金属基复合材料精选课件.ppt

关于金属基复合材料第一页，本课件共有66页2 金属基复合材料金属基复合材料是指以金属及其合金为基体，一种是指以金属及其合金为基体，一种或几种金属或非金属为增强相，人工结合成的复合材料。或几种金属或非金属为增强相，人工结合成的复合材料。组成复合材料的各种分材料称为组分材料，组分材料一组成复合材料的各种分材料称为组分材料，组分材料一般不发生作用，均保持各自的特性独立存在。般不发生作用，均保持各自的特性独立存在。在在结构材料结构材料方面，不但要求方面，不但要求强度高强度高，还要求其，还要求其重重量要轻量要轻，尤其是在航空航天领域。，尤其是在航空航天领域。一、金属基复合材料概述一、金属基复合材料概述第二页，本课件共有66页3金属基复合材料金属基复合材料(MetalMatrixComposite,MMC)，这一术语包括很广的成分与结构，这一术语包括很广的成分与结构，共同点是有连续的金属基体（包括金属间化共同点是有连续的金属基体（包括金属间化合物基体）。合物基体）。目的：目的：把基体的优越的塑性和成形性与增强体的承受把基体的优越的塑性和成形性与增强体的承受载荷能力及刚性结合起来。载荷能力及刚性结合起来。把基体的高热传导性与增强体的低热膨胀系数结合把基体的高热传导性与增强体的低热膨胀系数结合起来。起来。第三页，本课件共有66页4金属基复合材料金属基复合材料相对于相对于传统的金属材料传统的金属材料来说，具有来说，具有较高的较高的比强度比强度与与比刚度比刚度；而与而与树脂基复合材料树脂基复合材料相比，它又具有相比，它又具有优良的优良的导电性导电性与与耐热性耐热性；与与陶瓷基材料陶瓷基材料相比，它又具有相比，它又具有高韧性高韧性和和高冲击性能高冲击性能。第四页，本课件共有66页按增强体类型分按增强体类型分颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料层状增强复合材料层状增强复合材料纤维（长短及晶须）增强金属基复合材料纤维（长短及晶须）增强金属基复合材料 金属基复合材料金属基复合材料是以金属或合金为基体，以高性能的是以金属或合金为基体，以高性能的第二相为增强体的复合材料。第二相为增强体的复合材料。金属基复合材料品种繁多，有各种分类方式，归纳为以下金属基复合材料品种繁多，有各种分类方式，归纳为以下3 3种：种：二、二、金属基复合材料的分类及性能金属基复合材料的分类及性能第五页，本课件共有66页（1）、颗粒增强金属基复合材料 颗粒增强复合材料是指增强相为弥散分布的颗粒体，颗粒增强复合材料是指增强相为弥散分布的颗粒体，颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1 1微米微米。在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传递载荷。颗粒增强复合材料的强基体的作用则在于传递载荷。颗粒增强复合材料的强度通常取决于增强颗粒的直径和体积分数，同时还与度通常取决于增强颗粒的直径和体积分数，同时还与基体性质，颗粒与基体的界面及颗粒排列的形状密切基体性质，颗粒与基体的界面及颗粒排列的形状密切相关。相关。第六页，本课件共有66页(2)、层状增强复合材料 层状复合材料是指在韧性和成型性较好的金属层状复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。层状增强物的复合材料。由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，在增强平面结构复合材料的强度受到了限制。然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强效的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优果，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。越性。第七页，本课件共有66页(3)、纤维（长短及晶须）增强复合材料金属基复合材料中的纤维金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同根据其长度的不同根据其长度的不同根据其长度的不同可分可分为为长纤维长纤维、短纤维短纤维和和晶须晶须晶须晶须，它们均属于，它们均属于一维增强一维增强体体。因此，由纤维增强的复合材料均表现出明显的。因此，由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性各向异性特征。