關于金屬基復合材料2

金屬基復合材料是指以金屬及其合金為基體，一種或幾種金屬或非金屬為增強相，人工結合成的復合材料。組成復合材料的各種分材料稱為組分材料，組分材料一般不發生作用，均保持各自的特性獨立存在。在結構材料方面，不但要求強度高，還要求其重量要輕，尤其是在航空航天領域。

一、金屬基復合材料概述第2頁,共66頁，星期六，2024年，5月3金屬基復合材料(MetalMatrixComposite,MMC)，這一術語包括很廣的成分與結構，共同點是有連續的金屬基體（包括金屬間化合物基體）。目的：把基體的優越的塑性和成形性與增強體的承受載荷能力及剛性結合起來。把基體的高熱傳導性與增強體的低熱膨脹系數結合起來。第3頁,共66頁，星期六，2024年，5月4

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；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；與陶瓷基材料相比，它又具有高韌性和高沖擊性能。第4頁,共66頁，星期六，2024年，5月按增強體類型分顆粒增強金屬基復合材料層狀增強復合材料纖維（長短及晶須）增強金屬基復合材料

金屬基復合材料是以金屬或合金為基體，以高性能的第二相為增強體的復合材料。金屬基復合材料品種繁多，有各種分類方式，歸納為以下3種：二、金屬基復合材料的分類及性能

第5頁,共66頁，星期六，2024年，5月（1）、顆粒增強金屬基復合材料

顆粒增強復合材料是指增強相為彌散分布的顆粒體，顆粒直徑和顆粒間距較大，一般大于1微米。在這種復合材料中，增強相是主要的承載相，而基體的作用則在于傳遞載荷。顆粒增強復合材料的強度通常取決于增強顆粒的直徑和體積分數，同時還與基體性質，顆粒與基體的界面及顆粒排列的形狀密切相關。第6頁,共66頁，星期六，2024年，5月(2)、層狀增強復合材料

層狀復合材料是指在韌性和成型性較好的金屬基體材料中，含有重復排列的高強度、高模量片層狀增強物的復合材料。

由于薄片增強的強度不如纖維增強相高，因此層狀結構復合材料的強度受到了限制。然而，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，這與纖維單向增強的復合材料相比具有明顯的優越性。第7頁,共66頁，星期六，2024年，5月(3)、纖維（長短及晶須）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長纖維、短纖維和晶須，它們均屬于一維增強體。因此，由纖維增強的復合材料均表現出明顯的各向異性特征。短纖維和晶須在基體中為隨機分布，因而性能在宏觀上表現為各向同性。第8頁,共66頁，星期六，2024年，5月纖維增強金屬基復合材料金屬的熔點高，故高強度纖維增強后的金屬基復合材料（MMC）可以使用在較高溫的工作環境之下。常用的基體金屬材料有鋁合金、鈦合金和鎂金。作為增強體的連續纖維主要有硼纖維、SiC和C纖維；Al2O3纖維通常以短纖維的形式用于MMC中。第9頁,共66頁，星期六，2024年，5月金屬基復合材料纖維選擇要點

?高強度、高模量。（明顯高于金屬基體）

?耐熱性高（如：KF不宜選用）

?價格低（比較突出的制約因素）

?相容性好（膨脹系數相近，高溫惰性）第10頁,共66頁，星期六，2024年，5月11按基體材料分類：鋁基復合材料鎂基復合材料鈦基復合材料 金屬間化合物基復合材料目前以鋁基、鎂基、鈦基復合材料發展較為成熟，已在航天、航空、電子、汽車等工業中應用。第11頁,共66頁，星期六，2024年，5月按用途分（1）、結構復合材料（2）、功能復合材料（3）、智能復合材料第12頁,共66頁，星期六，2024年，5月結構復合材料：高比強度、高比模量、尺才穩定性、耐熱性等是其主要性能特點。用于制造各種航天、航空、汽車、先進武器系統等高性能結構件。功能復合材料：高導熱、導電性、低膨脹、高阻尼、高耐磨性等物理性能的優化組合是其主要特性。化學性能包括抗氧化性和耐腐蝕性等，用于電子、儀器、汽車等工業。智能復合材料：強調具有感覺、反應、自監測、自修復等特性。

