《金屬基復合材料》PPT課件

1、1金屬基復合材料2隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，人們對材科的要求越來越高。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。金屬基復合材料正是為了滿足上述要求而誕生的。一、金屬基復合材料概述3金屬基復合材料(MMC)，這一術語包括很廣的成分與結構，共同點是有連續(xù)的金屬基體（包括金屬間化合物基體）。目的：把基體的優(yōu)越的塑性和成形性與強化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強化體的低熱膨脹系數(shù)結合起來。4金屬基復合材料相對于傳統(tǒng)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(yōu)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

2、性能。5金屬基復合材料的例子可追溯到古文明時期。在土耳其發(fā)現(xiàn)的公元前7000年的銅錐子，它是經(jīng)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。彌散強化金屬材料：始于1924年，Schmit關于鋁氧化鋁粉末燒結，導致上世紀50及60年代的廣泛研究。沉淀強化的理論開始于30年代，并在以后的幾十年里得到了發(fā)展。6金屬基復合材料真正的起步是在20世紀50年代末或60年代初。美國國家航空和宇航局(NASA)成功地制備出W絲增強的Cu基復合材料，成為金屬基復合材料研究和開發(fā)的標志性起點。隨后，對纖維金屬基復合材料的研究在20世紀60年代迅速發(fā)展起來。那時，主要的力量集中在以鎢和硼纖維增強的鋁和

3、銅為基的系統(tǒng)。在這種復合材料里，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(shù)一般都很高(約40-80)，得出的軸向性能都很好，因而基體的組織與強度似乎是次要的。7關于連續(xù)纖維增強的復合材料的研究在70年代里有點滑坡，主要歸咎干該材料的昂貴價格和受生產(chǎn)制造的限制。渦輪發(fā)動機的各個部件對于高溫高效性材料的不斷需求，觸發(fā)了對金屬基復合材科特別是鈦基材料的廣泛興趣的復蘇。8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用，今后也將在航空航天領域占據(jù)重要位置。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在日本的民用領域

4、得到較好的應用。9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、復合材料的設計和性能；2）增強相/基體的界面優(yōu)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；4）新型增強劑的研究開發(fā)；5）復合材料的擴大應用。 10一、金屬基復合材料概述金屬基復合材料的分類按增強材料分類： 顆粒、晶須增強金屬基復合材料纖維增強金屬基復合材料11金屬基粒子復合材料又稱金屬陶瓷，是由鈦、鎳、鈷、鉻等金屬與碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等組成的非均質(zhì)材料。碳化物金屬陶瓷作為工具材料已被廣泛應用，稱作硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金通常以Co、Ni作為粘結劑，WC、TiC等作為強化相。 硬質(zhì)合金組織(

5、Co+WC)硬質(zhì)合金銑刀12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(huán)境之下。常用的基體金屬材料有鋁合金、鈦合金和鎂合金。作為增強體的連續(xù)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。MMC的SEM照片13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高溫合金基復合材料金屬間化合物基復合材料14按用途分類：結構復合材料：高比強度、高比模量、尺才穩(wěn)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(tǒng)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

6、性能的優(yōu)化組合是其主要特性，用于電子、儀器、汽車等工業(yè)。強調(diào)具有電、熱、磁等功能特性智能復合材料：強調(diào)具有感覺、反應、自監(jiān)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。15二、金屬基復合材料的制備工藝 1、金屬基復合材料制備工藝的選擇原則：1）基體與增強劑的選擇，基體與增強劑的結合；2）界面的形成機制，界面產(chǎn)物的控制及界面設計； 3）增強劑在基體中的均勻分布； 4 ）制備工藝方法及參數(shù)的選擇和優(yōu)化；5）制備成本的控制和降低，工業(yè)化應用的前景。16金屬基復合材料是怎么得到的？17金屬基復合材料制備工藝的分類：1）固態(tài)法：真空熱壓擴散結合、超塑性成型 / 擴散結合、模壓、熱等靜

7、壓、粉末冶金法。2）液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態(tài)鑄造。3）噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成型。4）原位生長法。 18連續(xù)增強相金屬基復合材料的制備工藝鋁合金 固態(tài)、液態(tài)法鎂合金 固態(tài)、液態(tài)法鈦合金 固態(tài)法高溫合金 固態(tài)法金屬間化合物 固態(tài)法碳纖維硼纖維SiC纖維Al2O3纖維19不連續(xù)增強相金屬基復合材料的制備工藝 鋁合金 固態(tài)、液態(tài)、原位生長、噴射成型法鎂合金 液態(tài)法鈦合金 固態(tài)、液態(tài)法、原位生長法高溫合金 原位生長法金屬間化合物 粉末冶金、原位生長法顆粒晶須短纖維20212.1 先驅(qū)（預制）絲（帶、板）的制備2、金屬基復合材料制備工藝的分類：纖維/(基體箔材)聚合物粘結劑