特征。短纤维和晶须在基体中为随机分布，因而性能在短纤维和晶须在基体中为随机分布，因而性能在宏观上表现为各向同性。宏观上表现为各向同性。第八页，本课件共有66页纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。）可以使用在较高温的工作环境之下。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。l l作为增强体的连续纤作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、SiC和和和和C C纤维；纤维；AlAl2O3纤维纤维纤维纤维通常以短纤维的形式用通常以短纤维的形式用通常以短纤维的形式用通常以短纤维的形式用于于于于MMC中。中。中。中。第九页，本课件共有66页金属基复合材料纤维选择要点金属基复合材料纤维选择要点 高强度、高模量。（明显高于金属基体）高强度、高模量。（明显高于金属基体）耐热性高耐热性高 （如：（如：KFKF不宜选用）不宜选用）价格低价格低 （比较突出的制约因素）（比较突出的制约因素）相容性好相容性好 （膨胀系数相近，高温惰性）（膨胀系数相近，高温惰性）第十页，本课件共有66页11按基体材料分类：按基体材料分类：铝基复合材料铝基复合材料镁基复合材料镁基复合材料钛基复合材料钛基复合材料金属间化合物基复合材料金属间化合物基复合材料目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。工业中应用。第十一页，本课件共有66页按用途分按用途分（1）、结构复合材料）、结构复合材料（2）、功能复合材料）、功能复合材料（3）、智能复合材料）、智能复合材料第十二页，本课件共有66页结构复合材料结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。用于制造各种航天、耐热性等是其主要性能特点。用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。功能复合材料功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性。化学性能包括抗氧化性和耐腐蚀性等性。化学性能包括抗氧化性和耐腐蚀性等，用于用于电子、仪器、汽车等工业电子、仪器、汽车等工业。智能复合材料智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。自修复等特性。应当注意，功能复合材料和智能复合材料容应当注意，功能复合材料和智能复合材料容易混淆。易混淆。第十三页，本课件共有66页MMCMMC的性能特征的性能特征MMCMMC的性能取决于所选组分的特性、含量、分布等。的性能取决于所选组分的特性、含量、分布等。通过优化组合可以具有金属特性，又有较好综合性能的通过优化组合可以具有金属特性，又有较好综合性能的MMCMMC。归纳起来。归纳起来MMCMMC有以下性能特点：有以下性能特点：高比强度、高比模量高比强度、高比模量导热、导电性能导热、导电性能热膨胀系数小、尺寸稳定性好热膨胀系数小、尺寸稳定性好良好的高温性能良好的高温性能耐磨性好耐磨性好良好的断裂韧性和抗疲劳性能良好的断裂韧性和抗疲劳性能不吸潮、不老化、气密性好不吸潮、不老化、气密性好第十四页，本课件共有66页金属基复合材料的性能特点金属基复合材料的性能特点（1 1）、高比强度、比模量）、高比强度、比模量 在金属基体中加入适量的高强度，高模量，低在金属基体中加入适量的高强度，高模量，低密度的纤维，晶须及颗粒等增强体，显著提高了复密度的纤维，晶须及颗粒等增强体，显著提高了复合材料的合材料的比强度，比刚度和比模量比强度，比刚度和比模量。在金属中加入高性能，低密度的增强体，可使复在金属中加入高性能，低密度的增强体，可使复合材料的比强度，比模量成倍增加。采用高比强度，合材料的比强度，比模量成倍增加。采用高比强度，高比模量的金属基复合材料制成的构件相对密度轻，高比模量的金属基复合材料制成的构件相对密度轻，强度高，刚性好，是航空，航天领域中的理想材料。强度高，刚性好，是航空，航天领域中的理想材料。第十五页，本课件共有66页（2 2）、导热导电性能）、导热导电性能 虽然有的增强体为绝缘体，但在复合材料中虽然有的增强体为绝缘体，但在复合材料中占很小份额，基体导电及导热性并未被完全阻断，占很小份额，基体导电及导热性并未被完全阻断，金属基复合材料仍具有良好的金属基复合材料仍具有良好的导电与导热性导电与导热性。