金屬基復(fù)合材料課件

1、金屬基復(fù)合材料,金屬基復(fù)合材料特點(diǎn),其特點(diǎn)在力學(xué)方面為橫向及剪切強(qiáng)度較高，韌性及疲勞等綜合力學(xué)性能較好，同時(shí)還具有導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐磨、熱膨脹系數(shù)小、阻尼性好、不吸濕、不老化和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。,一、金屬基復(fù)合材料的分類 金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體的復(fù)合材料，按增強(qiáng)體分類： 1）連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 2）非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料（包括顆粒、短纖維、晶須） 3）自生增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料； 4）層板金屬基復(fù)合材料,按基體分有： 鋁基、鎂基、鋅基、銅基、鈦基、鉛基、鎳基、耐熱金屬基、金屬間化合物基等，一般以鋁、鎂、鈦基復(fù)合材料發(fā)展較為成熟。 按用途分： 結(jié)構(gòu)型 功能型,三、金屬基復(fù)合材料的基體材料 基

2、體的作用： 1）固結(jié)增強(qiáng)體； 2）傳遞和承受各種載荷（力、熱、電）的作用； 基體的含量： 1）在連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，基體占50%70%； 2）顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，占8090%。 3）而晶須、短切纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的基體含量在70%以上，一般為8090%。,四選擇基體的原則 金屬與合金的種類繁多，作為復(fù)合材料的基體有，鋁及其合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、銅合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁、金屬間化合物等，基體材料的正確對(duì)能否充分組合和發(fā)揮金屬增強(qiáng)體的性能特點(diǎn)獲得預(yù)期優(yōu)異綜合性能以滿足使用要求十分重要。,金屬基復(fù)合材料的使用要求 航天、航空技術(shù)比強(qiáng)度、比模量高，尺寸穩(wěn)定性好。 飛行器和衛(wèi)星

3、構(gòu)件宜選密度小的輕金屬合金鎂、鋁合金為基體，與高強(qiáng)、高模石墨纖維、硼纖維組成石墨/鎂、石墨/鋁、硼/鋁等復(fù)合材料； 高性能發(fā)動(dòng)機(jī)要求：高比強(qiáng)、比模量，優(yōu)良的耐高溫性能在高溫氧化性氣氛中工作。 而選用鈦合金、鎳基合金及金屬間化合物，如碳化硅/鈦、镥、鎢絲/鎳基起合金復(fù)合材料，可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)要求：耐熱、耐摩、導(dǎo)熱、一定高溫強(qiáng)度等，要求成本低適合批量生產(chǎn)，則選用鋁合金作為基體與陶瓷顆粒、短纖維組成復(fù)合材料，如碳化硅/鋁復(fù)合材料，氧化鋁/鋁復(fù)合材料可制作發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、缸套等零件。 電子工業(yè)集成電路高導(dǎo)熱、低熱膨脹系數(shù)金屬基復(fù)合材料作為散熱元件和基板。用具有高導(dǎo)熱率的銀

4、、銅鋁等金屬基體與高導(dǎo)熱、低熱膨脹性的超高模石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅纖維復(fù)合成具有低熱膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率、高比強(qiáng)、比模量等性能的金屬基復(fù)合材料。,五、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體 1）航天、航空、汽車、先進(jìn)武器： 選用鋁及鋁合金，鎂及鎂合金作為基體材料。 2）發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)： 要求：工作溫度在6501200左右，良好的抗氧化、抗蠕變、耐疲勞；良好的高溫力學(xué)性能 使用溫度： 鋁、鎂450左右， 鈦合金：650， 鎳、鈷基：1200,用于450以下的輕質(zhì)金屬基體鋁鎂合金； 用于450 700的復(fù)合材料：鈦金屬可用于高性能發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和轉(zhuǎn)動(dòng)軸等部件； 用于1000以上的高溫復(fù)合材料：主要是鎳基、鐵基復(fù)合材

5、料和金屬間化合物，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。,六、功能用金屬基復(fù)合材料具有 1）高力學(xué)性能， 2）高導(dǎo)熱性能； 3）低熱膨脹； 4）高電導(dǎo)率； 5）高抗電弧燒蝕性； 6）高摩擦系數(shù)和耐摩性等。,電子封裝材料； 耐摩材料； 集電和電觸頭材料；,功能用金屬基材料用途,金屬基復(fù)合材料在航天應(yīng)用,金屬基復(fù)合材料芯電力電纜,七、金屬基復(fù)合材料的制造方法 制備金屬基復(fù)合材料應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面： 1）增強(qiáng)體的分散問(wèn)題; 2）制造過(guò)程對(duì)制品性能的影響； 3）制造過(guò)程中應(yīng)避免各種不利反應(yīng); 4）簡(jiǎn)單易行，適于批量生產(chǎn)，盡可能直接制成接近最終形狀和尺寸的零件。,金屬基復(fù)合材料的制造難點(diǎn)及解決方法 難點(diǎn)： 1）高溫下

