒增强金属基复合材料的一种弥散混合铸造工艺。搅拌铸造法有两种方式：一种是在合金液处于液相线温度以上进行搅拌，称为“液态搅拌”；另一种是合金液处于固相线与液相线之间进行搅拌，称为“半固态搅拌铸造法”或“流变铸造”。5.2金属基复合材料的制造工艺三、喷射成型法将基体金属在坩埚中熔化后，在压力作用下通过喷咀送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成所谓“雾化锥”；通过一个或多个喷咀向“雾化锥”喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在基板（收集器）上沉积，并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。5.2金属基复合材料的制造工艺四、原位生长法-共晶合金定向凝固法在复合材料制造过程中，增强材料在基体中生成和生长的方法称作原位自生成法。增强材料以共晶的形式从基体中凝固析出，通过控制冷凝方向，在基体中生长出排列整齐的类似纤维的条状或片层状共晶增强材料。要求合金成分为共晶或接近共晶成分，以及有包晶或偏晶反应的两相结合。工艺过程：合金原料在真空或惰性气体中通过感应加热熔化，控制冷却方向，进行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方向整齐排列，连续相为基体，类似纤维的条状或片层状的分散相为增强体。5.2金属基复合材料的制造工艺四、原位生长法-直接金属氧化法通过基体金属的氧化或氮化来获取复合材料。制备Al2O3/Al时，9001300C的温度下，使熔融铝通过显微通道渗透到氧化铝层外部，并顺序氧化；即铝被氧化，但液态铝的渗透通道未被堵塞。可根据氧化程度控制Al2O3的量。所制备的复合材料就是含有Al的、互连的Al2O3陶瓷基复合材料。直接氮化获得AlN/Al、和TiN/Ti等金属或陶瓷基复合材料。5.3铝基复合材料铝基复合材料是在金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金。这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。5.3铝基复合材料5.3铝基复合材料5.3铝基复合材料5.3铝基复合材料5.3铝基复合材料5.3铝基复合材料5.3铝基复合材料5.3铝基复合材料5.4钛基复合材料5.4钛基复合材料一、颗粒增强钛基复合材料5.4钛基复合材料二、连续纤维增强钛基复合材料5.4钛基复合材料三、钛基复合材料的应用5.4钛基复合材料三、钛基复合材料的应用5.5镁基复合材料5.5镁基复合材料5.5镁基复合材料5.5镁基复合材料5.5镁基复合材料5.5镁基复合材料5.5镁基复合材料5.6镍基复合材料•基体主要有：纯镍、镍铬合金、镍铝合金。5.6镍基复合材料5.6镍基复合材料5.6镍基复合材料5.6镍基复合材料