复合材料-第五章金属基CM.ppt

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1、上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回2023/4/11 复合材料教案第五章 性能 分类 制备 应用 概述 Metal Matrix Composite(MMC)第五章第五章 金属基复合材料金属基复合材料 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回概概 述述 金属基复合材料是以金属及其合金为基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相人工体，与一种或几种金属或非金属增强相人工合成的复合材料。合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如碳化其增强材料大多为无机非金属，如碳化硅、碳、石墨及硼等，也可以是金属丝。硅、碳、石墨及硼等，也可以是

2、金属丝。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 MMC是是20世世纪纪60年年代代初初,航航空空航航天天技技术术的的发发展展，促促进进了了定定向向凝凝固固复复合合材材料料、难难熔熔金金属属丝丝增增强强高高温温合合金金材材料料的的研研究究开开发发，并并出出现现了了硼硼纤纤维维增增强强铝铝基基复复合合材料材料；7070年年代代中中期期，碳碳纤纤维维增增强强铝铝基基复复合合材材料料的的研研制制以及应用得到发展；以及应用得到发展；7070年年代代末末期期，先先后后出出现现了了碳碳化化硅硅和和氧氧化化铝铝增增强强铝铝、钛钛等等多多种种金金属属基基复复合合材材料料，逐逐渐渐形形成成金金属

3、属基基复复合材料体系。合材料体系。概述概述MMC的沿革与发展的沿革与发展上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 80年年初初开开始始，人人们们开开始始重重视视对对金金属属基基复复合合材材料料制制备备工工艺艺的的研研究究，各各种种制制备备工工艺艺相相继继问问世世。这这些些工工艺艺技技术术的的不不断断出出现现，又又使使复复合合材材料料的的成成本本不不断断下下降降，从从而而使使金金属属基基复复合合材材料料从从航航空空航航天天与与军军工工业业转转向向民民用，如汽车工业的应用。用，如汽车工业的应用。从从80年年代代开开始始，人人们们逐逐渐渐重重视视对对金金属属基基复复合合材材料界面及界

4、面稳定性的研究。料界面及界面稳定性的研究。概述概述MMC的沿革与发展的沿革与发展上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 金金属属基基复复合合材材料料的的发发展展只只有有4040多多年年的的历历史史，还还处处在在一一个个蓬蓬勃勃发发展展的的新新阶阶段段。从从MMCMMC的的发发展展看看，今今后它的研究与开发主要集中在以下几个方面：后它的研究与开发主要集中在以下几个方面：（1 1）不不同同金金属属基基体体与与不不同同种种类类与与形形态态的的增增强强材材料的复合效果；料的复合效果；（2 2）开发新型增强材料；）开发新型增强材料；（3 3）制备工艺的研究与开发；）制备工艺的研究与开发

5、；（4 4）界面优化的研究；）界面优化的研究；（5 5）扩大应用领域与范围。）扩大应用领域与范围。概概 述述 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回6.1 MMC6.1 MMC的种类和基本性能的种类和基本性能6.1.1 MMC6.1.1 MMC的种类的种类 1.按基体分类按基体分类（1）铝基复合材料）铝基复合材料（2）镍基复合材料）镍基复合材料（3）钛基复合材料）钛基复合材料（4）镁镁基基复复合合材材料料：镁镁在在地地壳壳中中储储量量居居金金属属的的第第三三位位。镁镁的的密密度度为为1.74g/cm3。镁镁基基复复合合材材料料强强度度与与模模量量较较低低，但但具具有有很很高高

6、的的导导热热/热热膨膨胀胀比比值值，在在温温度度变变化化环环境境中中，是是一一种种尺尺寸寸稳稳定定性性极极好好的的宇宇宙宙空空间材料。间材料。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回2.2.按增强材料分类按增强材料分类（1 1）颗粒增强复合材料）颗粒增强复合材料（2 2）层状复合材料）层状复合材料（3 3）纤维增强复合材料）纤维增强复合材料6.1.2 MMC6.1.2 MMC性能特点性能特点1.1.高比强度、比模量高比强度、比模量纤纤维维增增强强金金属属基基复复合合材材料料的的比比强强度度和和比比模模量量明明显显优优于于金金属属材材料料；颗颗粒粒增增强强复复合合材材料料比比强强

