工程材料學_第7章-先進復合材料-2第一頁，共31頁。1、先進復合材料概述2、先進復合材料設計的基本原則3、先進復合材料的制備技術4、金屬基復合材料及其制備5、案例6、先進復合材料發展方向第二頁，共31頁。第四節金屬基復合材料及其制備金屬基復合材料相對于傳統的金屬材料來說，具有較高的比強度與比剛度；與樹脂基復合材料相比，具有優良的導電性與耐熱性；與陶瓷基材料相比，具有高韌性和高沖擊性能。金屬基復合材料（MMC）是以金屬或合金為基體，以金屬或非金屬線、絲、纖維、晶須或顆粒為增強相的非均質混合物，共同點是具有連續的金屬基體。第三頁，共31頁。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。作為飛行器和衛星的構件宜選用密度小的輕金屬合金—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/鎂、石墨/鋁、硼/鋁復合材料。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、氧化性氣氛中正常工作。選擇鈦合金、鎳合金以及金屬間化合物作為基體材料。如碳化硅/鈦、鎢絲/鎳基超合金復合材料可用于噴氣發動機葉片、轉軸等重要零件。第四頁，共31頁。金屬基復合材料的分類鋁基復合材料鎂基復合材料鈦基復合材料鎳基復合材料銅基復合材料基體顆粒增強金屬基復合材料短纖維、晶須增強金屬基復合材料長纖維強金屬基復合材料層狀復合材料增強體第五頁，共31頁。根據各種方法的基本特點，把金屬基復合材料的制備工藝分為四大類：(1)固態法：擴散結合和粉末冶金；(2)液態法：鑄造法、壓鑄法、半固態復合鑄造、液態滲透以及攪拌法和無壓滲透法等；(3)噴射與噴涂沉積法；(4)原位復合法：共晶合金定向凝固法、直接金屬氧化法、反應自生成法。金屬基復合材料的制備工藝第六頁，共31頁。固態法——擴散結合擴散結合是在一定溫度和壓力下，把均勻排布的基體箔片或（復合）先驅絲通過基體金屬表面原子的相互擴散而連接在一起。。擴散結合成為一種制造連續纖維增強金屬基復合材料的傳統工藝方法。（B/Al、SiC/Al、SiC/TiC/Al、C/Mg等復合材料零部件、管材及板材。

）擴散結合工藝中，增強纖維與基體的結合主要分為三個關鍵步驟：①纖維的排布；②復合材料的疊合和真空封裝；③熱壓。第七頁，共31頁。8采用擴散結合方式制備金屬基復合材料，工藝相對復雜，工藝參數控制要求嚴格，纖維排布、疊合以及封裝手工操作多，成本高。但擴散結合是連續纖維增強并能按照鋪層要求排布的唯一可行的工藝。在擴散結合工藝中，增強纖維與基體的濕潤問題容易解決，而且在熱壓時可通過控制工藝參數的辦法來控制界面反應。在金屬基復合材料的早期生產中大量采用擴散結合工藝。擴散結合的特點第八頁，共31頁。固態法——粉末冶金將金屬或非金屬粉末混合后壓制成形，并在低于金屬熔點的溫度下進行燒結，利用粉末間原子擴散來使其結合的過程被稱做粉末冶金工藝。

粉末冶金可用于短纖維、顆粒或晶須增強的金屬基復合材料。工藝是：采用超聲波或球磨等方法將金屬粉末與增強體混勻，然后冷壓預成型，得到復合坯件，最后通過熱壓燒結致密化獲得復合材料成品。第九頁，共31頁。10

①熱等靜壓或燒結溫度低于金屬熔點，由于高溫引起的增強材料與金屬基體的界面反應少，減小了界面反應對復合材料性能的不利影響。同時可以通過熱等靜壓或燒結時的溫度、壓力和時間等工藝參數來控制界面反應。

②可根據性能要求，使增強材料（纖維、顆粒或晶須）與基體金屬粉末以任何比例混合，纖維含量最高可達75%，顆粒含量可達50%以上，這是液態法無法達到的。粉末冶金法的特點③降低增強材料與基體互相濕潤及密度差的要求，使顆粒或晶須均勻分布在金屬基復合材料的基體中。④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，可使孔隙和其他內部缺陷得到明顯改善，提高復合材料的性能。⑤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，得到所需形狀的復合材料構件毛坯。第十頁，共31頁。液態法——壓鑄法在壓力的作用下，將液態或半液態金屬以一定速度充填壓鑄模型腔或增強材料預制體的空隙中，在壓力下快速凝固成型。

與固態法相比，液態法的工藝及設備相對簡便易行，與傳統金屬材料的成型工藝，如鑄造、壓鑄等方法過程相似，制備成本較低。第十一頁，共31頁。液態法——壓鑄法在壓力的作用下，將液態或半液態金屬以一定速度充填壓鑄模型腔或增強材料預制體的空隙中，在壓力下快速凝固成型。