8、先驅(qū)(預制)帶(板)： 纏繞鼓(基體箔材)纖維定向定間距纏繞 涂敷聚合物粘結劑定位。22等離子噴涂纖維/基體箔材先驅(qū)（預制）帶（板）：纖維定向定間距纏繞 等離子噴涂基體粉末定位。23PVD法纖維/基體復合絲 采用物理氣相沉積（PVD）手段將基體金屬均勻沉積到纖維表面上，形成纖維/基體復合絲。 PVD法纖維表面金屬基體沉積層 物理氣相沉積是通過蒸發(fā)，電離或濺射等過程，產(chǎn)生金屬粒子并與反應氣體反應形成化合物沉積在工件表面。 24粉末法纖維/基體復合絲 金屬基體粉末與聚合物粘接劑混合制成基體粉末/聚合物粘接劑膠體；將纖維通過帶有一定孔徑的膠槽，在纖維表面均勻地涂敷上一層基體粉末膠體，干燥后形成一定直

9、徑的纖維/基體粉末復合絲。復合絲的直徑取決于膠體的粘度、纖維走絲速度以及膠槽的毛細管孔徑等。要求聚合物粘接劑在真空狀態(tài)的低溫下能夠完全揮發(fā)。 粉末法纖維/基體復合絲示意圖 25熔池法纖維/基體復合絲 26這種復合絲制備方法主要是應用于碳纖維或石墨纖維增強鋁基復合材料。 由于碳纖維或石墨纖維與鋁液接觸會反應生成Al4C3界面生成物。過量的脆性相Al4C3生成會嚴重影響復合材料的性能。 對纖維進行Ti-B或（液態(tài)）金屬鈉表面涂層處理可以增加纖維與鋁液的潤濕性，防止過量的脆性相Al4C3生成。 熔池法纖維/基體復合絲 27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(qū)絲通

10、過基體金屬表面原子的相互擴散而連接在一起。 擴散結合在真空中進行。其關鍵是熱壓工藝參數(shù)的控制，包括溫度、壓力和時間。其壓力應有一定下限，防止壓力不足金屬不能充分擴散包圍纖維而形成空洞缺陷。 模壓成型（Mold Forming）：將纖維/基體預制體放置在具有一定形狀的模具中進行擴散結合，最終得到一定形狀的最終制品。2.2 固相法28粉末冶金法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。一、粉料制備與壓制成型 粉末混料均勻并加入適當?shù)闹鷦?，再進行壓制成型，粉粒間的原子通過固相擴散和機械咬合作用，使制件結合為具有一定強度的

11、整體。二、燒結 將壓制成型的制件放置在采用還原性氣氛的閉式爐中進行燒結，燒結溫度約為基體金屬熔點的2/33/4倍。由于高溫下不同種類原子的擴散，粉末表面氧化物的被還原以及變形粉末的再結晶，使粉末顆粒相互結合。29粉末冶金工藝過程原料粉末其它添加劑熱壓松裝燒結粉漿燒注混合壓制等靜壓制軋制擠壓燒結燒結浸適熱處理電鍍預燒結高溫燒結復壓鍛打復燒拉絲燒縮精整鍛造軋制擠壓燒結（浸油）熱處理粉末冶金成品30常用的粉末冶金材料 （1）粉末冶金減摩材料。通過在材料孔隙中浸潤滑油或在材料成分中加減摩劑或固體潤滑劑制得。廣泛用于制造軸承、支承襯套或作端面密封等。 （2）粉末冶金多孔材料。又稱多孔燒結材料。材料內(nèi)部孔

12、道縱橫交錯、互相貫通，一般有3060的體積孔隙度，孔徑1100微米。透過性能和導熱、導電性能好，耐高溫、低溫，抗熱震，抗介質(zhì)腐蝕。用于制造過濾器、多孔電極、滅火裝置、防凍裝置等。 （3）粉末冶金結構材料。又稱燒結結構材料。能承受拉伸、壓縮、扭曲等載荷，并能在摩擦磨損條件下工作。31（4）粉末冶金工模具材料。包括 硬質(zhì)合金 、粉末冶金高速鋼等。后者組織均勻，晶粒細小，沒有偏析，比熔鑄高速鋼韌性和耐磨性好，熱處理變形小，使用壽命長?？捎糜谥圃烨邢鞯毒?、模具和零件的坯件。 （5）粉末冶金電磁材料。包括電工材料和磁性材料。用于制造各種轉換、傳遞、儲存能量和信息的磁性器件。 （6）粉末冶金高溫材料。包括