應當注意，功能復合材料和智能復合材料容易混淆。第13頁,共66頁，星期六，2024年，5月MMC的性能特征MMC的性能取決于所選組分的特性、含量、分布等。通過優化組合可以具有金屬特性，又有較好綜合性能的MMC。歸納起來MMC有以下性能特點：高比強度、高比模量導熱、導電性能熱膨脹系數小、尺寸穩定性好良好的高溫性能耐磨性好良好的斷裂韌性和抗疲勞性能不吸潮、不老化、氣密性好第14頁,共66頁，星期六，2024年，5月金屬基復合材料的性能特點（1）、高比強度、比模量

在金屬基體中加入適量的高強度，高模量，低密度的纖維，晶須及顆粒等增強體，顯著提高了復合材料的比強度，比剛度和比模量。在金屬中加入高性能，低密度的增強體，可使復合材料的比強度，比模量成倍增加。采用高比強度，高比模量的金屬基復合材料制成的構件相對密度輕，強度高，剛性好，是航空，航天領域中的理想材料。

第15頁,共66頁，星期六，2024年，5月（2）、導熱導電性能

雖然有的增強體為絕緣體，但在復合材料中占很小份額，基體導電及導熱性并未被完全阻斷，金屬基復合材料仍具有良好的導電與導熱性。為了解決高集成度電子器件的散熱問題，現已研究成功的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、金剛石顆粒增強鋁基、銅基復合材料的熱導率比純鋁、銅還高，用它們制成的集成電路底板和封裝件可有效迅速地把熱量散去，提高了集成電路的可靠性。第16頁,共66頁，星期六，2024年，5月（3）、熱膨脹系數小、尺寸穩定性好

金屬基復合材料中的碳纖維、碳化硅纖維、晶須、顆粒、硼纖維等均具有很小的熱膨脹系數，又具有很高的模量，特別是高模量、超高模量的石墨纖維具有負的熱膨脹系數。加入相當含量的增強物不僅大幅度提高材料的強度和模量，也使其熱膨脹系數明顯下降，并可通過調整增強物的含量獲得不同的熱膨脹系數，以滿足各種應用的要求。例如，石墨纖維增強鎂基復合材料，當石墨纖維含量達到48％時，復合材料的熱膨脹系數為零，在溫度變化時使用這種復合材料做成的零件不發生變形。第17頁,共66頁，星期六，2024年，5月（4）、良好的高溫性能

由于金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，增強材料主要是無機物，在高溫下又都具有很高的高溫強度和模量，因此金屬基復合材料比基體金屬具有更高的高溫性能。如石墨纖維增強鋁基復合材料在500℃高溫下，仍具有600MPa的高溫強度，而鋁基體在300℃強度已下降到100MPa以下。又如鎢纖維增強耐熱合金，在1100℃，100h高溫持久強度為207MPa，而基體合金的高溫持久強度只有48MPa。因此金屬基復合材料被選用在發動機等高溫零部件上，可大幅度提高發動機的性能和效率。第18頁,共66頁，星期六，2024年，5月（5）、良好的耐磨性

金屬基復合材料，尤其是陶瓷纖維、晶須、顆粒增強金屬基復合材料具有很好的耐磨性。如碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的耐磨性比基體金屬高出2倍以上；與鑄鐵比較，SiCp／Al復合材料的耐磨性比鑄鐵還好。可用于汽車發動機、剎車盤、活塞等重要零件，能明顯提高零件的性能和使用壽命。第19頁,共66頁，星期六，2024年，5月（6）、良好的斷裂韌性和抗疲勞性能

