第一章 金屬基復(fù)合材料概述

金屬基復(fù)合材料主講：周文政

152780005391物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院第一章金屬基復(fù)合材料概述2物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院1.復(fù)合材料的概念與定義常規(guī)材料的優(yōu)缺點(diǎn)：定義：采用物理或化學(xué)的方法，使兩種或兩種以上的材料在相態(tài)（如連續(xù)相：基體；不連續(xù)體：增強(qiáng)相）以性能相互獨(dú)立的形式下共存于一體之中，以達(dá)到提高材料的某些性能，或互補(bǔ)其缺點(diǎn)，或獲得新的性能（或功能）的目的。金屬材料的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的延展性和可加工性。缺點(diǎn)：強(qiáng)度相對低，耐熱、耐磨、耐蝕性差，如鋁；陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高、耐熱、耐磨、耐蝕性好，缺點(diǎn)：很脆，加工性能差。復(fù)合后利用兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)，提高性能。3物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院簡單而言復(fù)合材料：由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料復(fù)合而成的多相材料。4物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院2.復(fù)合材料的分類與命名1．分類按用途分為結(jié)構(gòu)材料（用于制造受力構(gòu)件的復(fù)合材料）和功能材料（具有各種特殊性能，如阻尼、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、換能、摩擦、屏蔽等）兩類。按復(fù)合材料各成分在材料集散情況，分為三類：分散（摻和）強(qiáng)化型復(fù)合材料、層狀（結(jié)合型）復(fù)合材料、梯度（功能型）復(fù)合材料。按基體材料類型分：金屬基復(fù)合材料（MMC）（如鋁基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料等）；聚合物基復(fù)合材料（PMC）；陶瓷基復(fù)合材料（CMC）按增強(qiáng)原理分為彌散增強(qiáng)型復(fù)合材料、晶須增強(qiáng)型復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料。5物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院按基體分類6物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院按增強(qiáng)體分類7物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院按分散狀態(tài)分類8物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院9物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院復(fù)合材料的分類:復(fù)合材料按用途按基體類型按增強(qiáng)體種類和形狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料晶須增強(qiáng)復(fù)合材料總結(jié)如下:10物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院金屬基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料無機(jī)非金屬基復(fù)合材料復(fù)合材料基體材料增強(qiáng)材料種類外形碳纖維復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料芳綸纖維復(fù)合材料連續(xù)纖維（短纖維）復(fù)合材料片狀（粒狀）材料增強(qiáng)復(fù)合材料11物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院3.復(fù)合材料的應(yīng)用航空航天：12物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院航空航天：13物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院航空航天：飛機(jī)機(jī)翼、尾翼、垂尾、機(jī)身

波音-747型客機(jī)上使用聚合物基復(fù)合材料的部位

14物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院

B787客機(jī)(2007年7月首架飛機(jī)下線,復(fù)合材料占總質(zhì)量50%,節(jié)省燃油20%)技術(shù)參數(shù)：翼展：50.3-51.8米；機(jī)長:55.5米；高度：16.5米；最大起飛總重:163000千克；巡航速度：0.85馬赫（馬赫=1126公里/小時）；載客量：289；最大航程：15700公里15物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院

A380客機(jī)(2007年10月,首次商業(yè)航行,復(fù)合材料占總質(zhì)量25%)是目前世界上唯一采用全機(jī)身長度雙層客艙,最先進(jìn)、最寬敞和最高效的飛機(jī)。技術(shù)參數(shù)：翼展：79.8米；機(jī)長：73米；寬度：7.14米；最大起飛重量：560噸；巡航速度：0.89馬赫；載客量：555人；最大航程：15000公里。16物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院

我國研制的ARJ21（AdvancedRegionalJet）支線客機(jī)-“翔鳳”(復(fù)合材料占總質(zhì)量2%)2007年12月21日下線，2008年上半年首飛；載客量70-100人;最大燃油航程：4164km.

