《金屬基復(fù)合材料》教學(xué)課件

1、Continuous carbon, silicon carbide, or ceramic fibers are embedded in a metallic matrix material. 第1頁(yè)，共58頁(yè)。金屬基復(fù)合材料是隨著現(xiàn)代技術(shù)對(duì)材料的要求越來(lái)越高而發(fā)展起來(lái)的。用高強(qiáng)度、高模量和耐高溫的第二成分增強(qiáng)金屬，可制成比金屬性能更好的金屬基復(fù)合材料。金屬材料的韌性要比熱固性聚合物材料和陶瓷材料好。同時(shí)，金屬材料還有不吸濕、不老化、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等一些特性。金屬基復(fù)合材料（MMC）的大規(guī)模研制和開發(fā)工作起步于20世紀(jì)80年代，主要是對(duì)低熔點(diǎn)金屬如鋁、鎂等的復(fù)合增韌。以這些材料制成的結(jié)構(gòu)件代替原

2、來(lái)的金屬材料構(gòu)件，構(gòu)件質(zhì)量（重量）得到了顯著減輕，這一成果在航空、航天領(lǐng)域具有十分重大的意義 第2頁(yè)，共58頁(yè)。特點(diǎn)1、比金屬的比強(qiáng)度高，比剛度大纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料多數(shù)足由Vf20%-70%的高強(qiáng)度和高模量的纖維來(lái)增強(qiáng)金屬，與金屬相比，在纖維方向具有很高的比強(qiáng)度和比模量。特別是纖維增強(qiáng)鎂、鋁等，具有很顯著的效果。2、良好的高溫性能在復(fù)合材料中，作為承載主體的纖維，在高溫下能保持很高的強(qiáng)度和模量。當(dāng)金屬基體接近熔點(diǎn)溫度時(shí)，由于纖維的作用，沿纖維方向的力學(xué)性能主要由纖維控制，因此，還具有很高的強(qiáng)度和剛度；在橫向拉伸和剪切性能方面。由于受基體性能控制，高溫性能不能改善，但鋪設(shè)成多向疊層復(fù)合材料后

3、，在面內(nèi)各方向的高溫性能都比基體金屬有改善。3、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性和電磁感應(yīng)屏蔽性由于金屬基復(fù)合材料的基體為金屬，而金屬均有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，特別是鋁和銅等。對(duì)于某些構(gòu)件，這一特點(diǎn)是十分重要的。當(dāng)構(gòu)件尺寸需要高度穩(wěn)定時(shí)，因金屬基復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)熱性，可以減少構(gòu)件上由于運(yùn)行條件所引起的溫度梯度，由于溫度分布比較均勻，因而可減少溫度應(yīng)力。而良好的導(dǎo)電性可以防止構(gòu)件出現(xiàn)靜電聚集，并對(duì)電磁感應(yīng)產(chǎn)生屏蔽。第3頁(yè)，共58頁(yè)。4、在纖維方向上線膨脹系數(shù)小 金屬基復(fù)合材料所用的碳纖維、碳化硅纖維和硼纖維均有很高的模量和很低的線膨脹系數(shù)，且石墨纖維的縱向線膨脹系數(shù)為負(fù)值。因此纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的線膨脹系

4、數(shù)要比金屬小?？刂评w維的含量和方向就能設(shè)計(jì)制造出在纖維方向上線膨脹系數(shù)很低的金屬基復(fù)合材料。5、良好的抗疲勞性能金屬基復(fù)合材料的抗疲勞性能與纖維類型、金屬基體的性能、生產(chǎn)工藝和界面狀況等密切相關(guān)。當(dāng)纖維與基體在界面上結(jié)合得合適時(shí)，界面能有效地阻止裂紋擴(kuò)展。纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的抗拉、抗疲勞性能，明顯高于金屬基休材料。6、不吸濕和不放氣金屬基復(fù)合材料不吸濕，沒有分解和污染系統(tǒng)的物質(zhì)產(chǎn)生。這對(duì)衛(wèi)星儀表的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行是十分重要的。7、其他性能金屬基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與基體材料相比，可提高抗蠕變性能、硬度和阻尼等。特點(diǎn)第4頁(yè)，共58頁(yè)。1、金屬基復(fù)合材料在基體屈服以前的一個(gè)較小范圍內(nèi)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系才

5、是線性的。除非采用很硬的基體，否則在拐點(diǎn)以上，金屬基復(fù)合材料的有效彈性模量就不再明顯大于樹脂基復(fù)合材料。一般來(lái)說，樹脂基復(fù)合材料在纖維方向具有很好的線性彈性，具有很高的比強(qiáng)度和比剛度。這是金屬基復(fù)合材料所不及的。2、剪切強(qiáng)度和層間拉伸強(qiáng)度較低與金屬基體材料相比，金屬基復(fù)合材料的面內(nèi)剪切強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度、橫向拉仲?gòu)?qiáng)度和層間拉仲?gòu)?qiáng)度都比較低。與纖維方向金屬基復(fù)合材料的拉、壓強(qiáng)度比就更低。但與樹脂基復(fù)合材料的這些性能比，又強(qiáng)得多。提高界面的結(jié)合強(qiáng)度，可提高這些性能，但沖擊強(qiáng)度下降。3、在抵抗某些環(huán)境腐蝕方面，金屬基復(fù)合材料不如樹脂基復(fù)合材料。4、在金屬基復(fù)合材料制造過程中，涉及到高溫、增強(qiáng)材料的表

6、面處理、復(fù)合成型等復(fù)雜工藝。因此，金屬基復(fù)合材料很難制造、成本很高。5、金屬基復(fù)合材料密度較大。6、由于金屬基復(fù)合材料的研究起步較晚，再加上實(shí)際應(yīng)用范圍和制造成本等因素的影響，目前金屬基復(fù)合材料的技術(shù)水平落后于聚合物基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。缺點(diǎn)第5頁(yè)，共58頁(yè)。1、航空航天工業(yè)B/AL復(fù)合材料是最早工業(yè)化生產(chǎn)的金屬基復(fù)合材料，在美國(guó)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)構(gòu)件中，該種復(fù)合材料用于制造主骨架、肋條、桁架支柱、制動(dòng)器支撐架等構(gòu)件共89種243件，總質(zhì)量150kg。使用B/A1復(fù)合材料比原來(lái)鋁合金構(gòu)件質(zhì)量減輕了44%。B/AL復(fù)合材料還用來(lái)制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片、飛機(jī)機(jī)翼蒙皮和結(jié)構(gòu)支撐件、飛機(jī)垂直尾翼