7、度度增增加加不不明明显，但比模量则有显著提高。显，但比模量则有显著提高。6.1 MMC6.1 MMC的种类和基本性能的种类和基本性能上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 在在纤纤维维增增强强复复合合材材料料中中，金金属属基基体体强强度度对对非非纤纤维维增增强强方方向向，如如横横向向强强度度、抗抗扭扭强强度度以以及及层层间间剪剪切切强强度度等等性性能能方方面面起起到到关关键键性性作作用用。金金属属基基体体的的模模量量比比聚聚合合物物材材料料高高1 12 2数数量量级级，这这对对要要求求高高模模量量复复合合材材料料来来说说显显得得特特别别重重要要，尤尤其其是是在在飞飞行行器器和

8、和飞飞机机发发动动机机风风扇扇叶叶片片，垂垂直直尾尾翼翼和和机机身身骨骨架架等等动动力力结结构构中中所所要要求求的的横横向向模模量量和和剪剪切切模模量量，金金属属基基复复合合材材料料远远高于聚合物基复合物材料。高于聚合物基复合物材料。6.1 MMC6.1 MMC的种类和基本性能的种类和基本性能上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 2.2.高韧性和高冲击性能高韧性和高冲击性能 相相对对聚聚合合物物、陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料而而言言，具具有高韧性和耐冲击性能。有高韧性和耐冲击性能。3.3.高温性能好、对热冲击的敏感性低高温性能好、对热冲击的敏感性低6.1.2 MMC性能特点

9、性能特点 B Bf f/Al/Al在在400400温温度度下下仍仍具具有有高高的的高高温温度度比比强强度度，而而B Bf f/环环氧氧树树脂脂虽虽然然在在室室温温时时具具有有比比金金属属基基复复合合材材料料更更高高的的比比强强度度，但但在在约约在在150150时时的的比比强强度度已显著下降。已显著下降。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 B Bf f/Al/Al和和基基体体相相比比，复复合合材材料料可可以以提提高高使使用用温温度度100100以以上上，图图中中2024Al2024Al在在316316时时其其比比强强度度损损失失已达已达70%70%以上，而以上，而B Bf

10、f/Al/Al可以在可以在350350400400下工作。下工作。金金属属基基复复合合材材料料的的耐耐热热冲冲击击性性能能优优于于树树脂脂基基和和陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料。6.1.2 MMC性能特点性能特点上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回5.5.导热、导电性能好。导热、导电性能好。4.4.表面耐久性好，表面缺陷敏感性低表面耐久性好，表面缺陷敏感性低 金金属属基基复复合合材材料料中中金金属属基基体体对对表表面面裂裂纹纹的的敏敏感感性性比比聚聚合合物物或或陶陶瓷瓷小小得得多多，表表面面坚坚实实耐耐久久，尤尤其其是是颗颗粒粒、晶晶须须增增强强金金属属基基复复合合材材料料

11、常常作作为为工工程程构构件件中中的耐磨件使用。的耐磨件使用。6.1.2 MMC性能特点性能特点上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 7.不存在老化、分解、吸潮问题不存在老化、分解、吸潮问题 有有些些纤纤维维，如如硼硼纤纤维维与与钛钛合合金金的的热热膨膨胀胀系系数数接接近近，在在B Bf f/Ti/Ti中中热热应应力力可可以以降降至至很很低低。C Cf f/Al/Al复复合合材材料经过设计后，可使复合材料的热膨胀系数接近零。料经过设计后，可使复合材料的热膨胀系数接近零。6.6.良好的热匹配性良好的热匹配性 6.1.2 MMC性能特点性能特点上一内容上一内容下一内容下一内容回主

12、目录回主目录返回返回 复复合合材材料料性性能能主主要要由由纤纤维维性性能能及及分分量量、基基体体性性能能及及分分量量、微微观观结结构构、纤纤维维（长长短短、分分布布、取取向向）和和界面结构等所决定。界面结构等所决定。混合法则（混合定律）混合法则（混合定律）基基体体和和增增强强材材料料的的性性能能和和所所占占分分量量的的大大小小极极大大地地影影响响着着复复合合材材料料的的性性能能。用用V V表表示示体体积积，W W表表示示重重量量，下下标标f f表表示示纤维（增强材料），纤维（增强材料），m m表示基体，表示基体，c c表示复合材料。表示复合材料。体积分量：体积分量：f f=V Vf f/V/V