17物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院聚合物基復(fù)合材料在導(dǎo)彈火箭上的應(yīng)用(導(dǎo)彈減輕1公斤,射程增加16-20公里)18物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院交通運(yùn)輸：各種車身構(gòu)件、車門、地板、冷藏車、座椅建筑工業(yè)：輕型房屋、建筑裝飾及雕塑電子電器：層壓板、電線桿、路燈燈具體育：撐桿、弓箭、賽車、滑板機(jī)械：各種配件、風(fēng)機(jī)19物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院20物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院21物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院22物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院23物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院24物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院4.1玻璃纖維(20世紀(jì)20年代，生產(chǎn)并投入使用，美國；1950年，中國)4.增強(qiáng)材料25物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院4.1玻璃纖維玻璃纖維的組成玻璃纖維是由SiO2及各種金屬氧化物組成的硅酸鹽類混合物，屬無定形離子結(jié)構(gòu)物質(zhì)。SiO2：主要組分，形成基本骨架，有高的熔點(diǎn)金屬氧化物：（Al2O3

，CaO

，MgO

，BeO

，Na2O,K2O，B2O3）26物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院4.2碳纖維（CF）碳纖維是有機(jī)纖維在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化而成的纖維狀碳化合物。（高強(qiáng)度、高模量、耐熱性好、密度低）1959年美國研制人造絲碳纖維；1963年日本以瀝青為原料研制出碳纖維；1964年英國，聚丙烯腈基碳纖維20世紀(jì)70年代，中國生產(chǎn)碳纖維（品種少，性能一般，產(chǎn)量低）1969年100t1985年4700t2000年20000t27物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院碳纖維的用途28物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院碳纖維的用途29物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院碳纖維的用途NH-90直升機(jī)30物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院碳纖維的用途

NH-90直升機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中，絕大部分均采用復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)，與全金屬結(jié)構(gòu)相比，其零件數(shù)目減少20%，重量減輕15%。

31物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院碳纖維的用途32物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院碳纖維的用途33物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院4.3芳綸纖維（KF，VF）KF是一種低密度、高強(qiáng)度、高模量和耐腐蝕的有機(jī)纖維，1960年美國杜邦公司發(fā)明。34物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院4.3芳綸纖維（KF，VF）35物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院4.4其它纖維硼纖維（BF）20世紀(jì)50年代末，美國開發(fā)的高性能纖維，主要用于制造樹脂基和金屬基復(fù)合材料。CF比BF生產(chǎn)工藝簡單，成本低，性能相當(dāng)，BF被CF替代。目前，主要用于金屬基復(fù)合材料。36物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院4.4其它纖維碳化硅纖維（SiCF）1.制造方法CVD法:鎢絲/碳絲沉積室烷基硅烷分解SiCF37物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院4.4其它纖維高硅氧纖維與石英纖維

由高純二氧化硅和天然石英晶體制成的纖維。純度99.95%，密度2.2g/cm3,直徑0.7-10μm。具有耐熱、耐腐蝕和柔軟性。高溫下強(qiáng)度保持率高、尺寸穩(wěn)定、抗熱震性、化學(xué)穩(wěn)定性、透光性及電絕緣性好。用途:主要用作電絕緣材料、隔熱材料和復(fù)合材料的增強(qiáng)體。用于制飛機(jī)雷達(dá)罩、火箭的尾噴管、空間航天器的燒蝕材料等。

