1、置于電解液中的鎵基液態合金可通過“攝入”鋁作為食物或燃料提供能量，實現高速、高效的長時運轉-中國科學院理化技術研究所、清華大學醫學院聯合研究小組。金屬基體金屬基體金屬基體具有很多優良性能：金屬基體具有很多優良性能：使用性能使用性能反映金屬材料在使用過程中所表現出來的性能，包反映金屬材料在使用過程中所表現出來的性能，包括力學性能、物理及化學性能。括力學性能、物理及化學性能。工藝性能工藝性能反映金屬在加工制造過程中表現出來的性能，包括反映金屬在加工制造過程中表現出來的性能，包括鑄造、壓力加工、焊接、切削加工和熱處理等性能。鑄造、壓力加工、焊接、切削加工和熱處理等性能。 這些性能與金屬的成分、組織和

2、結構密切相關。這些性能與金屬的成分、組織和結構密切相關。4纖維增強：比強度、比模量明顯高于金屬基體纖維增強：比強度、比模量明顯高于金屬基體顆粒增強：比強度無明顯增加，但比模量明顯提高顆粒增強：比強度無明顯增加，但比模量明顯提高 一般說來增強顆粒越小，則復合材料強度越高一般說來增強顆粒越小，則復合材料強度越高金屬基復合材料的力學性能一覽表金屬基復合材料的力學性能一覽表復合材料復合材料增強相含量增強相含量, vol %抗拉強度，抗拉強度，MPa拉伸模量，拉伸模量，GPa密度，密度，g/cm3BF /AlCVD SiCF /AlNicalon SiCF /AlCF /AlFP Al2O3 F/AlS

3、umica Al2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVD SiCF/TiBF / Ti5050354035505018202035451200150013001500700900500800650900500620400510150017501300150020022021023095 11010015022013096 138100210 2302202.62.853.02.62.43.32.92.82.83.93.77而與樹脂基復合材料相比，它又具有優良的而與樹脂基復合材料相比，它又具有優良的導電性與耐熱性；導電性與耐熱性；與陶瓷基材料相比，它又具有高韌性和高沖與陶瓷基材料相比，它

4、又具有高韌性和高沖擊性能。擊性能。原因：金屬基體屬于典型韌性材料，受到沖擊時原因：金屬基體屬于典型韌性材料，受到沖擊時能通過塑性變形吸收能量，或使裂紋鈍化、減小能通過塑性變形吸收能量，或使裂紋鈍化、減小應力集中而改善韌性。應力集中而改善韌性。8構件的使用性能要求是構件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重選擇金屬基體材料最重要的依據，也是其發展要的依據，也是其發展的動力。的動力。在航天、航空技術中高比強度和比模量以及尺寸穩在航天、航空技術中高比強度和比模量以及尺寸穩定性是最重要的性能要求。定性是最重要的性能要求。 作為飛行器和衛星的構件宜選用密度小的輕金屬作為飛行器和衛星的構件宜選用密度小的輕金

5、屬合金合金鎂合金和鋁合金作為基體，與高強度、高鎂合金和鋁合金作為基體，與高強度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨/ /鎂、石墨鎂、石墨/ /鋁、硼鋁、硼/ /鋁復合材料。鋁復合材料。9高性能航空發動機、燃氣輪機：要求有高比強度和比高性能航空發動機、燃氣輪機：要求有高比強度和比模量，還要具有優良的耐高溫性能，能在高溫、氧化模量，還要具有優良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。性氣氛中正常工作。 選擇鈦合金、鎳合金選擇鈦合金、鎳合金以及金屬間化合物作以及金屬間化合物作為基體材料。如碳化為基體材料。如碳化硅硅/鈦、鎢絲鈦、鎢絲/鎳基超合鎳基超合金復合材料可

6、用于噴金復合材料可用于噴氣發動機葉片、轉軸氣發動機葉片、轉軸等重要零件。等重要零件。10在汽車發動機中要求其零件耐熱、耐磨、導熱、一定在汽車發動機中要求其零件耐熱、耐磨、導熱、一定的高溫強度等，同時又要求成本低廉，適合于批量生的高溫強度等，同時又要求成本低廉，適合于批量生產。產。v選用鋁合金作基體材料與選用鋁合金作基體材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆陶瓷顆粒、短纖維組成顆粒（短纖維）粒（短纖維）/ /鋁基復合鋁基復合材料。如碳化硅材料。如碳化硅/ /鋁復合鋁復合材料、碳纖維或氧化鋁纖材料、碳纖維或氧化鋁纖維維/ /鋁復合材料可制作發鋁復合材料可制作發動機活塞、缸套等零件。動機活塞、缸套等零件。11

7、金屬基復合材料的例子可追溯到古文明時期。金屬基復合材料的例子可追溯到古文明時期。在土耳其發現的公元前在土耳其發現的公元前7000年的銅錐子，它是年的銅錐子，它是經過反復拓平與錘打研制成的。在這個過程個，經過反復拓平與錘打研制成的。在這個過程個，非金屬夾雜物被拉長。非金屬夾雜物被拉長。彌散強化金屬材料：始于彌散強化金屬材料：始于1924年，年，Schmit關于關于鋁氧化鋁粉末燒結，導致上世紀鋁氧化鋁粉末燒結，導致上世紀50及及60年代年代的廣泛研究。的廣泛研究。沉淀強化的理論開始于沉淀強化的理論開始于30年代，并在以后的幾年代，并在以后的幾十年里得到了發展。（合金通過相變得到的合十年里得到了發展