13、c c m m=V Vm m/V/Vc c 性能计算时用性能计算时用 （5-15-1）6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回重量分量：重量分量：f f=W Wf f/W/Wc c m m=W=Wm m/W Wc c 制造时用制造时用 （5-25-2）由于由于 f f+m m=1 =1 f f+m m=1=1 W Wc c=W Wf f+W+Wm m (5-3)(5-3)那么把那么把W=W=VV代入式（代入式（5-25-2），则），则 f f=W Wf f/W/Wc c=(=(f fV Vf f)/()/(

14、c cV VC C)=()=(f f/c c)f f m m=W=Wm m/W Wc c=(=(m mV Vm m)/()/(c cV Vc c)=()=(m m/c c)m m (5-4)(5-4)从从式式（5-45-4）知知，若若已已知知各各材材料料组组元元的的密密度度及及复复合合材材料料的密度，则可把体积分量换算成重量分量，反之亦然。的密度，则可把体积分量换算成重量分量，反之亦然。6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 若把若把W=W=VV代入式（代入式（5-35-3），则），则 c cV Vc c

15、=f fV Vf f+m mV Vm m或或c c=f f(V(Vf f/V/Vc c)+)+m m(V(Vm m/V/Vc c)=)=f ff f+m mm m （5-5-5 5）由由上上式式可可知知，复复合合材材料料的的密密度度可可由由构构成成复复合合材材料料的的组组元元的的密密度度及及体体积积分分量量求求出出，式式（5-55-5）还还可可推推广广用用于于复复合材料的其它的一些性能，通用表达式可写为：合材料的其它的一些性能，通用表达式可写为：X Xc c=X Xm mm m+X+Xf1f1f1f1+X+Xf2f2f2f2+(5-6)(5-6)X Xc c表表示示复复合合材材料料的的性性能能

16、，如如弹弹性性模模量量、强强度度等等参参量量，f1f1、f2f2表示多于一种的增强材料。表示多于一种的增强材料。6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 使使用用混混合合法法则则估估算算复复合合材材料料的的性性能能时时，复复合合材材料料应满足下列条件：应满足下列条件：复合材料宏观上是均质的，不存在内应力；复合材料宏观上是均质的，不存在内应力；各各组组元元材材料料是是均均质质的的各各向向同同性性（或或正正交交异异性性）及线弹性材料；及线弹性材料；各组元之间粘结牢靠，无孔隙。各组元之间粘结牢靠，无孔隙。式式（5

17、-6）称称为为混混合合定定律律，也也称称为为混混合合法法则则，它它表表示示复复合合材材料料的的性性能能随随组组元元材材料料含含量量的的变变化化呈呈线线性性变变化。化。6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能 混混合合定定律律表表达达了了复复合合材材料料的的性性能能与与基基体体和和增增强强材材料料的的性性能能及及分分量量的的关关系系。但但实实际际上上复复合合材材料料的的性性能能除除这这两两个个因因素素外外，还还受受许许多多其其它它因因素

18、素的的影影响响，如如基基体体的的微微观观结结构构、增增强强材材料料的的颗颗粒粒大大小小、纤纤维维长长短短、分分布布情情况况以以及及取取向向、界界面面的的结结构构性性能能及及粘粘结结情情况况等等。因因此此在在用用混混合合定定律律计计算算复复合合材材料料的的性性能能时时，也也应应考考虑这些因素对性能的影响。虑这些因素对性能的影响。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能 1.1.纤维增强金属基复合材料（纤维增强金属基复合材料（FRMMCFRMMC）的性能）的性能 强度与模量强度与模量纵向强度纵向强度：基本符合

19、混合法则，可用下式表示：基本符合混合法则，可用下式表示：cu=fuf+*m（1-f）（6-1）cu：复合材料抗拉强度。：复合材料抗拉强度。fu：纤维的抗拉强度。：纤维的抗拉强度。*m：基体对应纤维断裂应变时的应力。：基体对应纤维断裂应变时的应力。f：纤维的体积分量。纤维的体积分量。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回纵向模量纵向模量：纵向拉伸模量可由混合法则来确定：纵向拉伸模量可由混合法则来确定：Ec=Eff+Em(1-f)(6-2)E Ec c、E Ef f和和E Em m分分别别表表示示复复合合材材料料、纤纤维维和和基基体体的的模模量。量。横向强度与模量横向强度与模量：