为了解决高集成度电子器件的散热问题，现为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的热导率比金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的热导率比纯铝、铜还高，用它们制成的集成电路底板和封纯铝、铜还高，用它们制成的集成电路底板和封装件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路装件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路的可靠性。的可靠性。第十六页，本课件共有66页（3 3）、热膨胀系数小、尺寸稳定性好）、热膨胀系数小、尺寸稳定性好 金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热膨胀系具有负的热膨胀系数数。加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和。加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种应用的要物的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种应用的要求。求。例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量达到量达到4848时，复合材料的热膨胀系数为零，在温度变化时时，复合材料的热膨胀系数为零，在温度变化时使用这种复合材料做成的零件不发生变形。使用这种复合材料做成的零件不发生变形。第十七页，本课件共有66页（4 4）、良好的高温性能）、良好的高温性能 由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强材料主由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强材料主要是无机物，在高温下又都具有很高的高温强度和模量，要是无机物，在高温下又都具有很高的高温强度和模量，因此金属基复合材料比基体金属具有更高的高温性能。因此金属基复合材料比基体金属具有更高的高温性能。如石墨纤维增强铝基复合材料在如石墨纤维增强铝基复合材料在500500高温下，仍具有高温下，仍具有600MPa600MPa的高温强度，而铝基体在的高温强度，而铝基体在300300强度已下降到强度已下降到100MPa100MPa以下。又如钨纤维增强耐热合金，在以下。又如钨纤维增强耐热合金，在11001100，100h100h高温持久强高温持久强度为度为207MPa207MPa，而基体合金的高温持久强度只有，而基体合金的高温持久强度只有48MPa48MPa。因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上，可因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上，可大幅度提高发动机的性能和效率。大幅度提高发动机的性能和效率。第十八页，本课件共有66页（5 5）、良好的耐磨性）、良好的耐磨性 金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。如碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比如碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比基体金属高出基体金属高出2 2倍以上；与铸铁比较，倍以上；与铸铁比较，SiCpSiCpAlAl复复合材料的耐磨性比铸铁还好。可用于汽车发动机、刹合材料的耐磨性比铸铁还好。可用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件，能明显提高零件的性能和使车盘、活塞等重要零件，能明显提高零件的性能和使用寿命。用寿命。第十九页，本课件共有66页（6 6）、良好的断裂韧性和抗疲劳性能）、良好的断裂韧性和抗疲劳性能 金属基复合材料的断裂韧性和抗疲劳性能取决金属基复合材料的断裂韧性和抗疲劳性能取决于增强物与金属基体的界面结合状态，增强物在金于增强物与金属基体的界面结合状态，增强物在金属基体中的分布以及金属基体、增强物本身的特性，属基体中的分布以及金属基体、增强物本身的特性，特别是特别是界面状态界面状态，适中的界面结合强度既可有效，适中的界面结合强度既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的形成与扩展和位地传递载荷，又能阻止裂纹的形成与扩展和位错运动，提高材料的断裂韧性错运动，提高材料的断裂韧性。