38物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院4.4其它纖維超高相對分子量聚乙烯纖維（分子量300萬以上）目前世界上最新的超輕、高比強(qiáng)度、高比模量、成本低的高性能有機(jī)纖維。1975年荷蘭DSM公司發(fā)明，1990年，第一條小型生產(chǎn)線。39物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院4.4其它纖維超高相對分子量聚乙烯纖維40物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院4.4其它纖維玄武巖纖維（CBF）以火山巖為原料，經(jīng)1500℃熔融拉絲而成的纖維。（外觀為金褐色，2006年全世界產(chǎn)量3000噸，中國700噸，70%用于建筑工業(yè)。）41物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院5.金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料：連續(xù)的金屬、合金基體+增強(qiáng)體基體：鋁基、鎂基、鈦基、鋼基、銅基增強(qiáng)體：連續(xù)纖維、短纖維、晶須、顆粒纖維增強(qiáng)型顆粒和晶須增強(qiáng)型交替疊層型共晶定向凝固概念：42物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院金屬基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、高韌性、高導(dǎo)熱導(dǎo)電性、低膨脹系數(shù)，耐磨性好、高溫強(qiáng)度高、表面穩(wěn)定性好，能耐300-500℃或更高的溫度。但造價高、密度大、制備工藝復(fù)雜，存在界面反應(yīng)等缺點(diǎn)。性能特點(diǎn)：43物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院

1）高比強(qiáng)度、高比模量高強(qiáng)度、高模量、低密度的增強(qiáng)纖維的加入，使MMC的比強(qiáng)度和比模量成倍地提高。例如：鋁合金的比強(qiáng)度為1.4×106Pa·cm3/g、比模量為2.8×108Pa·cm3/g；而石墨/鋁合金的比強(qiáng)度為3.6×106Pa·cm3/g、比模量達(dá)到10.5×108Pa·cm3/g。44物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院

2）導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)熱性可有效傳熱，減少構(gòu)件受熱后產(chǎn)生的溫度梯度和迅速散熱，這對尺寸的穩(wěn)定性要求較高的構(gòu)件和高集成度電子器件尤為重要。良好的導(dǎo)電性可防止飛行器構(gòu)件產(chǎn)生靜電聚集的問題。MMC中金屬基體含量一般>60%（vf），所以仍保持金屬所具有的良好導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。45物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院

3）熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好MMC所用增強(qiáng)物如碳纖維、SiC纖維、B纖維，均具有很小的熱膨脹系數(shù)，又有很高的模量，特別是高模量、超高模量石墨纖維具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)。加入適當(dāng)含量增強(qiáng)物，并合理設(shè)計纖維鋪層可使ＭＭＣ的熱膨脹系數(shù)明顯下降，甚至可以實(shí)現(xiàn)ＭＭＣ的零膨脹。46物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院４）良好的高溫性能金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，加上增強(qiáng)材料主要為無機(jī)物，在高溫下具有很高的強(qiáng)度和模量，因此ＭＭＣ比基體金屬具有更高的高溫性能。例如：石墨／鋁復(fù)合材料在500℃高溫下，仍具有600MPa的高溫強(qiáng)度；而鋁基體在300℃強(qiáng)度已下降到100MPa以下。47物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院

5）耐磨性好高耐磨性材料在汽車、機(jī)械工業(yè)中具有重要應(yīng)用前景。如汽車發(fā)動機(jī)、剎車盤、活塞等。ＭＭＣ中加入了硬度高、耐磨的陶瓷纖維、晶須、顆粒，具有良好的耐磨性。例如：ＳｉＣ顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的耐磨性比鋁高出２倍以上，甚至比鑄鐵的耐磨性還好。48物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院