7、和起落架部件。SiC/AL復(fù)合材料被用來(lái)制造飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)上長(zhǎng)3m的Z形加強(qiáng)板、戰(zhàn)斗機(jī)尾翼平衡器、衛(wèi)星支架以及超輕高性能太空望遠(yuǎn)鏡的管、棒、桁架等。用于航空航天工業(yè)的金屬基復(fù)合材料，一般需要考慮的主要因素是：（1）輕質(zhì)高強(qiáng)。在保持強(qiáng)度的情況下，材料自重要輕，這樣可以減少燃料消耗，所以通常選用低密度陶瓷纖維作為增強(qiáng)材料。（2）材料的抗疲勞性能好。對(duì)復(fù)合材料成型工藝要求較高，復(fù)合材料的制造成本也相應(yīng)提高。（3）材料具有一定的耐高溫性能。應(yīng)用第6頁(yè)，共58頁(yè)。2、機(jī)械制造工業(yè)金屬基復(fù)合材料用于機(jī)械制造業(yè)的前提是其制品具有其他材料不可替代的優(yōu)點(diǎn)，或者其產(chǎn)品的制造成本接近用金屬制造的

8、成本。金屬基復(fù)合材料在機(jī)械工業(yè)中最早被用于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件。日本本田公司用含5%的A12O3短纖維的鋁基復(fù)合材料代替含鎳鑄鐵用于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)附近的襯套，質(zhì)量減輕5%-10%，磨損量為鋁合金的1/5，導(dǎo)熱系數(shù)為含鎳鑄鐵的四倍，熱疲勞壽命明顯提高。此外，已經(jīng)開發(fā)成功的有SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的整體活塞。A12O3 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)速可以提高約14%。用短切氧化鋁和碳纖維增強(qiáng)的鋁-硅合金復(fù)合材料的耐磨性和抗疲勞性好、高溫穩(wěn)定、密度低、減振性強(qiáng)。豐田公司用它制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，使功率/質(zhì)量比明顯提高。應(yīng)用第7頁(yè)，共58頁(yè)。3、電子材料工業(yè)電子材料工業(yè)，特別是近

9、年來(lái)蓬勃發(fā)展的微電子工業(yè)，對(duì)材料有較高的使用要求。SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，可通過調(diào)節(jié)SiC顆粒的含量使其熱膨脹系數(shù)于與基材匹配，并且具有導(dǎo)熱性好、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良、低密度、適合釬焊等性能。用它代替鋼/鉬基座，可以改善微電子器件的性能。硼/鋁復(fù)合材料用作多層半導(dǎo)體芯片的支座，是一種很好的散熱冷卻材料，由于這種材料導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片非常接近，故能大大減少接頭處的熱疲勞。石墨纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量比銅高，又保持了銅的優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。通過調(diào)節(jié)復(fù)合材料中石墨纖維的含量及排布方向，可使其熱膨脹系數(shù)非常接近任何一種半導(dǎo)體材料，因此被用來(lái)制造大規(guī)模集成電路的底板和半導(dǎo)體裝置的支

10、持電板，防止了底板的翹曲和半導(dǎo)體基片上裂紋的產(chǎn)生，提高器件穩(wěn)定性。在大型蓄電池中的鉛電極自重大、剛性差，容易翹曲引起短路，影響電解過程的正常進(jìn)行。用碳纖維增強(qiáng)鉛的復(fù)合材料，既保持原來(lái)優(yōu)良的電化學(xué)性能，又使強(qiáng)度和模量提高，不易翹曲，同時(shí)減小蓄電池的體積。應(yīng)用第8頁(yè)，共58頁(yè)。4、國(guó)防軍工工業(yè)金屬基復(fù)合材料性能優(yōu)異，但制造工藝復(fù)雜、成本高、價(jià)格貴，所以應(yīng)用的主要領(lǐng)域是航空航天和國(guó)防軍工工業(yè)。在國(guó)防軍工工業(yè)中，硼纖維和碳化硅纖維、碳化硅晶須和顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用來(lái)制造導(dǎo)彈的零件和構(gòu)件，如導(dǎo)彈彈體、垂直尾翼、平衡翼、制導(dǎo)元件等。碳化硅晶須和顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被用于制造戰(zhàn)術(shù)坦克的反射鏡部件、輕型坦克

11、的履帶、空間激光鏡等等。應(yīng)用第9頁(yè)，共58頁(yè)。1、大力研究發(fā)展顆粒增強(qiáng)的鋁基、鎂基復(fù)合材料。國(guó)際ALCON公司已建成年產(chǎn)1.1萬(wàn)噸顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料型材、棒材、鍛材、鑄錠以及零件的專業(yè)工廠。生產(chǎn)的SiCp/Al（Mg）錠塊單重達(dá)596公斤。2、高溫金屬基復(fù)合材料的研究主要針對(duì)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的需要。研究發(fā)動(dòng)機(jī)滑輪盤、轉(zhuǎn)軸等關(guān)鍵部件的高性能耐高溫結(jié)構(gòu)材料。3、金屬基復(fù)合材料制備新工藝和新設(shè)備的研究目前研究的重點(diǎn)是：真空液態(tài)金屬浸漬、液態(tài)金屬擠壓鑄造、液態(tài)金屬和顆粒共噴沉積、粉末熱等靜壓工藝等?？赏鉀Q批量制造性能穩(wěn)定的金屬基復(fù)合材料制件，并降低成本。同時(shí)研究工藝因素對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。

12、 發(fā)展方向第10頁(yè)，共58頁(yè)。4、碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究碳（石墨）纖維是目前強(qiáng)度、模量最高，熱膨脹系數(shù)最小，產(chǎn)量最大的連續(xù)纖維。用其制作的碳纖維/鎂、碳纖維/鋁復(fù)合材料除具有很高的比強(qiáng)度、比模量外，其熱膨脹系數(shù)接近零，并且有很好的尺寸穩(wěn)定性。雖然在界面反應(yīng)的控制和制造方法上有很大的突破，并已研制出人造衛(wèi)星的零件，取得了很大的效益，但制造技術(shù)仍然復(fù)雜。批量、廉價(jià)制造碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零件的制造方法和工藝還沒有根本解決。其研究重點(diǎn)是：從實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向研究部門和工業(yè)部門的工程應(yīng)用研究。以應(yīng)用構(gòu)件為目標(biāo)，研究制造工藝方法，研究制造過程工藝參數(shù)與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、性能的關(guān)系，復(fù)合材料零件的

13、質(zhì)量控制和基本性能評(píng)價(jià)。5、金屬基復(fù)合材料界面優(yōu)化，界面反應(yīng)控制、破壞過程等基礎(chǔ)研究。發(fā)展方向第11頁(yè)，共58頁(yè)。主要基體 （一）金屬基體的選擇原則1、根據(jù)復(fù)合材料的使用要求如在航空、航天領(lǐng)域，高比強(qiáng)度、高比模量、尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求。作為航天飛行器和衛(wèi)星的構(gòu)件宜選用密度小的輕金屬，鋁、鎂或二者的合金作為基體，高強(qiáng)度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成連續(xù)纖維復(fù)合材料。2、根據(jù)復(fù)合材料的組成特點(diǎn)選用不同類型的增強(qiáng)材料如連續(xù)纖維、短纖維或晶須，對(duì)基體材料的選擇有較大影響。例如在連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中，考慮到要充分發(fā)揮纖維的作用，希望選用塑性較好的基體。實(shí)驗(yàn)證明，此時(shí)如果采用較高強(qiáng)度的合金材