20、MMC的的横向强度和模量低于纵横向强度和模量低于纵向强度和模量。向强度和模量。从从图图可可知知：复复合合材材料料的的纵纵、横横向向强强度度和和模模量量随随纤纤维维含含量量的的增增加加而而线线性性增增加加，并并基基本本取取决决于于纤纤维维的的强强度。度。6.1.3 MMC 6.1.3 MMC的力学性能的力学性能FRMMCFRMMC上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 与纵向相比，与纵向相比，FRMMCFRMMC的横向强度的降低显著，的横向强度的降低显著，而横向模量下降相对少一些。如图中，在而横向模量下降相对少一些。如图中，在AlAl2 2O O3 3纤纤维含量为维含量为202

21、060%60%时，复合材料的横向强度比纵向时，复合材料的横向强度比纵向强度下降了强度下降了606070%70%，但横向模量只降低了，但横向模量只降低了202030%30%。6.1.3 MMC 6.1.3 MMC的力学性能的力学性能FRMMCFRMMC上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 冲击韧性冲击韧性 FRMMCFRMMC的的抗抗冲冲击击性性能能与与纤纤维维的的分分布布位位向向以以及及纤纤维维的含量的含量有关，有关，如图如图：可可以以看看出出：LTLT类类（缺缺口口纤纤维维方方向向）缺缺口口取取向向的的冲冲击击韧韧性性最最大大，并并且且随随纤纤维维含含量量的的增增加加而而

22、增增加加；TTTT（缺缺口口横横向向增增强强纤纤维维）和和TLTL（缺缺口口纵纵向向增增强强纤纤维维）缺缺口口取取向向的的冲冲击击韧韧性性很很小小，而而且且与与纤纤维维的的含含量关系不大。量关系不大。6.1.3 MMC 6.1.3 MMC的力学性能的力学性能FRMMCFRMMC上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回对于对于LTLT方向：方向：FRMMCFRMMC冲击性能为：冲击性能为：单单位面位面积积冲冲击击吸收能量；吸收能量；f f：纤维纤维强强度；度；d d：纤维纤维直径；直径；f f：纤维纤维体体积积含量；含量；9090：复合材：复合材料横向抗拉料横向抗拉强强度；度；c

23、 c：常数。：常数。即即：FRMMCFRMMC的的冲冲击击性性能能与与纤纤维维的的f f2 2、d d、f f 的的乘积成正比，而与复合材料横向强度成反比。乘积成正比，而与复合材料横向强度成反比。6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能（6-3）上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能 由（由（6-3）式可知，为了获得韧性较好的）式可知，为了获得韧性较好的FRMMCFRMMC,在相同增强纤维及含量的情况下，尽量采用大直径在相同增强纤维及含量的情况下，尽量采用大直径纤维或纤维

24、束，以增大纤维间间距，尽可能利用金纤维或纤维束，以增大纤维间间距，尽可能利用金属基体的韧性。属基体的韧性。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回2.2.颗粒颗粒(Particle)(Particle)、晶须、晶须(WiskerWisker)增强增强(Reinforcement)(Reinforcement)金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能(PRMMCPRMMC、WRMMC WRMMC）颗颗粒粒及及晶晶须须增增强强金金属属基基复复合合材材料料是是目目前前应应用用范范围围最最广广，开开发发前前景景最最大大的的一一种种金金属属基基复复合合材材料料。其其基基体体大大多多采采用

25、用密密度度较较低低的的铝铝、镁镁和和钛钛合合金金，增增强强材材料料为为碳碳化化硅硅、碳碳化化硼硼、氧氧化化铝铝颗颗粒粒或或晶晶须须，其其中中以以SiCSiC为主。为主。6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 强度与模量强度与模量 PRMMCPRMMC的抗拉强度的抗拉强度：混合法则修正得到：混合法则修正得到：式中：式中：mymy：基体的屈服强度。：基体的屈服强度。mumu：基体的抗拉强度。：基体的抗拉强度。I Ip p/d/dp p：颗粒的长径比。：颗粒的长径比。p p、m m ：分别为颗粒和基体的体积分量