8、。（合金通過相變得到的合金元素與基體元素的化合物會引起合金強化，金元素與基體元素的化合物會引起合金強化，為沉淀強化。）為沉淀強化。）12金屬基復合材料真正的起步是在金屬基復合材料真正的起步是在20世紀世紀50年代年代末或末或60年代初。年代初。美國國家航空和宇航局美國國家航空和宇航局(NASA)成功地制備出成功地制備出W絲增強的絲增強的Cu基復合材料，成為金屬基復合材料基復合材料，成為金屬基復合材料研究和開發的標志性起點。研究和開發的標志性起點。隨后，對纖維金屬基復合材料的研究在隨后，對纖維金屬基復合材料的研究在20世紀世紀60年代迅速發展起來。那時，主要的力量集中年代迅速發展起來。那時，主要

9、的力量集中在以鎢和硼纖維增強的鋁和銅為基的系統。在在以鎢和硼纖維增強的鋁和銅為基的系統。在這種復合材料里，基體的主要功能在于把載荷這種復合材料里，基體的主要功能在于把載荷傳遞和分配給纖維。增強體的體積分數一般都傳遞和分配給纖維。增強體的體積分數一般都很高很高(約約40-80)，得出的軸向性能都很好。，得出的軸向性能都很好。13關于連續纖維增強的復合材料的研究在關于連續纖維增強的復合材料的研究在70年代年代里有點滑坡，主要歸咎干該材料的昂貴價格和里有點滑坡，主要歸咎干該材料的昂貴價格和受生產制造的限制。受生產制造的限制。渦輪發動機的各個部件對于高溫高效性材料的渦輪發動機的各個部件對于高溫高效性材

10、料的不斷需求，觸發了對金屬基復合材科特別是鈦不斷需求，觸發了對金屬基復合材科特別是鈦基材料的廣泛興趣的復蘇?；牧系膹V泛興趣的復蘇。近年，功能和納米金屬基復合材料成為研究熱近年，功能和納米金屬基復合材料成為研究熱點。點。14由于金屬基復合材料具有極高的比強度、比剛由于金屬基復合材料具有極高的比強度、比剛度，以及高溫強度，首先在航空航天上得到應度，以及高溫強度，首先在航空航天上得到應用，今后也將在航空航天領域占據重要位置。用，今后也將在航空航天領域占據重要位置。隨后，在汽車、體育用品等領域也得到了應用，隨后，在汽車、體育用品等領域也得到了應用，特別是晶須增強復合材料和顆粒增強復合材料特別是晶須增

11、強復合材料和顆粒增強復合材料在日本的民用領域得到較好的應用。在日本的民用領域得到較好的應用。15金屬基復合材料的研究重點：金屬基復合材料的研究重點：1）不同基體和不同增強相復合效果、復合材料的設計和）不同基體和不同增強相復合效果、復合材料的設計和性能；性能；2）增強相）增強相/基體的界面優化、界面設計；基體的界面優化、界面設計；3）制備工藝的研究，以提高復合材料的性能和降低成本；）制備工藝的研究，以提高復合材料的性能和降低成本；4）新型增強劑的研究開發；）新型增強劑的研究開發；5）復合材料的擴大應用。）復合材料的擴大應用。 根據其形態增強體分為連續長纖維、短纖維、晶須、顆粒等。根據其形態增強體

12、分為連續長纖維、短纖維、晶須、顆粒等。增強體應具有高比強度、高模量、高溫強度、高硬度、低熱膨脹增強體應具有高比強度、高模量、高溫強度、高硬度、低熱膨脹等性能。等性能。5.1 5.1 金屬基復合材料的分類金屬基復合材料的分類（1）連續纖維（3）層狀（2）顆粒碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維陶瓷顆粒材料，主要有氧化鋁、碳化硅、氮化硅、碳化鈦、硼 化鈦、碳化硼及氧化釔等層狀復合材料斷口形貌層狀復合材料斷口形貌層狀復合材料顆粒復合材料單向纖維增強復合材料蜂窩夾心復合材料編織復合材料功能梯度復合材料顆粒增強復合材料顆粒增強復合材料 指增強體為顆粒形態的金屬基復合材料，一般它是指彌指增強體為顆粒形態

13、的金屬基復合材料，一般它是指彌散的硬質增強相的體積超過散的硬質增強相的體積超過20的復合材料，而不包括的復合材料，而不包括那種彌散質點體積比很低的彌散強化金屬。那種彌散質點體積比很低的彌散強化金屬。 顆粒復合材料的強度通常取決于顆粒的直徑、間距和體顆粒復合材料的強度通常取決于顆粒的直徑、間距和體積比，但基體性能也很重要。這種材料的性能還對界面積比，但基體性能也很重要。這種材料的性能還對界面性能及顆粒排列的幾何形狀十分敏感。性能及顆粒排列的幾何形狀十分敏感。 用于增強金屬的顆粒主要是無機非金屬顆粒。用于增強金屬的顆粒主要是無機非金屬顆粒。層狀復合材料層狀復合材料 指在韌性和成型性較好的金屬基體材

14、料中含有重復排列的高強度、高模量片層狀增強物的復合材料。由于片層的間距是微觀的，材料從其結構組元看，可以認為是各向異性的和均勻的，是一種結構復合材料。 層狀結構復合材料的強度由于薄片增強的強度不如纖維增強相高而受到了限制，但在增強平面的各個方向上，薄片增強物對強度和模量都有增強效果，這是其一個明顯的優勢。纖維增強復合材料纖維增強復合材料 金屬基復合材料中的纖維根據其長度的不同可分為金屬基復合材料中的纖維根據其長度的不同可分為長纖維、短纖維和晶須類一維增強體。長纖維、短纖維和晶須類一維增強體。 由纖維增強的復合材料均表現出明顯的各向異性特由纖維增強的復合材料均表現出明顯的各向異性特征。征。 用于