第二十页，本课件共有66页（7 7）、不吸潮、不老化、气密性好）、不吸潮、不老化、气密性好 与聚合物相比金属基复合材料性质稳与聚合物相比金属基复合材料性质稳定、组织致密，不老化、分解、吸潮等，定、组织致密，不老化、分解、吸潮等，也不会发生性能的自然退化，这比聚合物也不会发生性能的自然退化，这比聚合物基复合材料好，在太空使用不会分解出低基复合材料好，在太空使用不会分解出低分子物质污染仪器和环境，有明显的优越分子物质污染仪器和环境，有明显的优越性。性。第二十一页，本课件共有66页铝木复合板铝木复合板铜包钢导线铜包钢导线镍镍/不锈钢不锈钢钛钛/铜复合铜复合陶瓷陶瓷/钢复合管钢复合管铝蜂窝复合板铝蜂窝复合板金属基复合材料实例金属基复合材料实例第二十二页，本课件共有66页航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料，例如波音料，例如波音747大型运输机、远距离通信天线、大型运输机、远距离通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问题之一就涉及到平方题之一就涉及到平方立方尺寸关系，即结构的立方尺寸关系，即结构的强强度与刚度度与刚度随其尺寸的随其尺寸的平方平方增加而增加而重量重量重量重量却随其线尺寸却随其线尺寸的的立方立方立方立方增加。所以，假若要保证大型结构的机动性和增加。所以，假若要保证大型结构的机动性和高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。三、铝基复合材料第二十三页，本课件共有66页铝基复合材料铝基复合材料是在金属基复合材料中是在金属基复合材料中应用得最广应用得最广应用得最广应用得最广的的一种。由于一种。由于铝的基体铝的基体铝的基体铝的基体为为面心立方面心立方面心立方面心立方结构，因此具有良好的结构，因此具有良好的塑性和韧塑性和韧塑性和韧塑性和韧性性性性，再加之它所具有的，再加之它所具有的易加工性易加工性易加工性易加工性、工程可靠性工程可靠性工程可靠性工程可靠性及及价格低廉价格低廉价格低廉价格低廉等优点，等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。为其在工程上应用创造了有利的条件。在在制造铝基复合材料制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是时，通常并不是使用纯铝而是用各种用各种用各种用各种铝合金铝合金铝合金铝合金。第二十四页，本课件共有66页铝基复合材料基复合材料大型运载工具的首选材料。如波音大型运载工具的首选材料。如波音747747、757757、767767常用：常用：B/AlB/Al、C/AlC/Al、SiC/AlSiC/AlSiCSiC纤维密度较纤维密度较B B高高3030，强度较低，但相容性好。，强度较低，但相容性好。C C纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。基基体体材材料料可可选选变变形形铝铝、铸铸造造铝铝、焊焊接接铝铝及及烧烧结结铝铝。它它们们塑塑性好制备铝薄容易。性好制备铝薄容易。第二十五页，本课件共有66页 基体与增强体基体与增强体铝基复合材料的增强体主要有铝基复合材料的增强体主要有3种：长纤维，晶须种：长纤维，晶须和颗粒；基体主要有纯铝及其合金。基体合金的种类和颗粒；基体主要有纯铝及其合金。基体合金的种类较多，主要有两大类：变形合金和铸造合金。较多，主要有两大类：变形合金和铸造合金。第二十六页，本课件共有66页 (1)(1)、长纤维增强铝基复合材料、长纤维增强铝基复合材料 长纤维对铝基体的增强方式可以以单向纤维、二长纤维对铝基体的增强方式可以以单向纤维、二维织物和三维织物存在。长纤维增强铝基复合材料主维织物和三维织物存在。长纤维增强铝基复合材料主要有：要有：B Bf fAlAl、C Cf fAlAl、SiCSiCf fAlAl、AlAl2 20 03f3fAlAl和不锈钢丝和不锈钢丝AlAl等。等。B Bf fAlAl复合材料复合材料 硼纤维是在钨或碳丝化学气相沉积而形成的单丝，直径硼纤维是在钨或碳丝化学气相沉积而形成的单丝，直径较粗较粗(100(100140m)140m)，因而在工艺上较易制造。，因而在工艺上较易制造。第二十七页，本课件共有66页 纤维含量越高，其拉伸强度的变化。纤维含量越高，其拉伸强度的变化。硼硼-铝复合材料的耐高温性突出。铝复合材料的耐高温性突出。