26、。：分别为颗粒和基体的体积分量。（6-46-4）6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回WRMMCWRMMC的抗拉强度：的抗拉强度：混合法则修正混合法则修正 式中式中 my：基体的屈服强度。：基体的屈服强度。mu：基体的抗拉强度。：基体的抗拉强度。w、m：分别为晶须、基体体积分量。：分别为晶须、基体体积分量。Iw/dw：晶须长径比；：晶须长径比；c:晶须分布位向因子晶须分布位向因子，一般取，一般取0.250.5。6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能 （6-56-5）上一内

27、容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 晶晶须须在在长长径径比比值值上上远远高高于于颗颗粒粒，因因此此对对比比式式（6-4）和和（6-5）可可知知晶晶须须的的增增强强效效果果显显著著比比颗颗粒粒大，如图所示。大，如图所示。6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 从从上上图图看看出出，晶晶须须对对复复合合材材料料的的增增强强效效果果明明显显，而而颗颗粒粒增增强强效效果果不不明明显显。由由图图还还知知：无无论论是是颗颗粒粒增增强强，还还是是晶晶须须增增强强，复复合合材材料料的的强强度度是是随随增增

28、强强材材料料的体积含量增加而增加的。的体积含量增加而增加的。6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回PRMMCPRMMC和和WRMMCWRMMC的模量的模量：基本符合混合法则，即在纵基本符合混合法则，即在纵向拉伸时：向拉伸时：Ec=Ep.wp.w+Emm 式式中中Ep.w、p.w分分别别为为颗颗粒粒或或晶晶须须的的模模量量及及体体积积分分量量。由由于于晶晶须须和和颗颗粒粒增增强强材材料料在在模模量量上上差差别别不不大大，因因而而对对模模量量的的增增强强效效果果是是接近的。接近的。6.1.3 6.1.3 金属

29、基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 断断裂裂韧韧性性：颗颗粒粒与与晶晶须须增增强强金金属属材材料料强强度度与与模模量的同时，也降低了其塑性与韧性。量的同时，也降低了其塑性与韧性。PRMMCPRMMC断裂韧性：断裂韧性：随随着着颗颗粒粒直直径径d dp p增增加加、颗颗粒粒体体积积含含量量减减少少，复复合合材料的断裂韧性增加。材料的断裂韧性增加。6.1.3 MMC 6.1.3 MMC的力学性能的力学性能-PRMMC-PRMMC、WRMMCWRMMC上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 WRMMCWRMMC的的断

30、断裂裂韧韧性性比比PRMMCPRMMC差差，因因为为在在晶晶须须增增强强复复合合材材料料中中晶晶须须前前沿沿会会造造成成应应力力集集中中，容容易易引引发发裂裂纹纹或便于裂纹的扩展。或便于裂纹的扩展。试样厚度，试样厚度，mm颗粒与晶须增强复合材料的断裂韧性比较颗粒与晶须增强复合材料的断裂韧性比较断断裂裂韧韧性性MPa 6.1.3 6.1.3 金属基复合材料的力学性能金属基复合材料的力学性能上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺 选择复合材料的制备方法时应注意：选择复合材料的制备方法时应注意：1.1.制备过程中应保护增强体和金属基体，最大限

31、制备过程中应保护增强体和金属基体，最大限度地减少对增强体的损伤；度地减少对增强体的损伤；2.2.使增强体以设计的体积分数和排列在基体中达使增强体以设计的体积分数和排列在基体中达到预定的方向与分布；到预定的方向与分布；3.3.尽量避免增强体与金属基体之间发生各种不利尽量避免增强体与金属基体之间发生各种不利的化学反应，得到合适的界面结构和性能；的化学反应，得到合适的界面结构和性能；4.4.工艺方法简单易行，适于批量生产，尽可能净工艺方法简单易行，适于批量生产，尽可能净成型而将二次加工量减至最低限度。成型而将二次加工量减至最低限度。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 6.2 6

32、.2 MMC制备工艺制备工艺 在在制制成成复复合合材材料料之之前前，金金属属基基体体材材料料可可以以是是熔熔融融、粉粉末末或或板板箔箔形形式式。金金属属基基复复合合材材料料的的制制备备工工艺艺分分为为四四大大类类：即即（1）固固态态法法；（2）液液态态法法；（3）喷喷射射与与喷喷涂涂沉沉积积法法；（4）原原位位复复合合法法。前前三三种种方方法法中中，有有时时要要先先对对纤纤维维进进行行表表面面处处理理（称称为为纤纤维表面改性）。维表面改性）。一、一、固态法固态法 MMCMMC的的固固态态制制备备工工艺艺主主要要为为扩扩散散结结合合和和粉粉末末冶冶金金两种方法。两种方法。上一内容上一内容下一内容