15、金屬基復合材料的增強纖維主要為無機纖維和用于金屬基復合材料的增強纖維主要為無機纖維和金屬纖維。金屬纖維。（1）用于450以下的輕金屬基體鋁、鎂合金（3）用于1000以上的高溫復合材料的金屬基體鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物基體分類基體分類 目前最廣泛、最成熟的是鋁基和鎂基復合材料，用于航天飛機、人造衛星、空間站、汽車發動機零件、剎車盤等。（2）用于450700的復合材料的金屬基體鈦合金 鈦合金具有比重輕、耐鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強度高等特腐蝕、耐氧化、強度高等特點，可在點，可在450450700700使用，使用，用于航空發動機等零件。用于航空發動機等零件。 主要是鎳基、鐵基耐主要

16、是鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物。熱合金和金屬間化合物。較成熟的是鎳基、鐵基高較成熟的是鎳基、鐵基高溫合金，金屬間化合物基溫合金，金屬間化合物基復合材料尚處于研究階段。復合材料尚處于研究階段。金屬基復合材料的性能特征金屬基復合材料的性能特征比強度高，比剛度大比強度高，比剛度大 纖維增強金屬基復合材料多數是纖維增強金屬基復合材料多數是Vf=3050的高強的高強度和高模量的纖維增強金屬。與金屬相比，在纖維方度和高模量的纖維增強金屬。與金屬相比，在纖維方向是具有很高的比強度和比模量，特別是纖維增強鎂、向是具有很高的比強度和比模量，特別是纖維增強鎂、鋁等，具有很顯著的效果。鋁等，具有很顯著的效果。

17、良好的導熱導電性和電磁感應屏蔽性良好的導熱導電性和電磁感應屏蔽性 由于金屬基復合材料的基體為金屬，而金屬均有良好的由于金屬基復合材料的基體為金屬，而金屬均有良好的導熱和導電性，因此金屬基復合材料具有良好的導熱性，導熱和導電性，因此金屬基復合材料具有良好的導熱性，可以減小由于運行條件所引起的溫度梯度。由于溫度分可以減小由于運行條件所引起的溫度梯度。由于溫度分布比較均勻，因而可減少溫度應力。布比較均勻，因而可減少溫度應力。 良好的導電性可以防止出現靜電聚集，并對電磁感應產良好的導電性可以防止出現靜電聚集，并對電磁感應產生屏蔽。生屏蔽。線膨脹系數小、尺寸穩定線膨脹系數小、尺寸穩定 金屬基復合材料所用

18、的碳纖維、碳化硅纖維和硼纖維金屬基復合材料所用的碳纖維、碳化硅纖維和硼纖維均具有很高的模量和很低的線膨脹系數，且石墨纖維均具有很高的模量和很低的線膨脹系數，且石墨纖維的縱向線膨脹系數為負值。例如：的縱向線膨脹系數為負值。例如： 在石墨增強鎂基復合材料時，當石墨含量為在石墨增強鎂基復合材料時，當石墨含量為48%時，時，復合材料的熱膨脹系數為復合材料的熱膨脹系數為0。良好的高溫性能良好的高溫性能 在復合材料中，作為承載主體的纖維，在高溫下能在復合材料中，作為承載主體的纖維，在高溫下能保持很高的強度和模量。當金屬基體接近于熔點保持很高的強度和模量。當金屬基體接近于熔點溫度時，由于纖維的作用，沿纖維方

19、向的力學性溫度時，由于纖維的作用，沿纖維方向的力學性能主要由纖維控制，因此，還具有很高的強度和能主要由纖維控制，因此，還具有很高的強度和剛度。例：剛度。例： 鋁基體在鋁基體在300，強度為，強度為100MPa 石墨纖維增強鋁基復合材料在石墨纖維增強鋁基復合材料在500，強度為，強度為600MPa良好的耐磨性良好的耐磨性 當金屬基中加入了大量的陶瓷增強物時，由于陶瓷材當金屬基中加入了大量的陶瓷增強物時，由于陶瓷材料的硬度高、耐磨、化學性能穩定，不僅提高了材料料的硬度高、耐磨、化學性能穩定，不僅提高了材料的強度和剛度，也提高了復合材料的硬度和耐磨性，的強度和剛度，也提高了復合材料的硬度和耐磨性，如

20、：如： SiCf/鋁基復合材料的耐磨性比基體金屬高出鋁基復合材料的耐磨性比基體金屬高出2倍以上。倍以上。 SiCp/Al復合材料復合材料汽車活塞桿（環）、汽車活塞桿（環）、剎車盤剎車盤27 材料耐磨性比較材料耐磨性比較磨痕寬度，磨痕寬度，mmmm稀土鋁硅合稀土鋁硅合金金66-1266-12Al2O3 Al2O3 纖維纖維- -鋁鋁SiCSiC顆粒顆粒- -鋁鋁高鎳奧氏體鑄高鎳奧氏體鑄鐵鐵最大最大1.94751.94751.5001.5000.94250.94251.16701.1670最小最小1.84761.84761.3251.3250.8650.8651.12751.1275平均平均1.8