6）良好的斷裂韌性和抗疲勞性能ＭＭＣ的斷裂韌性和抗疲勞性能取決于纖維等增強(qiáng)物與金屬基體的界面狀態(tài)、增強(qiáng)物的分布以及各組分本身的特性。適中的界面結(jié)合強(qiáng)度既可有效地傳遞荷載，又能阻止裂紋的擴(kuò)展，提高斷裂韌性。例如：Ｃ／Ａｌ復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度比約為0.7。49物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院7）不吸潮、不老化、氣密性好與聚合物相比，金屬性能穩(wěn)定、組織致密，不會老化、分解、吸潮等，在太空中使用不會分解出低分子物質(zhì)污染儀器和環(huán)境。50物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院20世紀(jì)60年代，美蘇在宇宙空間開展競爭導(dǎo)致航空航天技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生。最早是硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的成功使用，接著是在70年代中期，碳（石墨）纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料研制及應(yīng)用取得了較大進(jìn)展，其后各種不同金屬基體、不同類型和增強(qiáng)形態(tài)的增強(qiáng)材料以及多種增強(qiáng)形式的金屬基復(fù)合材料不斷發(fā)展，逐漸形成了金屬基復(fù)合材料體系。80年代后，為解決金屬基復(fù)合材料制備成本高難以廣泛應(yīng)用，各種新制備技術(shù)用于顆粒和晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，使復(fù)合材料成本不斷下降，在民用方面如汽車行業(yè)等逐步獲得應(yīng)用，進(jìn)而促進(jìn)了金屬基復(fù)合材料的發(fā)展。起源與發(fā)展：51物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對材料的要求越來越高。對于結(jié)構(gòu)材料，不單要求強(qiáng)度高，還要求其重量要輕，在航空航天領(lǐng)域尤其如此。金屬基復(fù)合材料正是為了滿足這些要求而誕生的。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，它具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，而相對于樹脂基復(fù)合材料，它具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與耐熱性，與陶瓷材料相比，它又具有高的韌性和高的沖擊性能。這些優(yōu)良的性能決定了它從誕生之日起就成了新材料家族中的重要一員。52物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院下圖為采用硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料代替鋁合金制造的航天飛機(jī)主艙體的主龍骨支柱，減輕重量達(dá)145公斤，效果顯著。53物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體，以高強(qiáng)度的第二相為增強(qiáng)體而制得的復(fù)合材料。因此，對這種材料的分類既可按基體來進(jìn)行、也可按增強(qiáng)體來進(jìn)行。金屬基復(fù)合材料的種類：54物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院

1．按基體分類(1)鋁基復(fù)合材料(2)鎳基復(fù)合樹樹(3)鈦基復(fù)合材料55物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院這是在金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用得最廣的一種。由于鋁的基體為面心立方結(jié)構(gòu)，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(diǎn)，為其在工程上應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。(1)鋁基復(fù)合材料56物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院在制造鋁基復(fù)合材料時，通常并不是使用純鋁而是用各種鋁合金。這主要是由于與純鋁相比，鋁合金具有更好的綜合性能。至于選擇何種鋁合金做基體，則根據(jù)實(shí)際中對復(fù)合材料的性能需要來決定。57物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院這種復(fù)合材料是以鎳及鎳合金為基體制造的。由于鎳的高溫性能優(yōu)良，因此這種復(fù)合材料主要是用于制造高溫下工作的零部件。(2)鎳基復(fù)合材料58物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院人們研制鎳基復(fù)合材料的一個重要目的，即是希望用它來制造燃汽輪機(jī)的葉片，從而進(jìn)一步提高燃汽輪機(jī)的工作溫度。但目前由于制造工藝及可靠性等問題尚未解決，所以還未能取得滿意的結(jié)果。59物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院

鈦比任何其它的結(jié)構(gòu)材料具有更高的比強(qiáng)度。此外，鈦在中溫時比鋁合金能更好地保持其強(qiáng)度。因此，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)速度從亞音速提高到超音速時，鈦比鋁合金顯示出了更大的優(yōu)越性。(3)鈦基復(fù)合材料60物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院隨著速度的進(jìn)一步加快，還需要改變飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用更細(xì)長的機(jī)冀和其它冀型，為此需要高剛度的材料，而纖維增強(qiáng)鈦恰可滿足這種對材料剛度的要求。61物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院基體和增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)

鈦基復(fù)合材料中最常用的增強(qiáng)體是硼纖維，這是由于鈦與硼的熱膨脹系數(shù)比較接近，如下表所示。62物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院2.按增強(qiáng)體分類(1)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料

(2)層狀復(fù)合材料(3)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料63物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院(1)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料這里的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是指彌散的硬質(zhì)增強(qiáng)相的體積超過20％的復(fù)合材料，而不包括那種彌散質(zhì)點(diǎn)體積比很低的彌散強(qiáng)