33、下一内容回主目录回主目录返回返回1.1.扩散结合法扩散结合法 扩扩散散结结合合工工艺艺是是金金属属材材料料的的一一种种固固态态焊焊接接技技术术，在在一一定定温温度度的的压压力力下下，把把相相同同或或不不相相同同的的金金属属，通通过表面原子的互相扩散而连接在一起。过表面原子的互相扩散而连接在一起。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺固态法固态法 工艺过程为：将经过预处理的连续纤维按设计工艺过程为：将经过预处理的连续纤维按设计要求在某方向排列好，用基体金属箔夹紧、叠合、要求在某方向排列好，用基体金属箔夹紧、叠合、固定，然后将其在真空或惰性气氛中加热至基体金固定，然后将其在真空或惰性气氛中加热至基

34、体金属熔点以下进行热压，通过扩散焊接的方式实现材属熔点以下进行热压，通过扩散焊接的方式实现材料的复合化和成形。料的复合化和成形。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺固态法固态法 扩散结合法制备扩散结合法制备MMC的工艺过程的工艺过程上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回（1）纤维的排布纤维的排布：a.采用有机粘结剂粘结；采用有机粘结剂粘结；b.采用带槽的箔板，将纤维排布在其中；采用带槽的箔板，将纤维排布在其中；c.采采用用等等离离子子喷喷涂涂。即即先先在在金金属属基基体体箔箔上上用用缠缠绕绕法法排排布布好好一一层层纤

35、纤维维，然然后后再再喷喷涂涂一一层层与与基基体体金金属属相相同同的的金金属属，将将增增强强纤纤维维与与基基体体金金属属粘粘接接固固定定在在一一起；起；6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺固态法固态法 扩散结合工艺中，主要有三个关键步骤：扩散结合工艺中，主要有三个关键步骤：上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺固态法固态法 d.复合丝排列。将连续纤维用液态浸渗法制成复合丝排列。将连续纤维用液态浸渗法制成复合丝，再将复合丝按一定顺序排列。复合丝也可复合丝，再将复合丝按一定顺序排列。复合丝也可与基体金属箔交互排列。与基体金属箔交互排列。上一

36、内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回（2 2）叠叠合合与与封封装装：叠叠合合是是将将排排布布好好纤纤维维的的幅幅片片或或预预制制件件经经剪剪裁裁成成一一定定形形状状，根根据据复复合合材材料料制制品品的的要要求求叠叠合合成成一一定定厚厚度度。为为防防止止复复合合材材料料在在热热压压中中氧氧化化，叠合好的复合材料应真空封装于金属模套中。叠合好的复合材料应真空封装于金属模套中。（3 3）热热压压：热热压压工工艺艺参参数数主主要要为为热热压压温温度度、压压力力和和时时间间。在在热热压压时时，基基体体金金属属箔箔板板在在压压力力的的作作用用下下，发发生生塑塑性性变变形形，经经过过一一定定

37、温温度度和和时时间间的的作作用用扩扩散散而而焊焊接接在在一一起起，并并将将增增强强纤纤维维固固定定在在其其中中，形形成成金金属属基复合材料。基复合材料。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺固态法固态法 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回工艺优点：工艺优点：1.1.是是连连续续纤纤维维增增强强并并能能按按照照铺铺层层设设计计要要求求排排布布的的唯一可行的唯一可行的MMC制备工艺；制备工艺；2.增强纤维与基体的湿润问题容易解决；增强纤维与基体的湿润问题容易解决；3.在在热热压压时时可可通通过过控控制制工工艺艺参参数数的的办办法法来来控控制制界界面反应；面反应；4.制制备备的