金屬基復合材料的斷裂韌性和抗疲勞性能取決于增強物與金屬基體的界面結合狀態，增強物在金屬基體中的分布以及金屬基體、增強物本身的特性，特別是界面狀態，適中的界面結合強度既可有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的形成與擴展和位錯運動，提高材料的斷裂韌性。

第20頁,共66頁，星期六，2024年，5月（7）、不吸潮、不老化、氣密性好

與聚合物相比金屬基復合材料性質穩定、組織致密，不老化、分解、吸潮等，也不會發生性能的自然退化，這比聚合物基復合材料好，在太空使用不會分解出低分子物質污染儀器和環境，有明顯的優越性。第21頁,共66頁，星期六，2024年，5月鋁木復合板銅包鋼導線鎳/不銹鋼鈦/銅復合陶瓷/鋼復合管鋁蜂窩復合板金屬基復合材料實例第22頁,共66頁，星期六，2024年，5月航空航天工業中需要大型的、重量輕的結構材料，例如波音747大型運輸機、遠距離通信天線、巨型火箭及宇航飛行器等。在設計這些結構時，問題之一就涉及到平方—立方尺寸關系，即結構的強度與剛度隨其尺寸的平方增加．而重量卻隨其線尺寸的立方增加。所以，假若要保證大型結構的機動性和高效率，就需要更完善的設計和更好的材料。三、鋁基復合材料第23頁,共66頁，星期六，2024年，5月

鋁基復合材料是在金屬基復合材料中應用得最廣的一種。由于鋁的基體為面心立方結構，因此具有良好的塑性和韌性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及價格低廉等優點，為其在工程上應用創造了有利的條件。

在制造鋁基復合材料時，通常并不是使用純鋁而是用各種鋁合金。第24頁,共66頁，星期六，2024年，5月鋁基復合材料大型運載工具的首選材料。如波音747、757、767常用：B/Al、C/Al、SiC/AlSiC纖維密度較B高30％，強度較低，但相容性好。C纖維紗細，難滲透浸潤，抗折性差，反應活性較高。基體材料可選變形鋁、鑄造鋁、焊接鋁及燒結鋁。它們塑性好制備鋁薄容易。第25頁,共66頁，星期六，2024年，5月

基體與增強體鋁基復合材料的增強體主要有3種：長纖維，晶須和顆粒；基體主要有純鋁及其合金。基體合金的種類較多，主要有兩大類：變形合金和鑄造合金。第26頁,共66頁，星期六，2024年，5月

(1)、長纖維增強鋁基復合材料

長纖維對鋁基體的增強方式可以以單向纖維、二維織物和三維織物存在。長纖維增強鋁基復合材料主要有：Bf／Al、Cf／Al、SiCf／Al、Al203f／Al和不銹鋼絲／Al等。

Bf／Al復合材料

硼纖維是在鎢或碳絲化學氣相沉積而形成的單絲，直徑較粗(100～140μm)，因而在工藝上較易制造。

第27頁,共66頁，星期六，2024年，5月

纖維含量越高，其拉伸強度的變化。

硼-鋁復合材料的耐高溫性突出。第28頁,共66頁，星期六，2024年，5月

硼-鋁復合材料中由于纖維的縱向熱膨脹系數與基體的熱膨脹系數差別較大，因此在界面會產生較高的殘余應力。第29頁,共66頁，星期六，2024年，5月Bf／Al復合材料的制造復合材料的制造包括將復合材料的組分組裝并壓合成適于制造復合材料零件的形狀。常用的工藝有兩種:一、纖維與基體的組裝壓合和零件成型同時進行;二、先加工成復合材料的預制品，然后再將預制品制成最終形狀的零件。前一種工藝類似于鑄件，后一種則類似于先鑄錠然后再鍛成零件的形狀。第30頁,共66頁，星期六，2024年，5月