第二十八页，本课件共有66页 硼硼-铝复合材料中由于纤维的纵向热膨胀系数与基体铝复合材料中由于纤维的纵向热膨胀系数与基体的热膨胀系数差别较大，因此在界面会产生较高的残余应力。的热膨胀系数差别较大，因此在界面会产生较高的残余应力。第二十九页，本课件共有66页B Bf fAlAl复合复合材料的制造材料的制造复合材料的制造包括将复合材料的组分复合材料的制造包括将复合材料的组分组装组装并并压合压合成成适于制造复合材料零件的形状。适于制造复合材料零件的形状。常用的工艺有两种常用的工艺有两种:一、纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行一、纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行;二、先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制二、先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制成最终形状的零件。成最终形状的零件。前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先铸锭然后前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先铸锭然后再锻成零件的形状。再锻成零件的形状。第三十页，本课件共有66页 C Cf fAlAl复合材料复合材料 碳纤维密度小，具有优异的力学性能，是目前碳纤维密度小，具有优异的力学性能，是目前可作金属基复合材料增强物的高性能纤维中价格可作金属基复合材料增强物的高性能纤维中价格最便宜的一种，它们与很多种金属基体复合，制最便宜的一种，它们与很多种金属基体复合，制成了高性能的金属基复合材料。成了高性能的金属基复合材料。但是由于碳但是由于碳(石墨石墨)纤维与液态铝的浸润性差，高温纤维与液态铝的浸润性差，高温下相互之间又容易发生化学反应，生成严重影响复合材下相互之间又容易发生化学反应，生成严重影响复合材料性能的化合物。人们采取了多种纤维表面处理方法来料性能的化合物。人们采取了多种纤维表面处理方法来解决这个问题，比如在碳纤维表面镀铬、铜等。解决这个问题，比如在碳纤维表面镀铬、铜等。第三十一页，本课件共有66页 碳纤维对复合材料的力学性能影响很大。碳纤维对复合材料的力学性能影响很大。表表5-105-10是液态金属浸渍法制备的碳纤维增强铝合金的拉是液态金属浸渍法制备的碳纤维增强铝合金的拉伸强度。最后一项是碳与铝反应产物的数量。表中前伸强度。最后一项是碳与铝反应产物的数量。表中前4 4种纤种纤维都是经高温石墨化处理的石墨纤维，它们与铝的反应产物维都是经高温石墨化处理的石墨纤维，它们与铝的反应产物AlAl4 4C C3 3的量较少，拉伸强度较高。最后一种纤维是未经高温石墨化处的量较少，拉伸强度较高。最后一种纤维是未经高温石墨化处理的碳纤维，它与铝的反应产物理的碳纤维，它与铝的反应产物AlAl4 4C C3 3的量很高，其拉伸强度的量很高，其拉伸强度大大下降。因此，未经高温石墨化处理的碳纤维是不适宜大大下降。因此，未经高温石墨化处理的碳纤维是不适宜作铝基体的增强物，除非经过表面处理。作铝基体的增强物，除非经过表面处理。第三十二页，本课件共有66页 （2 2）短纤维增强铝基复合材料）短纤维增强铝基复合材料 与长纤维相比，短纤维增强铝基复合材料具有增与长纤维相比，短纤维增强铝基复合材料具有增强体来源广、价格低、成形性好等优点，可采用传统强体来源广、价格低、成形性好等优点，可采用传统的金属成形工艺如铸、锻、挤、轧等，而且材料的性的金属成形工艺如铸、锻、挤、轧等，而且材料的性能是各向同性的。能是各向同性的。可用做铝基复合材料增强物的短纤维有氧化铝、硅可用做铝基复合材料增强物的短纤维有氧化铝、硅酸铝和碳化硅等。酸铝和碳化硅等。第三十三页，本课件共有66页 氧化铝和硅酸铝短纤维增强铝基复合材料的室温拉氧化铝和硅酸铝短纤维增强铝基复合材料的室温拉伸强度并不比基体合金高，但它们的高温强度明显优于伸强度并不比基体合金高，但它们的高温强度明显优于基体，弹性模量在室温和高温都有较大的提高，热膨胀基体，弹性模量在室温和高温都有较大的提高，热膨胀系数减小，耐磨性能得到改善。系数减小，耐磨性能得到改善。第三十四页，本课件共有66页纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。