38、的MMC可可以以进进行行热热挤挤压压、热热扎扎等等二二次次加加工。工。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺扩散结合法扩散结合法 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回工工艺艺缺点：缺点：1.1.工工艺过艺过程复程复杂杂，手工操作多，成本高；，手工操作多，成本高；2.2.工工艺艺参数控制要求参数控制要求严严格。格。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺扩散结合法扩散结合法 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回2.2.粉末冶金法粉末冶金法 用用以以制制造造颗颗粒粒、短短切切纤纤维维或或晶晶须须增增强强金金属属基基复复合合材材料料构构件件，还还可可以以制制造造

39、复复合合材材料料坯坯件件，再再经经挤挤压压、轧轧制制、锻锻压压、旋旋压压等等二二次次加加工工方方法法制制造造复复合合材材料料构构件。件。粉粉末末冶冶金金工工艺艺是是：首首先先采采用用超超声声波波或或球球磨磨等等方方法法将将金金属属粉粉末末与与增增强强体体混混匀匀，然然后后冷冷压压预预成成型型（压压坯坯），得得到到复复合合坯坯件件，最最后后通通过过热热压压烧烧结结致致密密化化获获得得复复合材料成品。合材料成品。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺固态法固态法 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 基基体体合合金金粉粉末末与与颗颗粒粒、短短切切纤纤维维和和晶晶须须的的混混合合

40、均均匀匀程程度度及及基基体体粉粉末末防防止止氧氧化化的的问问题题是是整整个个工工艺艺的的关键。关键。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺固态法固态法 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回工艺优点工艺优点：（1 1）热热压压或或烧烧结结温温度度低低于于金金属属熔熔点点，从从而而减减小小界界面面反反应应对对复复合合材材料料性性能能的的不不利利影影响响，同同时时可可以以通通过过热热压压或或烧烧结结时时的的温温度度、压压力力和和时时间间等等工工艺艺参参数数来来控控制界面反应。制界面反应。（2 2）可可根根据据MMC的的性性能能要要求求，使使增增强强材材料料（颗颗粒粒、短短切切纤纤

41、维维晶晶须须）与与基基体体金金属属粉粉末末以以任任何何比比例例混混合。合。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺粉末冶金法粉末冶金法 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回（3 3）可可以以降降低低增增强强材材料料与与基基体体互互相相湿湿润润的的要要求求，也降低了增强材料与基体粉末的密度差要求。也降低了增强材料与基体粉末的密度差要求。（4 4）组织细化、均匀，无偏析、偏聚等缺陷。）组织细化、均匀，无偏析、偏聚等缺陷。（5 5）制制备备的的MMC可可以以通通过过传传统统的的金金属属加加工工方方法法进行二次加工。进行二次加工。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺粉末冶金法粉末冶

42、金法 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回工艺缺点工艺缺点：（1 1）工艺过程复杂。工艺过程复杂。（2 2）受受压压机机工工作作吨吨位位限限制制，制制备备大大尺尺寸寸坯坯件件和和零零件困难。件困难。(3)(3)材材料料或或制制件件的的致致密密性性较较差差，基基体体与与增增强强材材料料界面结合欠佳。界面结合欠佳。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺粉末冶金法粉末冶金法 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回二、液态法二、液态法 液液态态法法是是指指金金属属基基体体在在制制备备复复合合材材料料时时均均处处于于液液态态，包包括括挤挤压压铸铸造造、半半固固态态复

43、复合合铸铸造造、液液态态渗渗透透以以及及搅搅拌拌法法和和无无压压渗渗透透法法。液液态态法法的的工工艺艺及及设设备备相相对对简简便便易易行行，制制备备成成本本较较低低，是是目目前前制制备备颗颗粒粒、晶晶须和短纤维增强须和短纤维增强MMC的主要工艺方法。的主要工艺方法。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 1.1.挤压铸造挤压铸造 6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺液态法液态法 挤挤压压铸铸造造是是将将液液态态的的MMCMMC直直接接注注入入挤挤压压模模型型腔腔或或将将金金属属直直接接注注入入放放有有增增强强材材料料预预制制件件的的型型

44、腔腔中中，然然后后施施行行挤挤压压过过程程，在在压压力力下下使使MMCMMC在在型型腔腔内内凝凝固固成成型或使金属压入预制件的孔隙中凝固的工艺。型或使金属压入预制件的孔隙中凝固的工艺。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 挤压铸造制备挤压铸造制备MMCMMC有两种方式：有两种方式：典典型型挤挤压压铸铸造造工工艺艺：首首先先将将包包含含有有增增强强材材料料的的金金属属熔熔体体倒倒入入预预热热模模具具后后迅迅速速加加压压，使使液液态态MMCMMC在在压压力力下下凝凝固固。待待复复合合材材料料完完全全固固化化后后顶顶出出，即即制制得得所需形状及尺寸的所需形状及尺寸的MMCMMC的