21、971.8971.4121.4120.90370.90371.14121.1412良好的斷裂韌性和抗疲勞性能良好的斷裂韌性和抗疲勞性能 金屬基復合材料的抗疲勞性能與纖維類型、金屬金屬基復合材料的抗疲勞性能與纖維類型、金屬基體的性能、生產工藝和界面狀況等密切相關。基體的性能、生產工藝和界面狀況等密切相關。 鋁基復合材料較之鋁合金下降很多（脆性碳化硅顆鋁基復合材料較之鋁合金下降很多（脆性碳化硅顆粒）粒） 當纖維與基體在界面上結合得合適時，界面能有當纖維與基體在界面上結合得合適時，界面能有效地阻止裂紋向增強纖維擴展。效地阻止裂紋向增強纖維擴展。 纖維增強金屬基復合材料的抗拉、抗疲勞性能，纖維增強金屬

22、基復合材料的抗拉、抗疲勞性能，明顯高于金屬基體材料。明顯高于金屬基體材料。不吸濕、不老化、氣密性好不吸濕、不老化、氣密性好 金屬基復合材料不吸濕，沒有分解和污染系統的物金屬基復合材料不吸濕，沒有分解和污染系統的物質產生，這對衛星儀表的穩定和可靠運行是十分質產生，這對衛星儀表的穩定和可靠運行是十分重要的。重要的。 總之，金屬基復合材料具有高比強度、比模量、總之，金屬基復合材料具有高比強度、比模量、良好的導熱、導電性、耐磨性、高溫性能、較低良好的導熱、導電性、耐磨性、高溫性能、較低的熱膨脹系數、高的尺寸穩定性等優點，在航空、的熱膨脹系數、高的尺寸穩定性等優點，在航空、航天、電子、汽車、輪船、先進武

23、器具有廣泛的航天、電子、汽車、輪船、先進武器具有廣泛的應用前景。應用前景。5.2 金屬基復合材料的制造工藝金屬基復合材料的制造工藝根據各種制備方法的基本特點，主要把金屬基復合根據各種制備方法的基本特點，主要把金屬基復合材料的制備工藝分為三大類，即：材料的制備工藝分為三大類，即：(1)固態法：熱壓擴散結合法、粉末冶金法、熱等靜固態法：熱壓擴散結合法、粉末冶金法、熱等靜壓、模壓成型、軋制法等。壓、模壓成型、軋制法等。(2)液態法：擠壓鑄造法、液態金屬浸滲、噴射沉積液態法：擠壓鑄造法、液態金屬浸滲、噴射沉積法、真空吸鑄、半固態鑄造、攪拌復合法等。法、真空吸鑄、半固態鑄造、攪拌復合法等。(3)自生成法

24、及其他新技術：復合涂鍍法等。自生成法及其他新技術：復合涂鍍法等。固態法固態法 將金屬粉末或金屬箔與增強物按設計要求以一定將金屬粉末或金屬箔與增強物按設計要求以一定的含量、分布、方向混合或排布在一起，再經過的含量、分布、方向混合或排布在一起，再經過加熱、加壓，將金屬基體與增強物復合在一起。加熱、加壓，將金屬基體與增強物復合在一起。 整個工藝過程處于較低的溫度，金屬基體和增強整個工藝過程處于較低的溫度，金屬基體和增強物都處于固態，界面反應不嚴重。物都處于固態，界面反應不嚴重。 粉末冶金法（原則上可以用來制造各類增強體增粉末冶金法（原則上可以用來制造各類增強體增強的金屬基復合材料，但主要用它制造非連

25、續增強的金屬基復合材料，但主要用它制造非連續增強復合材料，特別是晶須和顆粒復合材料及他們強復合材料，特別是晶須和顆粒復合材料及他們的小尺寸的零件）：的小尺寸的零件）：熱壓熱壓松裝燒結松裝燒結粉漿燒注粉漿燒注混合混合壓制壓制等靜壓制等靜壓制軋制軋制 擠擠壓壓燒結燒結燒結燒結浸適浸適熱處理熱處理電鍍電鍍預燒結預燒結高溫燒高溫燒結結復壓復壓鍛打鍛打復燒復燒拉拉絲絲燒縮燒縮精精整整鍛造鍛造 軋制軋制擠壓擠壓 燒結燒結（浸油）（浸油） 熱處理熱處理粉末冶金成粉末冶金成品品舉例舉例熱壓法制造熱壓法制造SiCf/Al 將將SiC纖維與鋁合金薄片按一定方式排列和堆疊，然后纖維與鋁合金薄片按一定方式排列和堆疊，

26、然后在惰性氣體保護下加熱、加壓使它們緊密地結合成為在惰性氣體保護下加熱、加壓使它們緊密地結合成為一定形狀的制品。一定形狀的制品。用這種方法制成的鋁基纖維復合材料具有很高的質量。用這種方法制成的鋁基纖維復合材料具有很高的質量。美國美國Textron特殊材料公司用固態擴散法制成碳化硅特殊材料公司用固態擴散法制成碳化硅連續纖維連續纖維/鋁工字梁和板材，在戰斗機尾翼上試用獲得鋁工字梁和板材，在戰斗機尾翼上試用獲得成功。成功。圖圖 SiC顆粒增強顆粒增強Al基基復合材料的粉末冶金復合材料的粉末冶金工藝流程示意圖。工藝流程示意圖。粉末冶金法五大優點粉末冶金法五大優點熱等靜壓或燒結溫度低于金屬熔點，減小界面