13、粉末冶金高溫合金、難熔金屬和合金、 金屬陶瓷 、彌散強化和纖維強化材料等。用于制造高溫下使用的渦輪盤、噴嘴、葉片及其他耐高溫零部件。32粉末冶金技術的主要應用： 汽車動力系統(tǒng)：33汽車發(fā)動機用粉末燒結鋼零件34汽車變速器系統(tǒng)用粉末燒結鋼件:35齒輪保持架(Ford)36溫壓成型連桿：37 在壓力的作用下，將液態(tài)或半液態(tài)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。 主要工藝因素有熔融金屬的溫度、模具預熱溫度、壓力和加壓速度等。 2.3 液態(tài)法(1) 壓鑄法（Squeeze Casting） 38(2) 半固態(tài)復合鑄造（Semisolid Slurry Castin

14、g） 將顆粒加入半固態(tài)的金屬熔體中，然后將半固態(tài)復合材料注入模具進行壓鑄成型。 金屬熔體的溫度控制在液相線和固相線之間，通過攪拌，使部分樹枝狀結晶體破碎成固態(tài)顆粒。 當加入預熱后的增強顆粒時，在攪拌中增強顆粒受到金屬顆粒阻礙而滯留在半固態(tài)熔體中減少集結和偏聚，同時攪拌可促進顆粒與金屬基體的接觸和潤濕。39(3) 噴射成型法（Ospray，Spray Co-deposition）在高速惰性氣體射流的作用下，液態(tài)金屬形成“霧化錐”；同時通過一個或多個噴嘴向“霧化錐”噴射入增強顆粒，使之與金屬霧化液滴一齊在一基板（收集器）上沉積并快速凝固形成顆粒增強金屬基復合材料。 噴射成型法示意圖 40(4) 無

15、壓浸滲法（Lanxide法） 美國Lanxide公司開發(fā)的一種新工藝。將增強材料制成預制體，放置于由氧化鋁制成的容器中。再將基體金屬坯料置于增強材料預制體上部。然后一齊裝入可通入流動氮氣的加熱爐中。通過加熱，基體金屬熔化，并自發(fā)浸滲入網(wǎng)絡狀增強材料預制體中。 無壓浸滲法工藝原理示意圖 41以制備AlN/Al復合材料為例，將增強劑預制體放入同樣形狀的陶瓷槽中，鋁合金坯料放在預制體上。在流動氮氣的氣氛下，加熱至800 1000C時，鋁合金熔化并自發(fā)滲入預制體內(nèi)，氮氣與鋁反應生成AlN?？刂频獨饬髁俊囟群蜐B透速度，可控制AlN的生成量。AlN起到提高復合材料剛度、降低熱膨脹系數(shù)的作用，但強度較低。

16、這是一個低成本的制備工藝。 424、原位（In situ）生長（復合）法 增強相從基體中直接生成，生成相的熱力學穩(wěn)定性好，不存在基體與增強相之間的潤濕和界面反應等問題，基體與增強相結合良好，較好的解決了界面相容性問題。 43直接金屬氧（氮）化法 通過基體金屬的氧化或氮化來獲取復合材料。 制備Al2O3 / Al時，9001300C的溫度下，使熔融鋁通過顯微通道滲透到氧化鋁層外部，并順序氧化；即鋁被氧化，但液態(tài)鋁的滲透通道未被堵塞?？筛鶕?jù)氧化程度控制Al2O3的量。所制備的復合材料就是含有Al的、互連的Al2O3陶瓷基復合材料。 直接氮化獲得AlN / Al、和TiN / Ti等金屬或陶瓷基復合

17、材料。 44典型的金屬基復合材料硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是指以一種或幾種難熔碳化物（如碳化鎢、碳化鈦等）的粉末為主要成分，加人起粘結作用的金屬鈷粉末，用粉末冶金法制得的材料。1、硬質(zhì)合金的性能特點硬質(zhì)合金硬度極高，高于任何一種鋼，且熱硬性、耐磨性好，一般做成刀片，鑲在刀體上使用。脆性大。45常用硬質(zhì)合金的分類與牌號 （1）鎢鈷類硬質(zhì)合金：碳化鎢和粘結劑鈷，其牌號是由“YG”（“硬、鈷”兩字漢語拼音字首）和平均含鈷量的百分數(shù)組成(YG8表示Co的質(zhì)量分數(shù)為8%的鎢鈷類硬質(zhì)合金)。（2）鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金：碳化鎢、碳化鈦及粘結劑鈷，其牌號由“YT”（“硬、鈦”兩字漢語拼音字首）和碳化鈦平均含量組成(YT15

18、表示TiC的質(zhì)量分數(shù)為15%的鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金)46硬質(zhì)合金刀具：47成型方法：壓制燒結48三、金屬基復合材料的界面和界面設計 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（ 580 C）Al2O3 纖維 / 鈦硼纖維 / 鈦硼纖維 /鈦-鋁SiC