45、坯料或压铸件。的坯料或压铸件。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺液态法液态法上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回MMC典型挤压铸造工艺示意图典型挤压铸造工艺示意图 6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺液态法液态法上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 采采用用预预制制件件的的挤挤压压铸铸造造工工艺艺：通通过过施施加加外外力力使使液液态态金金属属渗渗入入增增强强材材料料的的预预制制件件孔孔隙隙中中制制造造金金属属基基复合材料的方法。复合材料的方法。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺液态法液态法上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回

46、 6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺液态法液态法上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺液态法液态法上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回预制件制备工艺过程示于下图：预制件制备工艺过程示于下图：6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺挤压铸造挤压铸造上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺挤压铸造挤压铸造上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回工工艺优艺优点点 采采用用挤挤压压铸铸造造法法生生产产的的MMCMMC零零部部件件，其其组组织织细细化化、

47、无无气气孔孔，可可以以获获得得的的比比一一般般金金属属模模铸铸件件性性能能优优良良的的压铸压铸件。件。和和其其它它MMC制制备备方方法法相相比比，挤挤压压铸铸造造工工艺艺设设备备简简单单，成成本本低低，材材料料的的质质量量高高且且稳稳定定，易易于于工工业业化化生产。生产。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺挤压铸造挤压铸造上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回2.2.半固态复合铸造半固态复合铸造 将将颗颗粒粒加加入入处处于于半半固固态态的的金金属属基基体体中中，通通过过搅搅拌拌使使颗颗粒粒在在金金属属基基体体中中均均匀匀分分布布，并并取取得得良良好好的的界界面面结结合合，然

48、然后后浇浇注注成成型型或或将将半半固固态态复复合合材料注入模具材料注入模具进进行行压铸压铸成型。成型。它它是是针针对对液液态态金金属属搅搅拌拌铸铸造法的缺点而改进的工艺。造法的缺点而改进的工艺。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺液态法液态法上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回半半固固态态复复合合铸铸造造的的原原理理 是是将将金金属属熔熔体体的的温温度度控控制制在在液液相相线线与与固固相相线线之之间间，通通过过搅搅拌拌，使使部部分分树树枝枝结结晶晶体体破破碎碎成成固固态态相相颗颗粒粒。当当加加入入预预热热后后的的增增强强颗颗粒粒时时，因因熔熔体体中中含含有有一一定定量量的

49、的固固相相金金属属颗颗粒粒，在在搅搅拌拌中中增增强强颗颗粒粒受受阻阻而而滞滞留留在在半半固固态态金金属属熔熔体体中中，增增强强颗颗粒粒不不会会结结集集和和偏偏聚聚而而得得到到一一定定的的分分散散。同同时时强强烈烈的的机机械械搅搅拌拌也也使使增增强强颗颗粒粒与与金金属属熔熔体体直直接接接接触触互互相相反应，促进润湿。反应，促进润湿。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺液态法液态法上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回工艺参数控制工艺参数控制主要是主要是 （1 1）金金属属基基体体熔熔体体的的温温度度应应使使熔熔体体达达到到303050%50%固态；固态；（2 2）搅搅拌拌速速

50、度度应应不不产产生生湍湍流流以以防防止止空空气气裹裹入入，并并使使熔熔体体中中枝枝晶晶破破碎碎形形成成固固态态颗颗粒粒，降降低低熔熔体体的的粘粘度度以利增强颗粒的加入。以利增强颗粒的加入。6.2 6.2 MMC制备工艺制备工艺半固态复合铸造半固态复合铸造上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 工艺优点工艺优点 （1 1）由由于于浇浇注注时时MMC是是处处于于半半固固态态熔熔体体，直直接接浇浇注注成成型型或或压压铸铸成成型型所所得得的的铸铸件件几几乎乎没没有有缩缩孔孔或或孔孔洞。洞。（2）由由于于是是在在真真空空或或氩氩气气中中搅搅拌拌，能能有有效效防防止止金属的氧化和吸气，铸