Cf／Al復合材料

碳纖維密度小，具有優異的力學性能，是目前可作金屬基復合材料增強物的高性能纖維中價格最便宜的一種，它們與很多種金屬基體復合，制成了高性能的金屬基復合材料。但是由于碳(石墨)纖維與液態鋁的浸潤性差，高溫下相互之間又容易發生化學反應，生成嚴重影響復合材料性能的化合物。人們采取了多種纖維表面處理方法來解決這個問題，比如在碳纖維表面鍍鉻、銅等。第31頁,共66頁，星期六，2024年，5月

碳纖維對復合材料的力學性能影響很大。表5-10是液態金屬浸漬法制備的碳纖維增強鋁合金的拉伸強度。最后一項是碳與鋁反應產物的數量。表中前4種纖維都是經高溫石墨化處理的石墨纖維，它們與鋁的反應產物Al4C3的量較少，拉伸強度較高。最后一種纖維是未經高溫石墨化處理的碳纖維，它與鋁的反應產物Al4C3的量很高，其拉伸強度大大下降。因此，未經高溫石墨化處理的碳纖維是不適宜作鋁基體的增強物，除非經過表面處理。第32頁,共66頁，星期六，2024年，5月

（2）短纖維增強鋁基復合材料

與長纖維相比，短纖維增強鋁基復合材料具有增強體來源廣、價格低、成形性好等優點，可采用傳統的金屬成形工藝如鑄、鍛、擠、軋等，而且材料的性能是各向同性的。可用做鋁基復合材料增強物的短纖維有氧化鋁、硅酸鋁和碳化硅等。第33頁,共66頁，星期六，2024年，5月

氧化鋁和硅酸鋁短纖維增強鋁基復合材料的室溫拉伸強度并不比基體合金高，但它們的高溫強度明顯優于基體，彈性模量在室溫和高溫都有較大的提高，熱膨脹系數減小，耐磨性能得到改善。第34頁,共66頁，星期六，2024年，5月纖維增強復合材料的強度和剛性與纖維方向密切相關。纖維無規排列時，能獲得基本各向同性的復合材料。均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性。纖維采用正交編織，相互垂直的方向均具有好的性能。纖維采用三維編織，可獲得各方向力學性能均優的材料。

纖維在基體中的不同分布方式第35頁,共66頁，星期六，2024年，5月36層狀復合材料層狀復合材料是指在基體中含有多重層片狀高強高模量增強物的復合材料。這種材料是各向異性的(層內兩維同性)。如碳化硼片增強鈦、膠合板等。層狀陶瓷復合材料斷口形貌三明治復合第36頁,共66頁，星期六，2024年，5月雙金屬、表面涂層等也是層狀復合材料。結構層狀材料根據材質不同，分別用于飛機制造、運輸及包裝等。

有TiN涂層的高爾夫球頭層狀復合鋁合金蜂窩夾層板第37頁,共66頁，星期六，2024年，5月3、顆粒(晶須)增強鋁基復合材料

主要使用的有SiC、Al2O3顆粒(晶須)增強鋁基復合材料。SiC顆粒(晶須)增強鋁基復合材料具有良好的力學性能和耐磨性能。隨著SiC含量的增加，其熱膨脹系數降低，并低于基體。這些復合材料的韌性低于基體，但高于連續纖維增強鋁基復合材料，而且其剛度比基體提高很多。由于SiC的硬度很高，使得這種復合材料的硬度大大提高，其耐磨性也相應大大提高。第38頁,共66頁，星期六，2024年，5月

復合材料的拉伸強度和彈性模量比基體高，且隨著SiC晶須含量的增加，其拉伸強度和彈性模量均有較大升高。第39頁,共66頁，星期六，2024年，5月

第40頁,共66頁，星期六，2024年，5月

在鋁合金中加入脆性的SiC顆粒或晶須，其斷裂韌性下降很多。顆粒：particle晶須：whisker纖維：fiber在鋁合金中加入脆性的SiC顆粒，其耐磨性增加很多。第41頁,共66頁，星期六，2024年，5月