14、料，復(fù)合材料的性能將有所降低。相反，對(duì)不是連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，由于基體是主要承力部分，因此，要選用較高強(qiáng)度的合金基體。3、根據(jù)基體和增強(qiáng)材料的界面狀態(tài)選用基體時(shí)，首先要避免基體與增強(qiáng)材料在復(fù)合材料中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。其次，基體應(yīng)該和增強(qiáng)材料有較好的浸潤(rùn)性。第12頁(yè)，共58頁(yè)。主要基體 金屬密度g/cm3熔點(diǎn)比熱容kJ/（kg）熱導(dǎo)率W/m）熱膨脹系數(shù)10-6/抗拉強(qiáng)度MPa彈性模量GPaAl2.85800.9617123.431070Cu8.910800.3839117.6340120Pb11.33200.133328.82010Mg1.75701.007625.228040Ni8.91440

15、0.466213.3760210Nb8.624700.25556.8280100鋼7.814600.462913.32070210超合金8.313900.421910.71100210Ta16.629900.17556.5410190Sn7.22300.216423.41040Ti4.416500.5979.51170110W19.434100.131684.51520410Zn6.63900.4211227.428070根據(jù)金屬的使用溫度不同，大致可分為兩種類型，即在450以下使用的金屬基體和在450以上使用的金屬基體。下表列出了一些基體金屬和合金的主要特性。第13頁(yè)，共58頁(yè)。1、在450

16、以下使用的金屬基體在這個(gè)溫度范圍內(nèi)使用的金屬基體主要是鋁、鎂和它們的合金，而且主要是以合金的形式被廣泛的應(yīng)用。（1）鋁和鋁合金鋁是一種低密度、較高強(qiáng)度和具有耐腐蝕性能的金屬。在實(shí)際使用中，純鋁中常加入鋅、銅、鎂、錳等元素形成合金，由于加入的這些元素在鋁中的溶解度極為有限，因此，這類合金通常稱為沉淀硬化合金，如Al-Cu-Mg和A1-Zn-IVlgCu等沉淀硬化合金。近年來(lái)，為航空和航天工業(yè)開發(fā)出的A1-Li系列合金，進(jìn)一步提高了鋁的彈性模量，降低了材料的密度。（2）鎂和鎂合金鎂是一種比鋁更輕的金屬，但鎂的機(jī)械性能較差，因此，通常是在鎂中加入鋁、鋅、錳、鋯及稀土元素而形成鎂合金。目前常用的鎂合金

17、主要包括Mg-Mn，Mg-A1-Zn，Mg-Zn-Cr等耐熱合金，可作為連續(xù)或不連續(xù)纖維復(fù)合材料的墓體。主要基體 第14頁(yè)，共58頁(yè)。2、在450以上使用的金屬基體目前主要是鈦、鐵、鎳及其合金和金屬間化合物。（1）鈦和鈦合金鈦是過渡元素，有兩種晶形。-鈦具有六角形密排結(jié)構(gòu)，低于885時(shí)穩(wěn)定；-鈦是體心立方結(jié)構(gòu)，高于885時(shí)穩(wěn)定。金屬鋁能提高鈦由向相轉(zhuǎn)變的溫度。所以鋁是相鈦的穩(wěn)定劑。而大多數(shù)其他合金元素（Fe、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta）能降低鈦由向相轉(zhuǎn)變的溫度，所以是相鈦的穩(wěn)定劑。鈦在較高的溫度中能保持強(qiáng)度，抗氧化和抗腐蝕性能優(yōu)良。它具有較高的強(qiáng)度順量比和模量順量比，是一種理想的航空、宇

18、航應(yīng)用材料。（2）鐵和鐵合金在金屬基復(fù)合材料中使用的鐵，主要是鐵合金，可在600-900范圍內(nèi)使用，按加工工藝分為變形高溫合金和鑄造高溫合金。鐵基變形高溫合金是奧氏體可塑性變形高溫合金，主要組成為15%-60%鐵，25%-55%鎳和11%-23%鉻，此外根據(jù)不同的使用溫度，分別加入鎢、鉬、鈮、釩、鈦等合金元素進(jìn)行強(qiáng)化。鐵基鑄造高溫合金是以鐵為基體，用鑄造工藝成型的高溫合金，基體為面心立方體結(jié)構(gòu)的奧氏體。上述兩種類型的高溫合金分別用于制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室和渦輪輪盤、渦輪導(dǎo)向葉片等。主要基體 第15頁(yè)，共58頁(yè)。2、在450以上使用的金屬基體（3）鎳和鎳合金在金屬基復(fù)合材料中使用的鎳與鐵相同

19、，主要是按照加工工藝不同形成的變形高溫合金和鑄造高溫合金。鎳基變形高溫合金以鎳為基（含量一般大于50%），添加了鎢、鉬、鈷、鉻、鈮等合金元素。使用溫度在6501000，具有較高的強(qiáng)度、良好的抗氧化和抗燃?xì)飧g能力，用于制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室等。鎳基鑄造高溫合金是以鎳為基，用鑄造工藝成型的高溫合金，能在600-1100的氧化和燃?xì)飧g氣氛中承受復(fù)雜應(yīng)力，并能長(zhǎng)期可靠地工作，主要用于制造渦輪轉(zhuǎn)子葉片 和導(dǎo)向葉片及其他在高溫條件下工作的零件。（4）金屬間化合物金屬間化合物種類繁多，有成千上萬(wàn)種，而用于金屬基復(fù)合材料的金屬間化合物通常是一些高溫合金，如鋁化鎳，鋁化鐵，鋁化鈦等，使用溫度可達(dá)1600

20、。這些高溫合金的晶體結(jié)構(gòu)中原子以長(zhǎng)程有序方式排列。由于這種有序在金屬間化合物中發(fā)生位錯(cuò)要比在無(wú)序合金中受到更大的約束，因此能使化合物在高溫下保持強(qiáng)度。金屬間化合物的缺點(diǎn)是它們的韌性非常低，主要原因是組織中低的對(duì)稱性導(dǎo)致滑移系不足和晶體界面結(jié)合較弱。目前在改進(jìn)該類化合物韌性方面的例子有：在冶金過程中采用快速凝固法以及向Ni3Al一類金屬間化合物中添加硼。硼遷移到晶面，使其增強(qiáng)，研究表明，只要添加極少量的硼（0.06%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）便可使韌性從20%增加到50%左右。（5）銅銅是優(yōu)良的導(dǎo)體，其導(dǎo)電率為銀的94%。銅的塑性好，強(qiáng)度和彈性模量不高，熱膨脹系數(shù)大，容易鑄造和加工。銅在復(fù)合材料中的主要用途之