均均均均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性一方向的纤维使材料具有明显的各向异性一方向的纤维使材料具有明显的各向异性一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采用正交纤维采用正交纤维采用正交纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，织，织，织，可获得各方向力学性能均优的材料。可获得各方向力学性能均优的材料。纤维在基体中的不同分布方式纤维在基体中的不同分布方式纤维在基体中的不同分布方式纤维在基体中的不同分布方式第三十五页，本课件共有66页36层状复合材料层状复合材料 层状复合材料是指在基体层状复合材料是指在基体层状复合材料是指在基体层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高中含有多重层片状高强高中含有多重层片状高强高中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。模量增强物的复合材料。模量增强物的复合材料。模量增强物的复合材料。l l这种材料是各向这种材料是各向异性的异性的(层内两维层内两维同性同性)。如碳化。如碳化硼片增强钛、胶硼片增强钛、胶合板等。合板等。层状状陶瓷陶瓷复复合材料合材料断断口形貌口形貌三明治三明治复复合合第三十六页，本课件共有66页双金属、表面涂层等也是层状复合材料。双金属、表面涂层等也是层状复合材料。结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。输及包装等。有有有有TiNTiN涂层的涂层的涂层的涂层的高尔夫球头高尔夫球头高尔夫球头高尔夫球头层状状复复合合铝合合金金蜂蜂窝夹层板板第三十七页，本课件共有66页3 3、颗粒、颗粒(晶须晶须)增强铝基复合材料增强铝基复合材料 主要使用的有主要使用的有SiCSiC、AlAl2 2O O3 3颗粒颗粒(晶须晶须)增强铝基复增强铝基复合材料。合材料。SiC SiC颗粒颗粒(晶须晶须)增强铝基复合材料具有良好的力学增强铝基复合材料具有良好的力学性能和耐磨性能。随着性能和耐磨性能。随着SiCSiC含量的增加，其热膨胀系含量的增加，其热膨胀系数降低，并低于基体。这些复合材料的韧性低于基数降低，并低于基体。这些复合材料的韧性低于基体，但高于连续纤维增强铝基复合材料，而且其刚体，但高于连续纤维增强铝基复合材料，而且其刚度比基体提高很多。由于度比基体提高很多。由于SiCSiC的硬度很高，使得这种的硬度很高，使得这种复合材料的硬度大大提高，其耐磨性也相应大大提高。复合材料的硬度大大提高，其耐磨性也相应大大提高。第三十八页，本课件共有66页 复合材料的拉伸强度和弹性模量比基体高，且复合材料的拉伸强度和弹性模量比基体高，且随着随着SiCSiC晶须含量的增加，其拉伸强度和弹性模量均晶须含量的增加，其拉伸强度和弹性模量均有较大升高。有较大升高。第三十九页，本课件共有66页 第四十页，本课件共有66页 在铝合金中加入脆性的在铝合金中加入脆性的SiCSiC颗粒或晶须，其断裂韧性下降颗粒或晶须，其断裂韧性下降很多。很多。颗粒：颗粒：particle晶须：晶须：whisker纤维：纤维：fiber在铝合金中加入脆性的在铝合金中加入脆性的SiCSiC颗粒，其耐磨性增加很多颗粒，其耐磨性增加很多。第四十一页，本课件共有66页 硼硼-铝复合材料可用作中子屏蔽材料，还可用来制造废核铝复合材料可用作中子屏蔽材料，还可用来制造废核燃料的运输容器和储存容器、可移动防护罩、控制杆、喷燃料的运输容器和储存容器、可移动防护罩、控制杆、喷气发动机风扇叶片、飞机机翼蒙皮、飞机起落架部件、自气发动机风扇叶片、飞机机翼蒙皮、飞机起落架部件、自行车架、高尔夫球杆等。行车架、高尔夫球杆等。碳纤维增强铝基复合材料用在飞机上，如它使用在碳纤维增强铝基复合材料用在飞机上，如它使用在F-15F-15战战斗机上，使其质量减轻斗机上，使其质量减轻20203030。用碳纤维增强铝合金。用碳纤维增强铝合金管材还可制作网球拍架。管材还可制作网球拍架。氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是用来制造柴氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是用来制造柴油发动机的活塞。油发动机的活塞。铝基复合材料的应用铝基复合材料的应用第四十二页，本课件共有66页铝基复合材料的二次加工铝基复合材料的二次加工二次加工是指对基本的复合材料型二次加工是指对基本的复合材料型件如平板、梁和管等所进行的加工、包件如平板、梁和管等所进行的加工、包括括成型成型、连接机械加工连接机械加工和和热处理热处理等工艺过等工艺过程。