27、反應對熱等靜壓或燒結溫度低于金屬熔點，減小界面反應對復合材料性能的不利影響。復合材料性能的不利影響。可根據性能要求，使增強材料與基體金屬粉末以任何可根據性能要求，使增強材料與基體金屬粉末以任何比例混合。比例混合?？山档驮鰪姴牧吓c基體互相濕潤和密度差的要求，使可降低增強材料與基體互相濕潤和密度差的要求，使顆?；蚓ы毦鶆蚍植荚诮饘倩鶑秃喜牧系幕w中。顆?；蚓ы毦鶆蚍植荚诮饘倩鶑秃喜牧系幕w中。采用熱等靜壓工藝時，其組織細化、致密、均勻，一采用熱等靜壓工藝時，其組織細化、致密、均勻，一般不會產生偏析、偏聚等缺陷。般不會產生偏析、偏聚等缺陷。粉未冶金法制備的金屬基復合材料可通過傳統的金屬粉未冶金法制備

28、的金屬基復合材料可通過傳統的金屬加工方法進行二次加工?？梢缘玫剿栊螤畹膹秃喜募庸し椒ㄟM行二次加工?？梢缘玫剿栊螤畹膹秃喜牧蠘嫾拿?。料構件的毛坯。粉末冶金法主要缺點粉末冶金法主要缺點工藝過程比較復雜；工藝過程比較復雜；金屬基體必須制成粉末，增加了工藝的復雜性和成本；金屬基體必須制成粉末，增加了工藝的復雜性和成本；在制備鋁基復合材料時，還要防止鋁粉引起的爆炸。在制備鋁基復合材料時，還要防止鋁粉引起的爆炸。 液態金屬法液態金屬法 液態金屬法是金屬基體處于熔融狀態下與固體增強物液態金屬法是金屬基體處于熔融狀態下與固體增強物復合成材料的方法。復合成材料的方法。 金屬在熔融態流動性好，在一定的外界

29、條件下容易進金屬在熔融態流動性好，在一定的外界條件下容易進入增強物間隙中。入增強物間隙中。 液態法制造金屬基復合材料時，制造溫度高，易發生液態法制造金屬基復合材料時，制造溫度高，易發生嚴重的界面反應，有效的控制界面反應是液態法的關嚴重的界面反應，有效的控制界面反應是液態法的關鍵。鍵。液態金屬浸漬法示意圖液態金屬浸漬法示意圖自生成法自生成法 在復合材料制造過程中，通過加入反應物質或是通入反應氣體使得增強材料在基體中生成和生長的方法稱作自生成法。 解決相容性（即潤濕性）問題和界面反應兩大問題。 關鍵技術是生成一種韌相，它屬于專利技術。43 例如，一定粒度的鋁粉、鈦粉和硼粉以一定比例混合例如，一定粒

30、度的鋁粉、鈦粉和硼粉以一定比例混合成型，加熱后反應生成成型，加熱后反應生成TiB2TiB2，進而形成，進而形成TiB2TiB2增強的鋁基增強的鋁基復合材料。復合材料。Al + Ti + B TiB2 + Al Al + Ti + B TiB2 + Al 不僅可以用粉末反應生成復合材料，也可以在熔融的不僅可以用粉末反應生成復合材料，也可以在熔融的合金中導入參加反應的粉末或氣體而生成復合材料。如合金中導入參加反應的粉末或氣體而生成復合材料。如在熔融的在熔融的Al-TiAl-Ti合金中導入載碳氣體，反應生成合金中導入載碳氣體，反應生成TiCTiC，進，進而形成而形成TiCTiC增強鋁基復合材料。增強

31、鋁基復合材料。Al + Ti + C TiC + Al噴射沉積法噴射沉積法 首先，將基體金屬在坩堝中熔化后，在壓力作用下首先，將基體金屬在坩堝中熔化后，在壓力作用下通過噴咀送入霧化器，在高速惰性氣體射流的作通過噴咀送入霧化器，在高速惰性氣體射流的作用下，液態金屬被分散為細小的液滴，形成所謂用下，液態金屬被分散為細小的液滴，形成所謂“霧化錐霧化錐”。 然后，通過一個或多個噴咀向然后，通過一個或多個噴咀向“霧化錐霧化錐”噴射入增強噴射入增強顆粒，使之與金屬霧化液滴一齊在基板（收集器）顆粒，使之與金屬霧化液滴一齊在基板（收集器）上沉積，并快速凝固形成顆粒增強金屬基復合材上沉積，并快速凝固形成顆粒增強

32、金屬基復合材料。料。 圖圖 噴射沉積法示意圖噴射沉積法示意圖噴射沉積法的優點噴射沉積法的優點工藝流程短，工序簡單，噴射沉積效率高，有利工藝流程短，工序簡單，噴射沉積效率高，有利于實現工業化生產。于實現工業化生產。高致密度，直接沉積的復合材料密度一般可達到高致密度，直接沉積的復合材料密度一般可達到理論的理論的95%98%。屬快速凝固方法，冷速可達屬快速凝固方法，冷速可達103106K/s，故金屬，故金屬晶粒及組織細化，消除了宏觀偏析，合金成分均晶粒及組織細化，消除了宏觀偏析，合金成分均勻，同時增強材料與金屬液滴接觸時間短，很少勻，同時增強材料與金屬液滴接觸時間短，很少或沒有界面反應?；驔]有界面反

33、應。具有通用性和產品多樣性。該工藝適于多種金屬具有通用性和產品多樣性。該工藝適于多種金屬材料基體，同時可設計霧化器和收集器的形狀和材料基體，同時可設計霧化器和收集器的形狀和一定的機械運動，以直接形成盤、棒、管和板帶一定的機械運動，以直接形成盤、棒、管和板帶等接近零件實際形狀的復合材料的坯料。等接近零件實際形狀的復合材料的坯料。制備方法和適用范圍5.4 鋁基復合材料鋁基復合材料 鋁基復合材料是金屬基復合材料中發展最快、鋁基復合材料是金屬基復合材料中發展最快、應用得最廣的一種。應用得最廣的一種。 金屬鋁為面心立方結構，無同素異構體，密度金屬鋁為面心立方結構，無同素異構體，密度為鋼的為鋼的1/3左右