21、一是作為鈮基超導(dǎo)體的基體材料。主要基體 第16頁(yè)，共58頁(yè)。復(fù)合材料中金屬和第二成分的類型和性能、第二成分的體積分?jǐn)?shù)及其分布情況、復(fù)合材料的制造方法和界面情況等，決定了金屬基復(fù)合材料的性能。合理地和適當(dāng)?shù)乜刂七@些因素，可以制成性能范圍很廣，能滿足各種特殊要求的金屬基復(fù)合材料。 增強(qiáng)材料 第17頁(yè)，共58頁(yè)。1、對(duì)增強(qiáng)纖維的要求目前，增強(qiáng)纖維主要用于增強(qiáng)低溫合金（如鋁合金）、中溫合金(如鈦)、高溫合金（如鎳基高溫合金或鈮合金）這三類金屬。雖然對(duì)增強(qiáng)物的要求隨不同基體合金而改變，但下述性能是共同的要求。（1）高強(qiáng)度。纖維的高強(qiáng)度首先是為了滿足復(fù)合材料強(qiáng)度的需要。其次還能使整個(gè)加工制造過程簡(jiǎn)單。（2

22、）高模量。對(duì)于金屬基復(fù)合材料，這種性能非常重要。這是為了使纖維承載時(shí)基體不致發(fā)生大的塑性流動(dòng)。玻璃纖維的模量比較低，因此，很少用作金屬基體的增強(qiáng)纖維。（3）化學(xué)穩(wěn)定性好。包括在空氣中的穩(wěn)定性和對(duì)基體材料的穩(wěn)定性。（4）纖維的尺寸和形狀。對(duì)于采用固相制造法的金屬基復(fù)合材料，大直徑的圓纖維更加合適。借助金屬基體的塑性流動(dòng)，這些纖維很容易和基體結(jié)合。如用液態(tài)金屬制造法，由于大直徑圓纖維表面積小，化學(xué)反應(yīng)也比較小。（5）纖維性能的一致性。很多情況下，復(fù)合材料的強(qiáng)度取決于纖維的束強(qiáng)度和纖維強(qiáng)度的分布函數(shù)。（6）抗損傷與抗磨損性能。（7）耐高溫。金屬基復(fù)合材料成型加工溫度較高，大部分加工工藝需要基體為熔融

23、狀態(tài)，在此狀態(tài)下，要避免基體與增強(qiáng)材料的反應(yīng)和使基體很好地浸漬纖維，首先必須選擇耐高溫的增強(qiáng)材料。（8）要對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理。以提高浸潤(rùn)性和防止基體與增強(qiáng)材料發(fā)生各類化學(xué)反應(yīng)。增強(qiáng)材料 第18頁(yè)，共58頁(yè)。2、顆粒（particle）。直徑為0.5-100m。以顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料中基體的含量可在25%-90%范圍內(nèi)（SiC，碳化硼，碳化鈦）。目前，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料的發(fā)展方向之一。3、晶須（Whisker）。直徑約0.1-0.5m，長(zhǎng)徑比可達(dá)200。以短纖維、晶須增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料中基體含量在70%以上，一般為80%-90%。4、纖維。在連續(xù)纖維增強(qiáng)的金屬基

24、復(fù)合材料中，基體約占50%-70%。金屬基復(fù)合材料用的增強(qiáng)纖維中，有代表性的纖維是氧化鋁纖維、硼纖維、碳纖維和碳化硅纖維等。硼纖維和碳（石墨）纖維使最早用于金屬基復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維。例如：硼纖維/鋁，碳纖維/鎂復(fù)合材料制成的航天飛機(jī)艙框架和人造衛(wèi)星拋物面天線等。硼纖維的主要缺點(diǎn)：制造成本高，化學(xué)穩(wěn)定性不如氣相沉積的碳化硅纖維。碳（石墨）纖維發(fā)展迅速，其特點(diǎn)為：強(qiáng)度高、模量高。有的碳纖維（例如：美國(guó)聯(lián)合碳公司的P100，P120，P130）熱膨脹系數(shù)為負(fù)，用其制作的碳纖維/鎂復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為零。此外，價(jià)格低。 增強(qiáng)材料 第19頁(yè)，共58頁(yè)。（一）注意的問題1、溫度對(duì)增強(qiáng)材料的影響在金屬基

25、復(fù)合材料的制造過程中，為了保證金屬基體有足夠的流動(dòng)性，需要較高的制造溫度（高于或接近基體的熔點(diǎn)），在此溫度下，增強(qiáng)材料易發(fā)生氧化和與基體界面反應(yīng)，如碳纖維作為增強(qiáng)材料與鋁復(fù)合，在400以上發(fā)生氧化反應(yīng)，與Al發(fā)生界面反應(yīng)生成碳化鋁。這些反應(yīng)造成增強(qiáng)材料的損傷，同時(shí)界面反應(yīng)造成過強(qiáng)的界面結(jié)合，會(huì)使材料發(fā)生早期的低應(yīng)力破壞，在應(yīng)力作用下首先斷裂，成為裂紋源，引起復(fù)合材料的整體破壞。因此在優(yōu)化工藝方法中，要盡量縮短基體與增強(qiáng)材料在高溫下的接觸時(shí)間，將界面反應(yīng)減少到最低程度。提高加工壓力，用真空-壓力鑄造是優(yōu)化工藝的典型例子。2、表面處理對(duì)增強(qiáng)材料的影響大部分金屬基體與增強(qiáng)材料之間浸潤(rùn)性差，如碳-鋁、

26、碳-鎂、碳化硅-鋁、氧化鋁-鎂等。通過在增強(qiáng)材料表面覆以薄的涂層防止和抑制界面反應(yīng)，獲得合適的界面結(jié)構(gòu)和結(jié)合強(qiáng)度，可以有效地改善增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性。涂層有金屬、非金屬以及復(fù)合涂層三種。金屬涂層與基體金屬液間的浸潤(rùn)性好，但易被溶解引起增強(qiáng)材料和基體金屬的化學(xué)反應(yīng)。金屬涂層密度較大，降低了復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量。非金屬涂層一般為氧化物、碳化物或氮化物，與金屬基體之間不易發(fā)生各類反應(yīng)，可有效抑制界面反應(yīng)，但與基體的浸潤(rùn)性差。復(fù)合涂層為幾種不同性質(zhì)涂層的組合，它們各自完成不同的功能，滿足工藝和性能的多種需要，包括疊合和梯度等涂層。表面涂覆的方法有化學(xué)氣相沉淀、物理氣相沉淀、溶膠凝膠、電鍍和化學(xué)鍍等。制

27、造方法 第20頁(yè)，共58頁(yè)。（一）固態(tài)法1、擴(kuò)散黏結(jié)法2、形變法3、粉末冶金法（二）液態(tài)法1、擠壓鑄造法2、真空壓力浸漬法3、液態(tài)金屬攪拌鑄造法4、井噴沉積法（三）其他方法（1）定向凝固法（2）反應(yīng)自生成法制造方法 第21頁(yè)，共58頁(yè)。固態(tài)法是指基體處于固態(tài)下制造金屬基復(fù)合材料的方法。在整個(gè)制造過程中，溫度控制在基體合金的液相線和固相線之間。使整個(gè)反應(yīng)控制在較低溫度，盡量避免金屬基體和增強(qiáng)材料之間的界面反應(yīng)。固態(tài)法包括粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、擠壓法和拉拔法、爆炸焊接法等制造方法固態(tài)法 第22頁(yè)，共58頁(yè)。1、擴(kuò)散黏結(jié)法 在加壓狀態(tài)下，通過固態(tài)焊接工藝，使同類或不同類金屬在高溫下