19、 纖維 / 鈦SiO2 纖維 / 鈦49 第一類界面：界面微觀是平整的，而且只有分子層厚度。界面除了原組成物質(zhì)外，基本不含其它物質(zhì)。 第二類界面：基體與增強相經(jīng)過擴散 滲透相互溶解而形成界面。這類界面往往在增強相周圍，如纖維周圍，形成溶解擴散層。 第三類界面：界面處有微米和亞微米級的界面反應物質(zhì)層。有時并不是一個完整的界面層，而是在界面上存在著界面反應產(chǎn)物。 502、金屬基復合材料的界面結合 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

20、現(xiàn)高強度和高塑性。51金屬基復合材料的界面結合形式 （1）機械結合：第一類界面。主要依靠增強劑的粗糙表面的機械“錨固”力結合。 （2）浸潤與溶解結合：第二類界面。如相互溶解嚴重，也可能發(fā)生溶解后析出現(xiàn)象，嚴重損傷增強劑，降低復合材料的性能。如采用熔浸法制備鎢絲增強鎳基高溫合金復合材料以及碳纖維/鎳基復合材料在600C下碳在鎳中先溶解后析出的現(xiàn)象等。 （3）化學反應結合：第三類界面。大多數(shù)金屬基復合材料的基體與增強相之間的界面處存在著化學勢梯度。只要存在著有利的動力學條件，就可能發(fā)生相互擴散和化學反應。523、金屬基復合材料的界面優(yōu)化以及界面設計 改善增強劑與基體的潤濕性以及控制界面反應的速度和

21、反應產(chǎn)物的數(shù)量，防止嚴重危害復合材料性能的界面或界面層的產(chǎn)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(nèi)容。 從界面優(yōu)化的觀點來看，增強劑與基體的在潤濕后又能發(fā)生適當?shù)慕缑娣磻?，達到化學結合，有利于增強界面結合，提高復合材料的性能。 53界面優(yōu)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(shù)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(xiàn)象（過渡層、匹配層）。常用的增強材

22、料的表面（涂層）處理方法有：PVD、CVD、電化學、溶膠-凝膠法等。542 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(shù)。 （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(tài)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(tài)鋁的表面能下降。 55

23、四 鋁基金屬復合材料介紹56 航空航天工業(yè)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。引 言57 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(yōu)點，為其在工程上應用創(chuàng)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。這主要

24、是由于與純鋁相比，鋁合金具有更好的綜合性能。58一 硼鋁復合材料硼纖維極高強度的共價結合，鋁是被選用最廣的基體材料。硼-鋁復合材料在研究上很重視。硼鋁的彈性模量接近各向同性，非軸向強度也較高，橫向抗拉強度和剪切強度大約與鋁合金基體的強度相等。比樹脂基材料可能達到的強度要高得多。硼鋁復合材料還具有高的導電件和導熱性、塑性和韌性、耐磨性、可涂復性、連接性、成型性和可熱處理性及不可燃性。高溫性能和抗?jié)衲芰τ诠こ探Y構的耐久性也常常是重要的。59硼鋁復合材料的研究的主要內(nèi)容： (1)研制強度高、剛性大、重量輕的構件，這在航空航天領域中顯得尤為重要。 (2)改進大型構件的制造技術，研制可靠耐用的材料及構

25、件。 (3)改進硼鋁復合材料的制造應用技術，促使其成本盡可能降低。601增強纖維 對增強纖維的主要要求是比模量高、比強度高、性能重復性好、價格低以及易于制造成復合材料。玻璃纖維強度較高價格低廉，但它的模量低易與鋁起反應。氧化鋁纖維的比模量和比強度較低且價格昂貴。碳化硅纖維與鋁的反應比硼小，并已作為硼纖維的涂層使用但其密度比硼高30、且強度較低。-鈦合金Ti-6Al-4V的冷拉絲材和沉淀硬化鋼“火箭”絲NS355，內(nèi)于密度大而在比強度和比模量上難以與硼相比。61 硼纖維是用化學氣相沉積法由鎢底絲上用氫還原三氯化硼制成的。將鎢絲電阻加熱到11001300并連續(xù)拉過反應器以獲得一定厚度的硼沉積層這樣

26、便在鎢絲上沉積了顆粒狀的無定形硼。 目前大量供應的纖維有100um和140um兩種直徑，有的纖維帶有2um厚的碳化硅涂層，其目的是為了改進纖維的抗氧化性能。140um硼纖維的室溫密度為2.55gcm3。62 2基 體硼纖維選擇鋁合金作為基體是出于鋁合金具有良好的綜合性能。較高的斷裂韌性，較強的阻止在纖維斷裂或劈裂處的裂紋擴展能力；較強的抗腐蝕性，較高的強度。 63 三、鋁基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。64纖維增強復合材料的強度和剛性與纖維方向密