34、，具有良好的塑性和韌性，以及易左右，具有良好的塑性和韌性，以及易加工性、工程可靠性及價格低廉等優點，在工程加工性、工程可靠性及價格低廉等優點，在工程上廣泛應用。上廣泛應用。 工業純鋁：工業純鋁： 塑性優異，適用各種形式的冷、熱加工；塑性優異，適用各種形式的冷、熱加工； 導電、導熱性能好，代替銅制作導線；導電、導熱性能好，代替銅制作導線； 強度不高，不適合做承力大的結構材料。強度不高，不適合做承力大的結構材料。基體基體-增強體增強體-制備方法制備方法-性能性能-應用應用基體：基體： 純鋁、鋁合金純鋁、鋁合金 因純鋁強度不高，在實際使用中，純鋁中常加入因純鋁強度不高，在實際使用中，純鋁中常加入Zn

35、、Cu、Mg、Mn等元素形成合金。有不同的牌等元素形成合金。有不同的牌號，如：號，如：6061：合金元素為鎂及硅：合金元素為鎂及硅2124：Al-Cu-Mg，一種典型的硬鋁合金，一種典型的硬鋁合金5.4 鋁基復合材料鋁基復合材料增強體：增強體：顆粒（晶須）增強鋁基復合材料顆粒（晶須）增強鋁基復合材料 長纖維增強鋁基復合材料長纖維增強鋁基復合材料短纖維增強鋁基復合材料短纖維增強鋁基復合材料顆粒（晶須）增強鋁基復合材料顆粒（晶須）增強鋁基復合材料增強體：增強體： SiC、Al2O3（主要使用）、（主要使用）、SiO2、BC4、TiC等顆粒等顆粒制備方法：制備方法： 固相法：粉末冶金、熱等靜壓、擠壓

36、法固相法：粉末冶金、熱等靜壓、擠壓法 液態法：擠壓鑄造法、真空壓力浸漬法、攪拌法、共液態法：擠壓鑄造法、真空壓力浸漬法、攪拌法、共噴沉積法噴沉積法性能：（以性能：（以SiC增強為例）增強為例）提高方面：提高方面：強度、硬度、耐磨性強度、硬度、耐磨性表表5-2、5-3、5-4、5-6降低方面：降低方面：韌性韌性表表5-5由表由表5-2 SiC晶須增強鋁基復合的力學性能晶須增強鋁基復合的力學性能可得：可得：晶須增強復合材料的強度比基體高晶須增強復合材料的強度比基體高隨著晶須含量的增加，強度較大提高隨著晶須含量的增加，強度較大提高隨著溫度的上升，強度下降，但添加晶須隨著溫度的上升，強度下降，但添加晶

37、須20%的復的復合材料能在合材料能在250有較好的強度。有較好的強度。由表由表5-3 SiC顆粒增強鋁基復合的力學性能顆粒增強鋁基復合的力學性能顆粒增強復合材料的強度比基體高顆粒增強復合材料的強度比基體高隨著顆粒含量的增加，強度較大提高隨著顆粒含量的增加，強度較大提高,但延伸率卻逐漸降低。但延伸率卻逐漸降低。由表由表5-4 SiC顆粒和晶須增強鋁基復合的力學性能顆粒和晶須增強鋁基復合的力學性能 相同含量的顆粒增強鋁基復合材料的強度比同含量的晶須相同含量的顆粒增強鋁基復合材料的強度比同含量的晶須增強鋁基復合材料的強度要低。增強鋁基復合材料的強度要低。這是由于這是由于SiC顆粒的硬度很高，使得這種

38、復合的硬度大大顆粒的硬度很高，使得這種復合的硬度大大提高，其耐磨性也相應大大提高。提高，其耐磨性也相應大大提高。應用：應用：汽車零件：活塞、連桿、汽缸等汽車零件：活塞、連桿、汽缸等飛機零件：起落架支柱龍骨、液壓歧管等飛機零件：起落架支柱龍骨、液壓歧管等衛星和航天用結構材料衛星和航天用結構材料長纖維增強鋁基復合材長纖維增強鋁基復合材料料增強體：增強體：Bf、Cf、SiCf、Al2O3f、不銹鋼絲、不銹鋼絲制備方法：制備方法： 固相法：熱壓法、熱等靜壓固相法：熱壓法、熱等靜壓 液態法：擠壓鑄造法、真空鑄造、液態金屬浸漬法、液態法：擠壓鑄造法、真空鑄造、液態金屬浸漬法、真空壓力浸漬法真空壓力浸漬法B

39、f/Al性能：性能：提高方面：提高方面：拉伸強度、彈性模量拉伸強度、彈性模量表表5-7、表、表5-8在高溫時，性能尤其突出。在高溫時，性能尤其突出。問題：問題： 有較高有殘余應力有較高有殘余應力 表表5-9由表由表5-7 硼硼-鋁復合材料的室溫拉伸性能，可得：鋁復合材料的室溫拉伸性能，可得：添加硼纖維的復合材料的拉伸強度和彈性模量均添加硼纖維的復合材料的拉伸強度和彈性模量均明顯高于基體。明顯高于基體。隨著添加量的增強，強度提高。隨著添加量的增強，強度提高?？v向與橫向和性能不同，縱向強度高于橫向?？v向與橫向和性能不同，縱向強度高于橫向。表表5-8 硼硼-鋁復合材料的縱向拉伸強度與溫度的關系，鋁復