28、互擴(kuò)散而黏結(jié)在一起。（1）通常先將纖維與金屬基體(主要是金屬箔)制成復(fù)合材料預(yù)制片，然后將預(yù)制片按設(shè)計(jì)要求切割成型，疊層排布（纖維方向）后放入模具內(nèi)。（2）加熱、加壓使其擴(kuò)散黏結(jié)并成型。擴(kuò)散黏結(jié)過程分為三個(gè)階段。 第一階段：黏結(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。 第二階段：隨著時(shí)間的進(jìn)行發(fā)生界面擴(kuò)散、滲透，使接觸面形成黏結(jié)狀態(tài)。 第三階段：擴(kuò)散結(jié)合界面最終消失，黏結(jié)過程完成。（3）冷卻脫模后即制得所需產(chǎn)品。 影響擴(kuò)散黏結(jié)過程的主要因素是：溫度、壓力和加工時(shí)間。為保證熱壓產(chǎn)品的質(zhì)量，加熱加壓過程可在真空或惰性氣氛中進(jìn)行，也可在大氣中進(jìn)行。優(yōu)點(diǎn)：可

29、以焊接品種廣泛的金屬；易控制纖維取向和體積分?jǐn)?shù)。缺點(diǎn)主要是： 焊接需若干小時(shí)，較高的焊接溫度和壓力需要較高的生產(chǎn)成本，只能制造有限尺寸的零件。擴(kuò)散黏結(jié)法在實(shí)際工藝中主要分熱壓法和熱等靜壓法，后者也是熱壓的一種方法，主要使用惰性氣體加壓，工件在各個(gè)方向上受到均勻壓力的作用。制造方法固態(tài)法 第23頁(yè)，共58頁(yè)。制造方法固態(tài)法 第24頁(yè)，共58頁(yè)。2、形變法形變法是利用金屬具有塑性成型的工藝特點(diǎn)，通過熱軋、熱拉、熱擠壓等加工手段，使已復(fù)合好的顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)一步加工成板材。對(duì)金屬/金屬?gòu)?fù)合材料，用擠、拉和軋的方法，使復(fù)合材料的兩相都發(fā)生形變，其中作為增強(qiáng)材料的金屬被拉長(zhǎng)成為纖維

30、狀增強(qiáng)相。右圖是用熱拉法制備金屬基復(fù)合材料棒材的示意圖。制造方法固態(tài)法 第25頁(yè)，共58頁(yè)。3、粉末冶金法粉末冶金法就是：將金屬基體粉末和增強(qiáng)體粉末均勻混合，混合后進(jìn)行冷壓得到半成品，其致密度約為80%，冷壓的半成品裝入密封模具，升溫至基體合金固相線附近，熱壓或熱等靜壓得到完全致密的復(fù)合材料。粉末冶金法也可以用來(lái)制造晶須增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料。將晶須或短纖維與金屬粉末混合后進(jìn)行熱壓，制得纖維隨機(jī)取向的復(fù)合材料，以這種方法制得的鋁基復(fù)合材料，具有很高的比強(qiáng)度、比模量和耐磨性，已用于飛機(jī)、航天器等部件。制造方法固態(tài)法 第26頁(yè)，共58頁(yè)。液態(tài)法是指基體處于熔融狀態(tài)下制造金屬基復(fù)合材料的方法。為了減少

31、高溫下基體和增強(qiáng)材料之間的界面反應(yīng)，提高基體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性，通常采用加壓滲透、增強(qiáng)材料表面處理、基體中添加合金元素等方法。液態(tài)法包括真空壓力浸漬法、擠壓鑄造法、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、井噴沉淀法、熱噴涂法等。 制造方法液態(tài)法 第27頁(yè)，共58頁(yè)。1、擠壓鑄造法擠壓鑄造是通過壓機(jī)將液態(tài)金屬壓入增強(qiáng)材料預(yù)制件中制造復(fù)合材料的方法。其工藝過程是：先將增強(qiáng)材料按照設(shè)計(jì)要求制成一定形狀的預(yù)制件，經(jīng)干燥預(yù)熱后放入同樣預(yù)熱的模具中，澆鑄入熔融金屬，用壓頭加壓，使液態(tài)金屬浸滲入預(yù)制件，并在壓力下凝固。加壓壓力根據(jù)預(yù)制件的形狀、尺寸一般在70-100MPa。在這么高的壓力下，如何保護(hù)預(yù)制件的形狀、尺寸不

32、發(fā)生變化，熔融金屬不濺出等都對(duì)工藝、模具提出較高要求。因此在制造一些高性能、高精密度復(fù)合材料時(shí)，此法不能勝任。目前擠壓鑄造法主要用于批量制造低成本陶瓷短纖維、顆粒、晶須增強(qiáng)鋁、鎂基復(fù)合材料的零部件，如用陶瓷纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造汽車活塞的工藝已得到使用。制造方法液態(tài)法 第28頁(yè)，共58頁(yè)。2、真空壓力浸漬法真空壓力浸漬法是在真空和高壓惰性氣體的共同作用下，使熔融金屬浸滲入預(yù)制件中制造金屬基復(fù)合材料的方法。它綜合了真空吸鑄和壓力鑄造的優(yōu) 點(diǎn)，經(jīng)過不斷改進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為能夠控制熔體溫度、預(yù)制件溫度、冷卻速率、壓力等工藝參數(shù)的工業(yè)制造方法。真空壓力浸漬法主要在真空壓力浸漬爐中進(jìn)行，根據(jù)金屬熔體

33、進(jìn)入預(yù)制件的方式，主要分為底部壓入式、頂部注入式和頂部壓人式。右圖為典型的底部壓入式真空壓力浸漬爐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。浸漬爐由耐高壓的殼體、熔化金屬的加熱爐、預(yù)制件預(yù)熱爐、坩堝升降裝置、真空系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、氣體加壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成。金屬熔化過程和預(yù)制件預(yù)熱過程可在真空或保護(hù)氣氛下進(jìn)行，以防止金屬氧化和增強(qiáng)材料損傷。制造方法液態(tài)法 第29頁(yè)，共58頁(yè)。真空壓力浸漬法制備工藝是：（1）先將增強(qiáng)材料預(yù)制件放人模具，基體金屬裝入坩堝，（2）然后將裝有預(yù)制件的模具和裝入基體金屬的坩堝分別放人浸漬爐的預(yù)熱爐和熔化爐內(nèi)，（3）密封和緊固爐體，（4）將預(yù)制件模具和爐腔抽真空，（5）當(dāng)爐腔內(nèi)達(dá)到預(yù)定真空度后開始通電加

