金属基复合材料绪论.ppt

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1、金属基复合材料金属基复合材料 metalmatrixcomposite主讲人：谢雁一、课程目的及要求一、课程目的及要求金属基复合材料是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强体人工结合而成的复合材料。金属基复合材料与聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料一起构成现代复合材料体系。本课程给出了金属基复合材料的体系和框架，分别论述了增强体材料，金属基复合材料的设计、制造技术、加工成形、界面及特征、性能，损伤与失效，应用与发展趋势。其内容新颖，具有系统性和实用性，反映了国内外的科研新成果。课程简介课程简介金属基复合材料是一种新型的，对许多工业领域有重要影响的材料。它以物理冶金原

2、理、界面化学、应力分析和工艺科学为基础，围绕颗粒、短纤维和长纤维增强体，描述了增强体的存在对金属基复合材料的刚性、强化和断裂特性的影响，其中包括评价纤维或颗粒的存在对载荷传递和改善微观组织方面的作用。目前几种先进复合材料的结合方式第1章绪论材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。近40年来，科学技术迅速发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料性能提出越来越高、越来越严和越来越多的要求。在许多方面，传统的单一材料已越来越不能满足实际需要。复合材料(Composites)的出现是金屑、陶瓷、高分子等单质材料发展和应用的必然结果，是各种单质材料研制和使用经验的综合，也是这些单质材料技术

3、的升华。复合材料的兴起与发展极大地丰富了现代材料的家族，为人类社会的发展开辟了无限的想像空间，也为材料科学与工程学的持续发展注入了强大的生机与活力。先进复合材料(AdvancedComposites)，指的是在性能和功能上远远超出其单质组分性能和功能的一大类新材料，它们通常都是在不同尺度、不同层次上结构设汁、结构优化的结果，融会贯通了各种单质材料发展的最新成果，甚至产生了原单质材料根本不具备的全新的高性能与新功能。这种高性能与新功能的出现，主要源于复杂的复合效应、界面效应、不同层次的尺度效应等，它们构成了现代复合材料科学的基础、研究热点与发展方向。在发展历程上，先进结构复合材料起源于20世纪5

4、060年代航空、航天和国防等尖端技术领域的需求，至今仍然是这些领域最寓有研究潜力的战略性结构材料，并带动了整个工业技术的进步。因复合材料具有可设计性和性能优异等特点而受到奋发达国家的重视，因而发展很快，目前已开发出许多性能优良的先进复合材料，井在航空、航天、汽车、电子、建筑、医药、体育器材等方面应用且应用前景极为广阔。当今21世纪将是复合材料的快速发展和应用的时代。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来说，具有说，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

5、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。金属基复合材料金属基复合材料的这些的这些优良的性能优良的性能决定了它决定了它已已从诞生之日起从诞生之日起就成了新材料家族中的重就成了新材料家族中的重要一员，它已经在一些领域里得到应用并要一员，它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。且其应用领域正在逐步扩大。金属基复合材料的发展史金属基复合材料的发展史金属基复合材料(MetalMatrixComposites，简称MMCs)是以陶瓷(连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒)为增强材料，金属(如铝、镁、钛、镍、铁、铜等)为基体材料而制备的。MMC。

6、问世至今已有40余年，由于具有高的比强度、比模量、耐高温、耐磨损以热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的物理性能和力学性能，克服了树脂基复合材料在宇领域中使用时存在的缺点，得到了令人瞩目的发展，成为各国高新技术研究开发的重要领域。对金属基复合材料的研究和应用目前处于世界领先的国家主要是美国和日本。美国从20世纪60年代就开始对金属基复合材料进行了研究，70年代转入实用化阶段，到了80年代就开始大量在航天、航空工业中应用。日本在金属基复合材料的研究和发展是起步较晚的，日本工业大约在20世纪80年代初期，才开始对MMCs的研究投入兴趣，但发展速度却很快，只用了20年左右的时间就迅速在世界金属基复合材料