與固態法相比，液態法的工藝及設備相對簡便易行，與傳統金屬材料的成型工藝，如鑄造、壓鑄等方法過程相似，制備成本較低。液態壓鑄半固態壓鑄第十二頁，共31頁。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用下，液態金屬被分散為細小的液滴，形成所謂“霧化錐”；通過一個或多個噴咀向“霧化錐”噴射入增強顆粒，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料。噴射沉積法第十三頁，共31頁。①工藝流程短，工序簡單，噴射沉積效率高，有利于工業化生產；②高致密度，直接沉積的復合材料密度一般可達到理論的95%-98%；③屬快速凝固方法，冷速可達103-106K/s，金屬晶粒及組織細化，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，很少或沒有界面反應；④具有通用性和產品多樣性。工藝適于多種金屬材料基體，如高、低合金鋼、鋁及鋁合金、高溫合金等。通過設計霧化器和收集器的形狀和一定的機械運動，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。噴射沉積法的特點第十四頁，共31頁。在反應自生成法中，增強材料是由加入基體中的相應元素之間的反應，或者合金熔體中的某種組分與加入的元素或化合物之間反應生成的。是新近發展起來的技術，主要用于制造金屬間化合物復合材料。包括Al、Ti、Fe、Cu、Pb和Ni基復合材料，還可以是TiAl、Ti3Al和NiAl等金屬化合物基復合材料。增強相包括硼化物、氮化物和碳化物等，其形態可以是顆粒、片晶和桿狀，還可以原位生成晶須。原位自生成法第十五頁，共31頁。例如，一定粒度的鋁粉、鈦粉和硼粉以一定比例混合成型，加熱后反應生成TiB2，進而形成TiB2增強的鋁基復合材料。Al+Ti+B→TiB2+Al

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。如在熔融的Al-Ti合金中導入載碳氣體，反應生成TiC，進而形成TiC增強鋁基復合材料。反應自生成法的工藝Al+Ti+C→TiC+Al第十六頁，共31頁。①增強相是原位形成，具有高熱穩定性；②增強相的類型、形態可以選擇和設計；③各種金屬或金屬間化合物均可作為基體；④復合材料可以采用傳統金屬的加工方法進行二次加工。反應自生成法的特點第十七頁，共31頁。常用的金屬基復合材料制備工藝第十八頁，共31頁。金屬基復合材料工藝研究內容金屬基體與增強材料的結合和結合方式；金屬基體/增強材料界面和界面產物在工藝過程中的形成及控制；增強材料在金屬基體中的分布；防止連續纖維在制備工藝過程中的損傷；優化工藝參數，提高復合材料的性能和穩定性，降低成本。

第十九頁，共31頁。1、金屬基復合材料的界面

類型1類型2類型3纖維與基體互不反應亦不溶解纖維與基體互不反應但相互溶解纖維與基體反應形成界面反應層鎢絲/銅Al2O3

纖維/銅Al2O3

纖維/銀硼纖維（BN表面涂層）/鋁不銹鋼絲/鋁SiC纖維/鋁硼纖維/鋁硼纖維/鎂鍍鉻的鎢絲/銅碳纖維/鎳鎢絲/鎳合金共晶體絲/同一合金鎢絲/銅–鈦合金碳纖維/鋁（

580C）Al2O3

纖維/鈦硼纖維/鈦硼纖維/鈦-鋁SiC纖維/鈦SiO2

纖維/鈦機械結合浸潤與溶解結合化學反應結合金屬基復合材料的界面和界面設計

第二十頁，共31頁。在金屬基復合材料中，需要在增強相和基體界面上建立一定的結合力。在不同的界面結合受載時，如結合太弱，纖維大量拔出，強度低；結合太強，纖維受損，材料脆斷，既降低強度，又降低塑性。只有界面結合適中的復合材料才呈現高強度和高塑性。2、金屬基復合材料的界面結合改善增強體與基體的潤濕性以及控制界面反應的速度和反應產物的數量，防止嚴重危害復合材料性能的界面或界面層的產生，進一步進行復合材料的界面設計，是金屬基復合材料界面研究的重要內容。從界面優化的觀點來看，增強體與基體的在潤濕后又能發生適當的界面反應，達到化學結合，有利于增強界面結合，提高復合材料的性能。

第二十一頁，共31頁。界面優化以及界面設計一般有以下幾種途徑：1增強劑的表面改性處理（1）改善增強劑的力學性能（保護層）；（2）改善增強劑與基體的潤濕性和粘著性（潤濕層）；（3）防止增強劑與基體之間的擴散、滲透和反應（阻擋層）；（4）減緩增強劑與基體之間因彈性模量、熱膨脹系數等的不同以及熱應力集中等因素所造成的物理相容性差的現象（過渡層、匹配層）。常用的增強材料的表面（涂層）處理方法有：PVD、CVD、電化學、溶膠-凝膠法等。第二十二頁，共31頁。2金屬基體改性（添加微量合金元素）

在金屬基體中添加某些微量合金元素以改善增強劑與基體的潤濕性或有效控制界面反應。（1）控制界面反應。如在純鈦中加入合金元素Al、Mo、V、Zr等可顯著減小鈦合金與硼纖維的反應速度常數。（2）增加基體合金的流動性，降低復合材料的制備溫度和時間。如采用液態浸滲法制備鋁基復料時，在鋁液中加入一定量的Si元素，明顯地降低了鋁合金的熔點、提高了鋁液的流動性，因而降低了復合材料的浸滲溫度。

（3）改善增強劑與基體的潤濕性。如將3%的合金元素鎂作為活性元素添加到鋁中后，可使液態鋁的表面能下降。第二十三頁，共31頁。第五節常見金屬基復合材料Al2O3/SiO2/Al復合材料原位自生成：Al+SiO2Al2O3+Si第二十四頁，共31頁。第五節常見金屬基復合材料拉伸曲線Al2O3/SiO2/Al復合材料硬度第二十五頁，共31頁。第五節常見金屬基復合材料Cu/C/Ti3SiC2/CNFs復合材料粉末冶金法制備不同石墨烯復合材料金相圖第二十六頁，共31頁。第五節常見金屬基復合材料Cu/C/Ti3SiC2/CNFs復合材料抗拉強度磨損率材料

純銅Ti3SiC2/石墨/Cu復合材料CNTs/Ti3SiC2/石墨/Cu復合材料CNFs/Ti3SiC2/石