34、熱預(yù)制件和熔化金屬基體?？刂萍訜徇^程使預(yù)制件和熔融基體達(dá)到預(yù)定溫度，保溫一定時(shí)間，（6）提升坩堝，使模具升液管插入金屬熔體，通入高壓惰性氣體，在真空和惰性氣體高壓的共同作用下，液態(tài)金屬浸入預(yù)制件中形成復(fù)合材料。（7）降下坩堝，接通冷卻系統(tǒng)，待完全凝固后，即可從模具中取出復(fù)合材料零件或坯料。制造方法液態(tài)法 第30頁(yè)，共58頁(yè)。真空壓力浸漬的主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）適用面廣。可用于多種金屬基體和連續(xù)纖維、短纖維、晶須和顆粒等增強(qiáng)材料的復(fù)合，增強(qiáng)材料的形狀、尺寸、含量基本上不受限制。（2）可直接制成形狀復(fù)雜的復(fù)合材料零件，基本上無(wú)需進(jìn)行后續(xù)加工。（3）浸漬在真空中進(jìn)行，壓力下凝固，無(wú)氣孔、疏松、縮孔等鑄

35、造缺陷，組織致密，材料性能好。（4）工藝簡(jiǎn)單、參數(shù)易于控制?？筛鶕?jù)增強(qiáng)材料和基體金屬的物理化學(xué)特性，嚴(yán)格控制溫度、壓力等參數(shù)，避免嚴(yán)重的界面反應(yīng)。 但是，真空壓力浸漬法的設(shè)備比較復(fù)雜，工藝周期長(zhǎng)，成本較高，制備大尺寸的零件投資更大。制造方法液態(tài)法 第31頁(yè)，共58頁(yè)。3、液態(tài)金屬攪拌鑄造法液態(tài)金屬攪拌鑄造法是將增強(qiáng)相顆粒直接加入金屬熔體中，通過攪拌使顆粒均勻分散，然后澆鑄成型制成復(fù)合材料制品的方法。它是一種適合于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要方法。目前用此法生產(chǎn)高性能顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料還需解決兩個(gè)主要困難：一是顆粒如何與金屬熔體均勻混合，并防止團(tuán)聚；二是強(qiáng)烈攪拌容易吸入大量空氣造

36、成金屬熔體的氧化。與其他制造顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法相比，液態(tài)金屬攪拌鑄造法工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、制造成本低，適用于多種基體和多種顆粒，具有競(jìng)爭(zhēng)力。目前這種鑄造方法在不斷地進(jìn)行改進(jìn)，如在攪拌方式上就開發(fā)了旋渦法、Duralcon法、復(fù)合鑄造法、底部真空反旋渦攪拌法等。制造方法液態(tài)法 第32頁(yè)，共58頁(yè)。4、井噴沉積法 井噴沉積法就是運(yùn)用特殊的噴嘴，將液態(tài)金屬基體通過惰性氣體氣流的作用后霧化成細(xì)小的液態(tài)金屬流，將增強(qiáng)相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)合材料的方法。井噴沉積法主要用于制造顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。它的工藝過程中有： 基體金屬熔化，液態(tài)

37、金屬霧化，顆粒加入及與金屬霧化流的混合，沉積和凝固等工藝過程。 其中液態(tài)金屬霧化是關(guān)鍵工藝。液態(tài)金屬霧化液滴的大小和尺寸分布、液滴的冷卻速率影響復(fù)合材料的最后性能。一般金屬液滴的尺寸在10-30m，到達(dá)沉積表面時(shí)保持半固態(tài)和液態(tài)，在沉積表面形成厚度適當(dāng)?shù)囊簯B(tài)金屬薄層，能夠充分填充顆粒間的孔隙，獲得均勻致密的復(fù)合材料。此外，一些工藝參數(shù)如熔融金屬溫度、惰性氣體壓力、流量和速度、顆粒加入速率、沉積底板溫度等都會(huì)影響復(fù)合材料的質(zhì)量。需要根據(jù)不同的金屬基體和增強(qiáng)相進(jìn)行調(diào)整組合，從而獲得最佳工藝。制造方法液態(tài)法 第33頁(yè)，共58頁(yè)。井噴沉積法的工藝特點(diǎn)如下：（1）適用面廣?？捎糜阡X、銅、鎳、鈷、鐵、金屬

38、問化合物基體，可加入SiC、Al2O3、TiC、Cr2O3、石墨等多種顆粒，產(chǎn)品可以是圓棒、圓錠、板帶、管材等。（2）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，然后再依次經(jīng)過與顆?；旌?、壓制成型、燒結(jié)等工序，而是快速一次復(fù)合成坯料，霧化速率可達(dá)25-200kg/min，沉淀凝固迅速。（3）冷卻速率快。金屬液滴的冷卻速率可高達(dá)103-106K/s，所得復(fù)合材料基體金屬的組織與快速凝固相近，晶粒細(xì)，無(wú)宏觀偏折，組織均勻。（4）在嚴(yán)格控制工藝參數(shù)的條件下顆粒在基體中的分布均勻。（5）復(fù)合材料中的氣孔率較大。氣孔率在2%-5%之間，經(jīng)擠壓處理后可消除氣孔，獲得致密材料。制造方法液態(tài)法

39、第34頁(yè)，共58頁(yè)。主要是除固態(tài)法和液態(tài)法之外的一些制造金屬基復(fù)合材料的方法。通過運(yùn)用化學(xué)、物理等基本原理而發(fā)展的一些金屬基復(fù)合材料制造方法，如原位自生成法、物理氣相沉積法和化學(xué)氣相沉積法等。原位自生成法是指增強(qiáng)材料在復(fù)合材料制造過程中在基體中生成和生長(zhǎng)的方法。根據(jù)增強(qiáng)材料的生長(zhǎng)方式，可分為定向凝固法和反應(yīng)自生成法。制造方法其他法 第35頁(yè)，共58頁(yè)。（1）定向凝固法增強(qiáng)材料以共晶的形式從基體中凝固析出，通過控制冷凝方向，在墓體中生長(zhǎng)出排列整齊的類似纖維的條狀或片層狀共晶增強(qiáng)材料。以這種方式生產(chǎn)的鎳基、鈷基定向凝固共晶復(fù)合材料已得到應(yīng)用。（2）反應(yīng)自生成法增強(qiáng)材料是由加入基體中的相應(yīng)元素之間的

40、反應(yīng)、合金熔體中的某種組分與加入的元素或化合物之間反應(yīng)生成的。此方法是在近20年中發(fā)展起來(lái)的，主要用于制造金屬間化合物復(fù)合材料。如有Lanxide公司開發(fā)的Lanxide法等。以原位自生成法制造的金屬基復(fù)合材料中基體與增強(qiáng)材料間的相容性好，界面干凈，結(jié)合牢固。特別當(dāng)增強(qiáng)材料與基體之間有共格或半共格關(guān)系時(shí)，能非常有效地傳遞應(yīng)力，界面上不生成有害的反應(yīng)產(chǎn)物，因此這種復(fù)合材料有較優(yōu)異的力學(xué)性能。制造方法其他法 第36頁(yè)，共58頁(yè)。不同復(fù)合固化工藝的總結(jié) 類別制造方法適用體系典型的復(fù)合材料及產(chǎn)品增強(qiáng)材料金屬基體固態(tài)法粉末冶金法SiCp，A12O3，SiCW，B4Cp等Al，Cu，TiSiCp /Al，