40、合材料的縱向拉伸強度與溫度的關系，可得：可得：隨著溫度的升高，復合材料的拉伸強度和彈性模隨著溫度的升高，復合材料的拉伸強度和彈性模量下降。量下降。當纖維含量為當纖維含量為40%時，在時，在500時，拉伸強度還有時，拉伸強度還有500MPa。1000由表由表5-9 硼硼-鋁復合材料纖維中與基體的殘余應力，鋁復合材料纖維中與基體的殘余應力，可得：可得：在界面處產生較高的殘余應力，這是由于纖維的在界面處產生較高的殘余應力，這是由于纖維的縱向熱膨脹系數與基體的熱膨脹系數差別很大。縱向熱膨脹系數與基體的熱膨脹系數差別很大。應用：應用：Bf/Al是實際應用最早的金屬基復合材料。是實際應用最早的金屬基復合材

41、料。 在飛行器和航空發動機上應用可以獲得明顯的減重效在飛行器和航空發動機上應用可以獲得明顯的減重效果。也應用在體育器材上。果。也應用在體育器材上。Cf/Al 碳纖維的密度小，為碳纖維的密度小，為1.752.2 g/cm3，具有非常優異的，具有非常優異的力學性能，是目前作為金屬基復合材料增強體的高性力學性能，是目前作為金屬基復合材料增強體的高性能纖維中價格最便宜的一種。已成功地用于增強多種能纖維中價格最便宜的一種。已成功地用于增強多種金屬基體，其中用得最廣泛的就是增強鋁基體。金屬基體，其中用得最廣泛的就是增強鋁基體。制備上的一個問題：制備上的一個問題：Cf與液態鋁的浸潤性差，在高溫下相互之間容量

42、發生化與液態鋁的浸潤性差，在高溫下相互之間容量發生化學反應。學反應。怎么辦？怎么辦？在纖維表面進行處理，如鍍鉻、鍍銅或鍍鎳。在纖維表面進行處理，如鍍鉻、鍍銅或鍍鎳。 Cf對復合材料的力學性能影響很大，不同來源的對復合材料的力學性能影響很大，不同來源的Cf，其性能會有不同。由表其性能會有不同。由表5-10 液態金屬浸漬法制備液態金屬浸漬法制備的碳纖維增強鋁合金的拉伸強度，可得：的碳纖維增強鋁合金的拉伸強度，可得： Cf會與液態的鋁反應，生成：會與液態的鋁反應，生成：Al4C3石墨化的石墨化的Cf反應產物較少，未經高溫石墨化的反應產物較少，未經高溫石墨化的Cf會與液態鋁強烈反應。會與液態鋁強烈反應

43、。石墨化的石墨化的Cf增強的復合材料強度較高。增強的復合材料強度較高。應用：應用：航空航天事業航空航天事業網球拍架網球拍架SiCf/Al兩種兩種SiC纖維：纖維：有芯和無芯有芯和無芯有芯：化學氣相沉積，游離的有芯：化學氣相沉積，游離的C少，含氧量低，因此不少，含氧量低，因此不容易與鋁反應容易與鋁反應無芯：聚碳硅烷先驅體轉化法，較多無芯：聚碳硅烷先驅體轉化法，較多C和和O，較易與鋁，較易與鋁反應。反應。性能：性能：提高：抗拉強度、抗彎強提高：抗拉強度、抗彎強度、耐磨性度、耐磨性如圖如圖5-2 Nicalon SiC纖維纖維增強鋁基復合材料的強增強鋁基復合材料的強度與溫度的關系。度與溫度的關系。短

44、纖維增強鋁基復合材料短纖維增強鋁基復合材料增強體：增強體：Al2O3、硅酸鋁、硅酸鋁、 SiC等短纖維等短纖維制備方法：制備方法： 可采用傳統的金屬成形工藝：鑄、鍛、擠、軋等?？刹捎脗鹘y的金屬成形工藝：鑄、鍛、擠、軋等。性能：性能：室溫下：室溫下：Al2O3、硅酸鋁短纖維增強鋁基復合材料與基、硅酸鋁短纖維增強鋁基復合材料與基體相差不多。體相差不多。高溫下：復合材料明顯優于基體。高溫下：復合材料明顯優于基體。表表5-11和表和表5-12由表由表5-11可得：可得：在室溫下，添加氧化鋁短纖維的復合材料的屈服在室溫下，添加氧化鋁短纖維的復合材料的屈服強度和拉伸強度與基體相差不多，但彈性模量明強度和拉

45、伸強度與基體相差不多，但彈性模量明顯高于基體。顯高于基體。在高溫下，復合材料的強度均高于基體。隨著添在高溫下，復合材料的強度均高于基體。隨著添加量的增強，強度提高。加量的增強，強度提高。應用：應用：目前主要用于制造汽車發動機的零件：活塞鑲圈、目前主要用于制造汽車發動機的零件：活塞鑲圈、傳動齒輪等。傳動齒輪等。應用應用SiCp/AlSiCp/Al復合材料剎車盤復合材料剎車盤 航空發動機及其靜子葉片航空發動機及其靜子葉片美國正在研制顆粒增強耐熱鋁基復合材料，一旦開始生產，則將首先用于一級部分二級壓氣機，例如用作壓氣機靜子葉片。 普惠公司生產的普惠公司生產的PW4000PW4000航空發動機航空發動