程。第四十三页，本课件共有66页1成成型型硼硼铝复合材料的成型涉及到它的组分铝复合材料的成型涉及到它的组分强而近强而近于脆性的纤维和软而延性的铝。于脆性的纤维和软而延性的铝。纤维在室温拉伸实验时具有完全纤维在室温拉伸实验时具有完全弹性的弹性的应力应力应变特应变特性，在高温下具有很高的抗蠕变能力，不会有什么塑性性，在高温下具有很高的抗蠕变能力，不会有什么塑性延伸。延伸。由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴向断裂延伸率小于向断裂延伸率小于1，致使零件的加工制造在很多，致使零件的加工制造在很多情况下是在复合材料热压过程中用易于弯曲的预制板情况下是在复合材料热压过程中用易于弯曲的预制板加工成最终形状的。加工成最终形状的。第四十四页，本课件共有66页2连连接接硼铝复台材料与承载结构的硼铝复台材料与承载结构的附件附件的连接是复合的连接是复合材料应用中最重要的工程领域之一。材料应用中最重要的工程领域之一。硼硼铝复合材料的连接技术是基于铝的连接而铝复合材料的连接技术是基于铝的连接而并不考虑硼同硼连接。其目的是想要得到高剪切强并不考虑硼同硼连接。其目的是想要得到高剪切强度的基体连接而不使复合材料的机械性能降低。度的基体连接而不使复合材料的机械性能降低。连结工艺包括固态扩散结合。连结工艺包括固态扩散结合。焊接焊接：标准的焊接工艺是把焊箔放入需要连接的零件之：标准的焊接工艺是把焊箔放入需要连接的零件之间并在接触压力下进行炉中焊。间并在接触压力下进行炉中焊。机械固定机械固定机械固定机械固定和和胶接胶接也是复合材料的有效连接力法。也是复合材料的有效连接力法。第四十五页，本课件共有66页MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了了MMC的应用范围。的应用范围。航天飞机内航天飞机内MMC(Al/B纤维纤维)桁架桁架第四十六页，本课件共有66页以陶瓷颗粒、纤维或晶须作为增强体，可制成以陶瓷颗粒、纤维或晶须作为增强体，可制成镁基复合材料，集超轻、高比刚度、高比强度镁基复合材料，集超轻、高比刚度、高比强度于一身，该类材料比铝基复合材料更轻，具有于一身，该类材料比铝基复合材料更轻，具有更高的比强度和比刚度将是航空航天优选材料。更高的比强度和比刚度将是航空航天优选材料。四四 、镁基复合材料镁基复合材料第四十七页，本课件共有66页镁基复合材料镁基复合材料特点：特点：镁、镁合金及其合金及其镁基基复复合材料的密度合材料的密度一般小于一般小于1.81.8，仅为铝或或铝基基复复合材料的合材料的66%66%左右，是密度最小的左右，是密度最小的MMCMMC之一，而且具之一，而且具有更高的比强度、比有更高的比强度、比刚度以及度以及优良的力良的力学学和物和物理性能。理性能。镁基基MMCMMC常用基体合金：常用基体合金：纯镁强度强度较低，不低，不适合用作适合用作MMCMMC，一般需添加合金元素以合金，一般需添加合金元素以合金化。主要合金元素有化。主要合金元素有AlAl、ZnZn、AgAg、MnMn、和、和稀土金稀土金属属等。等。第四十八页，本课件共有66页镁基基MMCMMC的增的增强体体基本要求：基本要求：与基体有良好的物理、化学相容性，尽量与基体有良好的物理、化学相容性，尽量避免增强体与基体之间的界面反应，浸润性好。避免增强体与基体之间的界面反应，浸润性好。常用的增强体：常用的增强体：C C纤维、纤维、SiCSiC晶须和颗粒、晶须和颗粒、B B4 4C C颗粒等。颗粒等。C C与纯镁不反应，但与镁合金中的与纯镁不反应，但与镁合金中的AlAl、LiLi等反应，可生等反应，可生成碳化铝、碳化锂等化合物，严重损伤成碳化铝、碳化锂等化合物，严重损伤C C纤维，需在纤维，需在C C纤纤维表面进行涂层保护。维表面进行涂层保护。研究表明：研究表明：SiCSiC、B B4 4C C纤维、晶须、颗粒是镁基纤维、晶须、颗粒是镁基MMCMMC的的合适增强体。合适增强体。第四十九页，本课件共有66页镁基基MMCMMC的性能的性能颗粒粒增强镁基MMC的抗拉强度与基体差不多，但耐磨性和耐温性提高。晶晶须增强镁基MMC的抗拉强度和模量都有所提高。纤维增强镁基MMC的抗拉强度和弯曲强度提高很多。第五十页，本课件共有66页镁基基MMCMMC的制的制备表5-9 几种主要镁合金基MMC制备方法第五十一页，本课件共有66页镁基基MMCMMC的的应用用汽汽车制造制造：方向盘减震轴、活塞环、支架、变速箱外壳等；通通讯电子子：手机、便携式电脑等的外壳机械工机械工业：SiC晶须增强镁基MMC用于制造齿轮，SiC颗粒增强镁基MMC耐磨性好可用于制造油泵的壳体、止推板、安全阀等。