41、SiC/Al，TiB2/Ti，A12O3/Al等熱壓固結(jié)法B，SiC，C，W A1，Ti，Cu，耐熱合金SiC/Al，SiC/TiC/Al，B/Al，等零件、管、板等熱軋法，熱拉法C，A12O3A1C/Al，A12O3/Al棒、管液態(tài)法擠壓鑄造法C，A12O3，SiCp纖維、晶須、短纖維Al，Zn，Mg，CuSiCp/Al，SiC/Al，C/Al，C/Mg等零件、板、錠真空壓力浸漬法各種纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)材料Al，Mg，Cu，Ni合金C/Al，C/Cu，SiCp/Al，SiCW+SlCp/Al，C/Mg等零件、板、錠、坯 攪拌法A12O3，SiCp，短纖維Al，Mg，Zn 鑄作、錠坯 井噴沉

42、積法SiCp，A12O3，B4C，TiC等顆粒Al，Ni，F(xiàn)e等金屬 SiCp/Al，A12O3/Al等板坯、管坯、錠坯 其他反應(yīng)白生成法Al，Ti鑄件第37頁(yè)，共58頁(yè)。金屬基復(fù)合材料通過各種金屬和合金與耐高溫、低密度、高強(qiáng)度的纖維或顆粒增強(qiáng)材料結(jié)合，具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)磁性，具有良好的切削加工性能，也保持了金屬材料原有的壓力加工、焊接和熱處理等加工性能。同時(shí)，由于陶瓷增強(qiáng)材料的加入，使復(fù)合材料的耐熱性、耐磨性得到加強(qiáng)，同時(shí)材料的相對(duì)密度有所減少。在金屬基復(fù)合材料中，有時(shí)也采用金屬類增強(qiáng)材料，這些材料的加入對(duì)復(fù)合材料的韌性有較大的提高，使一些低密度金屬基（鋁、鋰）復(fù)合材料擔(dān)當(dāng)起結(jié)構(gòu)材料的作

43、用，用于制造一些航空、航天器的骨架材料。性能 第38頁(yè)，共58頁(yè)。（一）界面結(jié)合對(duì)性能的影響在金屬基復(fù)合材料中，存在著大量的增強(qiáng)材料和基體之間的界面。增強(qiáng)材料的比例越高，增強(qiáng)材料的尺寸越小，則這種界面就越多。界面結(jié)合的狀況對(duì)復(fù)合材料的宏觀性能起著重要的作用。金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)合主要是物理和化學(xué)兩種結(jié)合。物理結(jié)合方式就是利用增強(qiáng)材料的粗糙表面，使熔融金屬滲入表面孔隙，從而使復(fù)合材料在受到縱向拉伸時(shí)，由于界面增強(qiáng)相和基體相的嚙合效應(yīng)，使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高。Hill等通過腐蝕鎢絲表面，然后將鎢絲用真空液態(tài)金屬浸漬法與鋁復(fù)合，用縱向拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)了三種界面條件。（1）一是當(dāng)表面光滑時(shí)鋁基與鎢絲之

44、間的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致高的強(qiáng)度；（2）二是表面光滑但有石墨涂層，則此石墨層將阻擋界面化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，即無(wú)化學(xué)反應(yīng)，并且因?yàn)榻缑婀饣挥泻苄〉臋C(jī)械結(jié)合，使最終強(qiáng)度很低；（3）三是使用有石墨涂層，但表面粗糙的鎢絲，雖然界面上沒有化學(xué)反應(yīng)，但因?yàn)榇植诒砻娲嬖诘臋C(jī)械嚙合效應(yīng)，這種結(jié)合使強(qiáng)度達(dá)到了界面上有化學(xué)反應(yīng)的水平。由上述實(shí)驗(yàn)還可以知道，利用增強(qiáng)材料粗糙表面產(chǎn)生的物理結(jié)合主要用來(lái) 有效提高復(fù)合材料沿纖維方向的拉伸強(qiáng)度，對(duì)橫向拉伸作用很小。性能 第39頁(yè)，共58頁(yè)。（一）界面結(jié)合對(duì)性能的影響2、化學(xué)結(jié)合方式就如Hill等所做實(shí)驗(yàn)中鋁和鎢絲的反應(yīng)。（1）當(dāng)增強(qiáng)相和基體之間發(fā)生擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)鍵合可

45、以使增強(qiáng)相和基體間產(chǎn)生強(qiáng)結(jié)合。（2）太厚的反應(yīng)層將對(duì)復(fù)合材料的宏觀性能產(chǎn)生有害的影響。（3）所以通常用控制反應(yīng)時(shí)間和溫度等方法來(lái)控制反應(yīng)層的厚度。由于金屬基復(fù)合材料的加工成型溫度較高，對(duì)一些陶瓷類增強(qiáng)材料，由于熱膨脹系數(shù)通常小于大多數(shù)金屬基體，因此在復(fù)合材料中產(chǎn)生了熱應(yīng)力。Poritsky等用二組元模型進(jìn)行了熱彈性分析，Brooksbank等對(duì)顆粒增強(qiáng)提出了無(wú)限彈性連續(xù)介質(zhì)中彈性球模型，通過該模型研究熱失配引起顆粒與界面上產(chǎn)生的壓力。研究表明：在纖維或顆粒復(fù)合材料中產(chǎn)生的熱應(yīng)力在溫度變化很小時(shí)已超過金屬基體的屈服應(yīng)力，因此將引起基體的塑性變形，產(chǎn)生高密度位錯(cuò)。Arsenault等用透射電鏡證實(shí)

46、了在纖維和顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)相附近存在高密度位錯(cuò)。這種位錯(cuò)造成局部區(qū)域硬度增加。性能 第40頁(yè)，共58頁(yè)。事實(shí)上，由于受到加工溫度、時(shí)間、壓力的影響，受到金屬基體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性以及上述的界面結(jié)合的影響，金屬基復(fù)合材料界面的結(jié)合及其控制成為人們研究的熱點(diǎn)。目前已經(jīng)通過透射電子顯微鏡（TEM）開展形貌觀察、晶體缺陷分析和微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定，通過電子探針（EPMA）研究在界面的微米范圍區(qū)域內(nèi)除氫、氮、鋰以外的所有元素。如果能夠通過研究找到各種金屬基復(fù)合材料界面很好結(jié)合的途徑，則將使金屬基復(fù)合材料的宏觀性能得到進(jìn)一步的提高。性能 第41頁(yè)，共58頁(yè)。由于金屬基體本身具有較高的強(qiáng)度和韌性，因