硼-鋁復合材料可用作中子屏蔽材料，還可用來制造廢核燃料的運輸容器和儲存容器、可移動防護罩、控制桿、噴氣發動機風扇葉片、飛機機翼蒙皮、飛機起落架部件、自行車架、高爾夫球桿等。碳纖維增強鋁基復合材料用在飛機上，如它使用在F-15戰斗機上，使其質量減輕20％～30％。用碳纖維增強鋁合金管材還可制作網球拍架。氧化鋁纖維增強鋁基復合材料最成功的應用是用來制造柴油發動機的活塞。鋁基復合材料的應用第42頁,共66頁，星期六，2024年，5月鋁基復合材料的二次加工二次加工是指對基本的復合材料型件如平板、梁和管等所進行的加工、包括成型、連接機械加工和熱處理等工藝過程。第43頁,共66頁，星期六，2024年，5月1．成型

硼—鋁復合材料的成型涉及到它的組分——強而近于脆性的纖維和軟而延性的鋁。纖維在室溫拉伸實驗時具有完全彈性的應力—應變特性，在高溫下具有很高的抗蠕變能力，不會有什么塑性延伸。由于纖維對復合材料的束縛，使得材料的最大軸向斷裂延伸率小于1％，致使零件的加工制造在很多情況下是在復合材料熱壓過程中用易于彎曲的預制板加工成最終形狀的。第44頁,共66頁，星期六，2024年，5月2．連接

硼鋁復臺材料與承載結構的附件的連接是復合材料應用中最重要的工程領域之一。硼—鋁復合材料的連接技術是基于鋁的連接而并不考慮硼同硼連接。其目的是想要得到高剪切強度的基體連接而不使復合材料的機械性能降低。連結工藝包括固態擴散結合。焊接：標準的焊接工藝是把焊箔放入需要連接的零件之間并在接觸壓力下進行爐中焊。機械固定和膠接也是復合材料的有效連接力法。第45頁,共66頁，星期六，2024年，5月MMC雖強度和彈性模量（剛度）增加，但塑性和韌性因使用陶瓷纖維而有所降低。這在一定程度上限制了MMC的應用范圍。航天飛機內MMC(Al/B纖維)桁架第46頁,共66頁，星期六，2024年，5月以陶瓷顆粒、纖維或晶須作為增強體，可制成鎂基復合材料，集超輕、高比剛度、高比強度于一身，該類材料比鋁基復合材料更輕，具有更高的比強度和比剛度將是航空航天優選材料。四