第五十二页，本课件共有66页五五、钛基复合材料（基复合材料（TMCTMC）特性：特性：钛合金：密度合金：密度4.34.35.15.1，模量，模量8080130GPa130GPa，有，有较高的比高的比强度和比强度和比刚度，度，钛的熔点高，的熔点高，强度能保持到高强度能保持到高温温（使用（使用温温度度800)800)，抗，抗氧氧化和抗化化和抗化学学腐腐蚀性能好。性能好。TMCTMC：比：比钛合金更高的比强度、比模量，合金更高的比强度、比模量，极极佳的耐疲佳的耐疲劳、抗、抗蠕蠕变性能，性能，优异异的高的高温温性能和耐腐性能和耐腐蚀性能，性能，并并克服了克服了钛合金合金耐磨性和耐磨性和弹性模量低等缺点。性模量低等缺点。类型型：颗粒增强、粒增强、连续纤维增强增强钛基基MMCMMC。相容性相容性问题：几乎所有增强体几乎所有增强体与与活性活性TiTi基体基体发生界面反生界面反应形成一形成一种种或多或多种种化合物。因化合物。因为所有所有TMCTMC在制造和在制造和热加工加工过程程中，都要中，都要经历80080012001200的高的高温温暴露，不可避免地暴露，不可避免地发生生界面反界面反应。界面反界面反应退化退化问题：采用采用对增强增强纤维涂涂层处理。理。第五十三页，本课件共有66页颗粒增粒增强TMCTMC特点特点：加工制造工加工制造工艺比比较经济、简便。常用便。常用工工艺精密精密铸造、粉末冶金、造、粉末冶金、锻造、造、挤压、轧制等都可以用于加工制等都可以用于加工TMCTMC。性能性能：钛和和钛合金中加入合金中加入颗粒增强粒增强剂后，后，TMCTMC的硬度、耐磨性能、的硬度、耐磨性能、刚度、耐高度、耐高温温性能得性能得到明到明显改善，而塑性、改善，而塑性、断断裂裂韧性和耐疲性和耐疲劳强度强度有所下降，室有所下降，室温温拉伸强度拉伸强度与与基体相近或低于基基体相近或低于基体。体。第五十四页，本课件共有66页连续纤维增增强TMCTMC特点：特点：具有较高的工作温度6001000），高抗腐蚀性和抗损伤性。但比重较高（工业纯钛密度4.51），制造困难和成本高。力力学学性能性能：纵向强度和弹性模量提高很大，但横向性能较低。第五十五页，本课件共有66页连续纤维增强TMC的力学性能第五十六页，本课件共有66页 钛基复合材料基复合材料 钛钛及及其其合合金金是是比比强强度度、比比刚刚度度最最好好的的基基材材，耐耐蚀蚀性性和和耐耐高温性也很好，易做耐热件。（低于相变温度）高温性也很好，易做耐热件。（低于相变温度）但但钛钛薄薄难难制制，化化学学活活性性高高，与与C C纤纤维维和和B B纤纤维维反反应应生生成成TiCTiC和和TiBTiB2 2白亮层白亮层 。解决办法：。解决办法：高速工艺高速工艺 -缩短高温停留时间缩短高温停留时间 低温工艺低温工艺 -850-850热压热压1515分钟分钟 表面包覆表面包覆 -涂涂SiCSiC 合金化合金化 -提高基体稳定性提高基体稳定性第五十七页，本课件共有66页TMCTMC的的应用用利用利用TMCTMC的耐高温性能，制造耐高温构件。的耐高温性能，制造耐高温构件。美国美国SiCSiC纤维增强纤维增强TMCTMC用于航天飞机的机翼、用于航天飞机的机翼、机身的蒙皮、支撑梁及加强筋；导弹尾翼、汽车机身的蒙皮、支撑梁及加强筋；导弹尾翼、汽车发动机气门阀、连杆等。发动机气门阀、连杆等。第五十八页，本课件共有66页六六、金属基复合材料的制备工艺金属基复合材料的制备工艺 金属基复合材料的制备工艺种类繁多，主要根据基体与增金属基复合材料的制备工艺种类繁多，主要根据基体与增金属基复合材料的制备工艺种类繁多，主要根据基体与增金属基复合材料的制备工艺种类繁多，主要根据基体与增强体的性质决定，基体的选择一般有强体的性质决定，基体的选择一般有强体的性质决定，基体的选择一般有强体的性质决定，基体的选择一般有3 3条原则：条原则：条原则：条原则：1）复合材料的使用要求）复合材料的使用要求这是选择基体材料的主要依据。这是选择基体材料的主要依据。2）复合材料的组成特点）复合材料的组成特点不同的增强体对基体的选择影响较大。不同的增强体对基体的选择影响较大。3）复合材料的界面相容性）复合材料的界面相容性复合材料的界面相容性包括增强体与基体间的物理相容复合材料的界面相容性包括增强体与基体间的物理相容性和化学相容性。性和化学相容性。第五十九页，本课件共有66页 金金属属基基复复合材料制造方法及合材料制造方法及关关键技技术 金金属属基基复复合材料的制合材料的制备方法根据增强体方法根据增强体产生生的方式不同可以分的方式不