6、的界面反應(yīng)、氧化反應(yīng)等； 2）金屬與增強(qiáng)體之間浸潤(rùn)性差，甚至不浸潤(rùn)； 3）將增強(qiáng)體按設(shè)計(jì)要求的含量、分布、方向均勻地分布；,解決辦法： 1）增強(qiáng)體表面處理 作用是： 有效防止的界面反應(yīng)，相互擴(kuò)散，溶解等； 有效改善基體與增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性； 優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和性能 表面處理方法： 化學(xué)氣相沉積 物理氣相沉積 溶膠、凝膠法 電鍍、化學(xué)鍍,2)加入適當(dāng)合金元素，優(yōu)化合金成份 有效改善金屬基體之間的浸潤(rùn)性； 有效在防止界面反應(yīng)； 例如：加入鈦、鋯、鈮、鈰等元素，可有效改善纖維與鋁液的浸潤(rùn)性，,3）優(yōu)化工藝方法及工藝參數(shù),金屬基復(fù)合材料制造方法的分類 歸納起來(lái)可分為四大類： 1）固態(tài)法； 2）液態(tài)成型法； 3

7、）自生成法； 4）其它方法還有：復(fù)合涂（鍍）法；,固態(tài)法 1、粉未冶金法 2、熱壓法（也稱擴(kuò)散粘結(jié)法） 3、熱等靜壓法 4、熱軋法 5、熱擠壓和熱拉法 6、爆炸焊接法,熱壓法,熱壓法和熱等靜壓法亦稱擴(kuò)散粘結(jié)法，是加壓焊接的一種，因此有時(shí)也稱擴(kuò)散焊接法。它是在較長(zhǎng)時(shí)間的高溫及不大的塑性變形作用下依靠接觸部位原子間的相互擴(kuò)散進(jìn)行的。擴(kuò)散粘結(jié)過(guò)程可分為三個(gè)階段： 粘結(jié)表面之間的最初接觸，由于加熱和加壓使表面發(fā)生變形、移動(dòng)、表面膜(通常是氧化膜)破壞； 隨著時(shí)間的進(jìn)行發(fā)生界面擴(kuò)散和體擴(kuò)散，使接觸面密著粘結(jié)； 由于熱擴(kuò)散結(jié)合界面最終消失，結(jié)過(guò)程完成。 影響擴(kuò)散粘結(jié)過(guò)程的主要參數(shù)是溫度、壓力和一定溫度及壓

8、力下維持的時(shí)間，其中溫度最為重要，氣氛對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量也有影響。,熱壓溫度： 溫度控制在基體合金的固相線和液相線之間。 熱壓壓力： 選用壓力可在較大范圍內(nèi)變化，但過(guò)高容易損傷纖維，一般控制在10MPa以下。壓力的選擇與溫度有關(guān)，溫度高、壓力可適當(dāng)降低。 熱壓時(shí)間： 時(shí)間在10-20min即可。 熱壓氣氛： 熱壓可以在大氣中進(jìn)行,熱壓法是目前制造直徑較大的硼纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)鋁基、鈦基復(fù)合材料的主要方法，其產(chǎn)品作為航天飛機(jī)主倉(cāng)框架承力柱、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、火倚部件等i得到應(yīng)用。熱壓法也是制造鎢絲-超合金、鎢絲-銅等復(fù)合材料的主要方法之一。,熱等靜壓法,熱等靜壓的工作原理：在高壓容器內(nèi)裝置加熱器，將金屬基體

9、(粉末或箔)與增強(qiáng)材料(纖維、品須、顆粒)按一定比例混合或排布后，或用預(yù)制片疊層后放入金屬包套中，抽氣密封后裝入熱等靜壓裝置中加熱、加壓，復(fù)合成金屬基復(fù)合材料。熱等靜壓裝置的溫度可在數(shù)百度到2000范圍內(nèi)選擇，工作壓力可達(dá)100-200MPa。,熱等靜壓的工藝關(guān)鍵： 溫度：溫度低于熱壓溫度，以防止嚴(yán)重界面反應(yīng) 壓力：壓力是根據(jù)基休金屬在高溫下變形的難易程度而定易變形的金屬壓力選擇低一些，難變形的金屬則選擇較高的壓力。 保溫保壓時(shí)間：主要根據(jù)工件的大小確定。,熱等靜壓適用于多種復(fù)合材料的管、筒、柱及形狀復(fù)雜零件的制造。特別適用于鈦、金屬間化合物、超合金基復(fù)合材料，產(chǎn)品的組織均勻致密，無(wú)縮孔、氣孔

10、等缺陷，形狀、尺寸精確，性能均勻。熱等靜壓法的主要缺點(diǎn)是設(shè)備投資大、工藝周期長(zhǎng)、成本高。,液態(tài)法 液態(tài)法是制備金屬基復(fù)合材料的主要方法： 真空壓力浸漬法； 共噴沉積； 擠壓鑄造； 真空吸鑄； 攪拌鑄造等方法,共噴沉積法,共噴沉積法是制造各種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的有效方法，1960年由Siager發(fā)明，隨后由Ospray金屬有限公司發(fā)展成工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的制造技術(shù)，可用來(lái)制造鋁、銅、鎳、鐵、金屬間化合物基復(fù)合材料。,基本原理是： 液態(tài)金屑基體通過(guò)特殊的噴嘴，在隋性氣體氣流的作用下霧化成細(xì)小的液態(tài)金屬沉，噴向襯底將顆粒加入到霧化的金屬流中，與金屬液滴混合在一起并沉積在襯底上，凝固形成金屬基復(fù)合材料。,共噴沉積法的特點(diǎn)：,適用面廣?？捎糜阡X、銅、鎳、鉆等有色金同基體，也可用于鐵、金屬間化合物基體，可加入SiC、Al2O3、石墨等多種顆粒產(chǎn)品可以是圓棒、圓錠、板帶、管材等。 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、效率高。與粉末冶金法相比，不必先制成金屬粉末，然后再與顆?；旌?、壓型、燒結(jié)