、鎂基復合材料第47頁,共66頁，星期六，2024年，5月鎂基復合材料特點：鎂、鎂合金及其鎂基復合材料的密度一般小于1.8，僅為鋁或鋁基復合材料的66%左右，是密度最小的MMC之一，而且具有更高的比強度、比剛度以及優良的力學和物理性能。鎂基MMC常用基體合金：純鎂強度較低，不適合用作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、和稀土金屬等。第48頁,共66頁，星期六，2024年，5月鎂基MMC的增強體基本要求：與基體有良好的物理、化學相容性，盡量避免增強體與基體之間的界面反應，浸潤性好。常用的增強體：C纖維、SiC晶須和顆粒、B4C顆粒等。C與純鎂不反應，但與鎂合金中的Al、Li等反應，可生成碳化鋁、碳化鋰等化合物，嚴重損傷C纖維，需在C纖維表面進行涂層保護。研究表明：SiC、B4C纖維、晶須、顆粒是鎂基MMC的合適增強體。第49頁,共66頁，星期六，2024年，5月鎂基MMC的性能顆粒增強鎂基MMC的抗拉強度與基體差不多，但耐磨性和耐溫性提高。晶須增強鎂基MMC的抗拉強度和模量都有所提高。纖維增強鎂基MMC的抗拉強度和彎曲強度提高很多。第50頁,共66頁，星期六，2024年，5月鎂基MMC的制備表5-9幾種主要鎂合金基MMC制備方法第51頁,共66頁，星期六，2024年，5月鎂基MMC的應用汽車制造：方向盤減震軸、活塞環、支架、變速箱外殼等；通訊電子：手機、便攜式電腦等的外殼機械工業：SiC晶須增強鎂基MMC用于制造齒輪，SiC顆粒增強鎂基MMC耐磨性好可用于制造油泵的殼體、止推板、安全閥等。第52頁,共66頁，星期六，2024年，5月五、鈦基復合材料（TMC）特性：鈦合金：密度4.3～5.1，模量80～130GPa，有較高的比強度和比剛度，鈦的熔點高，強度能保持到高溫（使用溫度<800℃)，抗氧化和抗化學腐蝕性能好。TMC：比鈦合金更高的比強度、比模量，極佳的耐疲勞、抗蠕變性能，優異的高溫性能和耐腐蝕性能，并克服了鈦合金耐磨性和彈性模量低等缺點。類型：顆粒增強、連續纖維增強鈦基MMC。相容性問題：幾乎所有增強體與活性Ti基體發生界面反應形成一種或多種化合物。因為所有TMC在制造和熱加工過程中，都要經歷800～1200℃的高溫暴露，不可避免地發生界面反應。界面反應退化問題：采用對增強纖維涂層處理。第53頁,共66頁，星期六，2024年，5月顆粒增強TMC特點：加工制造工藝比較經濟、簡便。常用工藝—精密鑄造、粉末冶金、鍛造、擠壓、軋制等都可以用于加工TMC。性能：鈦和鈦合金中加入顆粒增強劑后，TMC的硬度、耐磨性能、剛度、耐高溫性能得到明顯改善，而塑性、斷裂韌性和耐疲勞強度有所下降，室溫拉伸強度與基體相近或低于基體。第54頁,共66頁，星期六，2024年，5月連續纖維增強TMC特點：具有較高的工作溫度600～1000℃），高抗腐蝕性和抗損傷性。但比重較高（工業純鈦密度4.51），制造困難和成本高。力學性能：縱向強度和彈性模量提高很大，但橫向性能較低。第55頁,共66頁，星期六，2024年，5月連續纖維增強TMC的力學性能第56頁,共66頁，星期六，2024年，5月鈦基復合材料

鈦及其合金是比強度、比剛度最好的基材，耐蝕性和耐高溫性也很好，易做耐熱件。（低于相變溫度）但鈦薄難制，化學活性高，與C纖維和B纖維反應生成TiC和TiB2白亮層。解決辦法：

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高速工藝----縮短高溫停留時間

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低溫工藝----850℃熱壓15分鐘

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表面包覆----涂SiC

?

合金化----提高基體穩定性第57頁,共66頁，星期六，2024年，5月TMC的應用利用TMC的耐高溫性能，制造耐高溫構件。美國SiC纖維增強TMC用于航天飛機的機翼、機身的蒙皮、支撐梁及加強筋；導彈尾翼、汽車發動機氣門閥、連桿等。第58頁,共66頁，星期六，2024年，5月六、金屬基復合材料的制備工藝

金屬基復合材料的制備工藝種類繁多，主要根據基體與增強體的性質決定，基體的選擇一般有3條原則：

1）復合材料的使用要求這是選擇基體材料的主要依據。

2）復合材料的組成特點不同的增強體對基體的選擇影響較大。

3）復合材料的界面相容性復合材料的界面相容性包括增強體與基體間的物理相容性和化學相容性。

第59頁,共66頁，星期六，2024年，5月

金屬基復合材料制造方法及關鍵技術

金屬基復合材料的制備方法根據增強體產生的方式不同可以分為內生型法和外生型法兩種。內生型法是指增強體通過組分材料間放熱反應在基體中產生，增強體的表面無污染，與基體的界面干凈，結合強度高，化學穩定性好，且反應放熱還可以使揮發性雜志離開基體，起到凈化基體的作用。又稱原位反應法，包括自蔓延燃燒反應法，