7、的生产和应用研究领域占据了非常重要的地位。日本不仅成功地大规模制造出了长纤维、晶须等多种类型的MMCs的增强体，而且仅在美国实际应用金属基复合材料两年后，日本的本田汽车公司就首先在气缸体活塞上用了Al2O3增强铝合金基复合材料，并实现了大规模工业化生产。从而使日本在90年代末期迅速地走到了MMCs领域的前列。目前，据不完全统计，日本至少有40家左右的公司都在进行金属基复合材料的开发与研究。目前，金属基复合材料已在航军事领域及汽车、电子仪表等行业中显示巨大的应用潜力。但是，金属基复合材料由于加工工艺不够完善、成本较高，还没有形成大规模批量生产，因此仍是当前研究和开发的热点。1高比强度、高比模量高

8、比强度、高比模量由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强体，明显提高了复合材料的比强度和比模量，特别是高性能连续纤维硼纤维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的强度和模量。密度只有1.859cm3碳纤维的最高强度可达到。7000MPa，比铝合金强度高出10倍以上，石墨纤维的模量为230830GPa。硼纤维密度为2.42.69cm3，强度为23008000MPa，模量为350450GPa。碳化硅纤维密度为2.53.49cm3，强度为30004500MPa，模量为350450GPa。加入30，50，的高性能纤维作为复合材料的主要承载体，复合材料的比强度、

9、比模量成倍地高于基体合金的比强度和比模量。2导热、导电性能导热、导电性能金属基复合材料中金属基体占有很高的体积分数，一般在60以上，因此仍保持金属所特有的良好导热和导电性。良好的导热性可以有效地传热，减小构件受热后产生的温度梯度和迅速散热，这对尺寸稳定性要求高的构件和高集成度的电子器件尤为重要。良好的导电性可以防止飞行器构件产生静电聚集的问题。在金属基复合材料中采用高导热性的增强体还可以进一步提高金属基复合材料的热导率，使复合材料的热导率比纯金属基体还高。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、金刚石颗粒增强的铝基、铜基复合材料的热导率比纯铝、铜还高，用

10、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，提高了集成电路的可靠性。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所用的增强物碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等既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具有负的热膨胀系数。加入相当含量的增强体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体的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种工况要求。例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维的体积分数达到48时，复合材料的热膨胀系数为零即在温度变化时使用这种复合材料做成的零件不发生热变形，这对人造卫星构件特别重

11、要。通过选择不同的基体金属和增强体，以一定的比例复合在一起，可得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复合材料。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，增强纤维、晶须、颗粒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具有比基体金属更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料。在复合材料中纤维起着主要承载作用，纤维强度在高温下基本上不下降，可保持到接近金属熔点，并比金属基体的高温性能高许多。如钨丝增强耐热合金，其1100、100h高温持久强度为207MPa，而基体合金的高温持久强度只有48MPa；又如石墨纤维增强铝基复合材料，在500高温下仍具

12、有600MPa的高温强度，而铝基体在300强度已下降到100MPa以下。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。总之，金属基复合材料做成的零构件比金属材料、聚合物基复合材料零件能在更高的温度条件下使用。5耐磨性好耐磨性好金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强的金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是因为在基体金属中加入了大量的陶瓷增强体，特别是细小的陶瓷颗粒所致。陶瓷材料硬度高、耐磨、化学性质稳定，用它们来增强金属不仅提高了材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。6良好的疲劳性能和断裂韧度良好的疲劳性能和断裂韧度金属基复合材料的疲劳性能和断

13、裂韧度取决于纤维等增强体与金属基体的界面结合状态，增强体在金属基体中的分布以及金属、增强体本身的特性，特别是界面状态。最佳的界面结合状态既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧度。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，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，这比聚合物基复合材料优越，在空间使用也不会分解出低分子物质污染仪器和环境，有明显的优越性。总之，金属基复合材料所具有的高比强度、高比模量、良好的导热性、导电性、耐磨性、高温性能、低的热膨胀系数、高的尺寸稳定性等优异的综合性能，使金属基复合材料在航天、航空、电子、汽车、等领域均具有广泛的应用前景。