46、機及其碳化硅顆粒增強鋁基復合材料及其碳化硅顆粒增強鋁基復合材料風扇出口導流葉片風扇出口導流葉片 v鈦及其合金具有高強度、低密度、低熱膨脹系數、鈦及其合金具有高強度、低密度、低熱膨脹系數、優良的耐高溫和耐蝕性等性能，是高性能結構材料的優良的耐高溫和耐蝕性等性能，是高性能結構材料的首選材料。首選材料。v鈦基復合材料鈦基復合材料(TMCs)具有比鈦合金更高的比強度和具有比鈦合金更高的比強度和比模量、極佳的耐疲勞和抗蠕變性能、以及優異的高比模量、極佳的耐疲勞和抗蠕變性能、以及優異的高溫性能和耐蝕性能，它克服了原鈦合金耐磨性和彈性溫性能和耐蝕性能，它克服了原鈦合金耐磨性和彈性模量低等缺點。模量低等缺點。

47、v可成型形狀復雜的零部件，減少了廢料和機加工損可成型形狀復雜的零部件，減少了廢料和機加工損耗。耗。v可用作高溫、高壓、酸、堿、鹽等條件下的結構材可用作高溫、高壓、酸、堿、鹽等條件下的結構材料，被認為是一種很有希望的新型復合材料。料，被認為是一種很有希望的新型復合材料。5.5 鈦基復合材料鈦基復合材料TMCS基體的選擇：基體的選擇： （高溫下的抗氧化性能）（高溫下的抗氧化性能）TiAl()基合金基合金鈦合金鈦合金Ti3Al(2)工業純鈦工業純鈦Ti2NbAl基合金（良好的塑性抗氧化性）基合金（良好的塑性抗氧化性） 工業純鈦不宜作纖維增強工業純鈦不宜作纖維增強TMCs的基體，因為它與的基體，因為它

48、與增強體特別是增強體特別是SiC纖維有強烈的反應。纖維有強烈的反應。顆粒增強鈦基復合材料顆粒增強鈦基復合材料體積分數為：體積分數為：520%連續纖維增強鈦基復合材料連續纖維增強鈦基復合材料體積分數為：體積分數為：3040%顆粒增強鈦基復合材料顆粒增強鈦基復合材料增強體：增強體： SiC、TiC、TiB2、TiB等顆粒等顆粒制備方法：制備方法： 固相法：粉末冶金并應用原位反應技術固相法：粉末冶金并應用原位反應技術 采用真空高溫活化燒結、真空熱壓及等靜壓等特殊采用真空高溫活化燒結、真空熱壓及等靜壓等特殊工藝。工藝。為什么要采用原位反應技術？為什么要采用原位反應技術？ 因為所有的強化劑與活性的因為所

49、有的強化劑與活性的Ti基都會發生界面反應基都會發生界面反應而形成一種或是多種化合物。而形成一種或是多種化合物。性能：性能：各向同性各向同性提高方面：提高方面：硬度、耐磨性、剛度、高溫強度好硬度、耐磨性、剛度、高溫強度好降低方面：降低方面：塑性、斷裂韌性、耐疲勞性能、室溫強度與基體相塑性、斷裂韌性、耐疲勞性能、室溫強度與基體相近或更差。近或更差。表表5-13由表由表5-13 TiC和和SiC顆粒增強鈦基復合材料的力學性能，顆粒增強鈦基復合材料的力學性能，可得：可得：室溫下，室溫下， TiC增強的增強的TMCS的拉伸強度與基體相近，的拉伸強度與基體相近，SiC顆粒增強顆粒增強TMCS拉伸強度比基體

50、還低。拉伸強度比基體還低。在高溫下，顆粒增強在高溫下，顆粒增強TMCS拉伸強度均比基體高。拉伸強度均比基體高?；w的斷裂伸長率均大于顆粒增強基體的斷裂伸長率均大于顆粒增強TMCS，這表示，這表示此復合材料的塑性與基體相比下降。此復合材料的塑性與基體相比下降。應用：應用：超高音速宇航飛行器和先進航空發動機超高音速宇航飛行器和先進航空發動機Ti-47Al-2V-7%TiB2作用導彈翼片作用導彈翼片汽車工業汽車工業連續纖維增強鈦基復合連續纖維增強鈦基復合材料材料增強體：增強體： SiC、TiC、 SiC包覆硼纖維、耐高溫的金屬纖維。包覆硼纖維、耐高溫的金屬纖維。制備方法：制備方法： 只能采用固相法合

51、成，后用熱等靜壓、真空熱壓鍛造只能采用固相法合成，后用熱等靜壓、真空熱壓鍛造方法壓實成形。方法壓實成形。表表5-14為連續纖維增強為連續纖維增強TMCS制備方法：制備方法： 交替疊軋法、等離子噴涂、高速物理氣相沉積法交替疊軋法、等離子噴涂、高速物理氣相沉積法性能：性能： 各向異性很強，橫向拉伸強度僅為縱向的各向異性很強，橫向拉伸強度僅為縱向的3045%，縱向拉伸強度比基體高得多?？v向拉伸強度比基體高得多。縱向：提高彈性模量、拉伸、蠕變強度縱向：提高彈性模量、拉伸、蠕變強度橫向：性能低于基體材料，這是由于載荷是由基材橫向：性能低于基體材料，這是由于載荷是由基材和基材與強化劑界面來承擔。和基材與強化劑界面來承擔。表表5-15、表、表5-16應用：應用：航天航空事業航天航空事業汽車工業：汽車工業： 日本豐田汽車公司開發了日本豐田汽車公司開發了TiB/Ti-4.3Fe