47、此加入纖維、晶須和顆粒等增強(qiáng)材料后，復(fù)合材料中的缺陷等因素造成了強(qiáng)度和韌性并不同步增加的現(xiàn)象，下面分別討論。性能 第42頁(yè)，共58頁(yè)。1、拉伸強(qiáng)度（1）有關(guān)測(cè)試表明，連續(xù)纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料與纖維平行方向的縱向拉伸強(qiáng)度有較大提高，但橫向拉伸強(qiáng)度增加很少。（2）在高溫條件下，金屬基復(fù)合材料中使用了一些耐高溫陶瓷增強(qiáng)材料，從而使它的拉伸強(qiáng)度的提高更為顯著。 以20%多晶氧化鋁短纖維增強(qiáng)鋁合金為例，在350時(shí)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度是鋁合金的一倍，相當(dāng)于鋁合金在250時(shí)的拉伸強(qiáng)度，由此也說明復(fù)合材料的耐熱溫度比基體提高了100。性能 第43頁(yè)，共58頁(yè)。2、彈性模量連續(xù)纖維單向增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的彈性

48、模量隨纖維體積分?jǐn)?shù)線性提高，其中縱向彈性模量提高較多，橫向彈性模量提高較少。右圖列出了不同類型增強(qiáng) 體(連續(xù)纖維、晶須、顆粒)體積分?jǐn)?shù)的變化與復(fù)合材料彈性模量提高的情況，由圖 中可見，從連續(xù)纖維到顆粒，增強(qiáng)效果依次降低。性能 第44頁(yè)，共58頁(yè)。3、韌性連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的韌性，與強(qiáng)度和模量相同，呈現(xiàn)各向異性。研究硼纖維增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料，鋁合金本身的斷裂韌性KIC為37MPam1/2，當(dāng)硼纖維以與受力方向成0、90和0/90取向排列時(shí)得到的復(fù)合材料的KIC值分別為100、34和61-63MPam1/2。由此反映出纖維縱向排列時(shí)韌性最大，而橫向韌性不但沒有提高，而且還低于鋁合金本身的韌

49、性。因此對(duì)于均勻受力的金屬基復(fù)合材料，可使用多向編織增強(qiáng)材料來(lái)提高橫向韌性。對(duì)顆粒和晶須增強(qiáng)6061鋁基材料的斷裂韌性數(shù)據(jù)見下表。由表中可見，所得復(fù)合材料的韌性低于鋁基材料，這也說明顆粒和晶須增強(qiáng)金屬材料，由 于增強(qiáng)相和基體界面結(jié)合等一系列因素造成應(yīng)力集中、體內(nèi)缺陷，使復(fù)合后韌性有下降。性能 第45頁(yè)，共58頁(yè)。材 料KIC MPam1/2Al6061（T6）37Al2O3/ Al606115SiCp/ Al60617-820%（體積分?jǐn)?shù)）SiCw/ Al6061（T6）7.120%（體積分?jǐn)?shù)）SiCp / Al6061（T6）15.8性能 第46頁(yè)，共58頁(yè)。4、耐疲勞性在循環(huán)載荷作用下，力

50、學(xué)性能下降導(dǎo)致材料破壞的現(xiàn)象可定義為疲勞。正在使用的材料都有一個(gè)疲勞問題。金屬基復(fù)合材料要被設(shè)計(jì)和運(yùn)用，同樣必須測(cè)定其耐疲勞性能。理論上講，當(dāng)在金屬基體中用短纖維（或晶須）和連續(xù)纖維增強(qiáng)，且纖維與應(yīng)力方向平行時(shí)，疲勞性能可得到很大改善。但在實(shí)際運(yùn)用疲勞斷裂擴(kuò)展試驗(yàn)測(cè)定復(fù)合材料的疲勞性能時(shí)，由于復(fù)合材料有很多缺陷，如基體開裂、纖維斷裂、脫層、脫黏、空洞生長(zhǎng)、多向開裂等，且這些缺陷在實(shí)驗(yàn)測(cè)定的早期就出現(xiàn)，因此出現(xiàn)了復(fù)合材料的疲勞性能低于未增強(qiáng)合金的結(jié)果。Shiang等研究了SiCp/Al復(fù)合材料中SiC顆粒的尺寸對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度變化的影響后發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒復(fù)合材料的門檻應(yīng)力強(qiáng)度Kch低

51、于未增強(qiáng)的合金，即復(fù)合材料對(duì)疲勞裂紋生長(zhǎng)的最初抗力小于末增強(qiáng)的合金。性能 第47頁(yè)，共58頁(yè)。5、金屬基復(fù)合材料的摩擦磨損性能高強(qiáng)度、高模量、高硬度的陶瓷增強(qiáng)材料的加入明顯提高了金屬基復(fù)合材料的耐磨性，而某些具有自潤(rùn)滑作用的增強(qiáng)材料（如石墨）又可使復(fù)合材料的摩擦系數(shù)大為改善。通過控制調(diào)整增強(qiáng)材料的種類、形態(tài)、尺寸、取向等可以獲得最小的磨耗和與對(duì)磨材料的最佳匹配，這是普通金屬材料難以實(shí)現(xiàn)的。性能 第48頁(yè)，共58頁(yè)。研究表明，在鋁基材料中加入7%的硅酸鋁短纖維，就能使耐磨性成倍提高，其不同體積含量的硅酸鋁增強(qiáng)鋁基材料的耐磨性能如右圖所示。金屬基自潤(rùn)滑材料是將固體潤(rùn)滑劑作為增強(qiáng)材料加入到金屬基體中

52、，或者通過反應(yīng)從金屬基體中生成析出自潤(rùn)滑組分。這類材料主要用于滑動(dòng)軸承和耐磨性部件，在摩擦過程中，復(fù)合材料中析出潤(rùn)滑劑并且發(fā)生彌散分布，向?qū)δケ砻姘l(fā)生轉(zhuǎn)移，形成潤(rùn)滑薄膜，從而改善摩擦特性。右圖是以石墨作為潤(rùn)滑劑時(shí)，其體積分?jǐn)?shù)與復(fù)合材料摩擦系數(shù)的關(guān)系。從圖中可見，無(wú)論Fe、A1、Cu復(fù)合材料，其摩擦系數(shù)隨石墨含量增加而降低。但當(dāng)石墨含量高于25%后，各種材料的摩擦系數(shù)均達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的低值而不再隨石墨添加量而改變。一些研究表明，此時(shí)在相對(duì)滑動(dòng)的表面上形成了較為穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，而金屬基體對(duì)這種摩擦磨損性能的影響甚微。金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的磨損主要取決于：（1）潤(rùn)滑膜的結(jié)構(gòu)、厚度和分布狀態(tài)；（2）潤(rùn)滑膜

53、與基體的結(jié)合方式和強(qiáng)度；（3）基體金屬的特性；（4）試驗(yàn)參數(shù)(滑動(dòng)速度、接觸壓力等)以及環(huán)境因素(溫度、濕度等)。性能 第49頁(yè)，共58頁(yè)。性能 第50頁(yè)，共58頁(yè)。6、硼纖維/鋁復(fù)合材料拉伸性能硼纖維：用化學(xué)氣相沉積在鎢絲上沉積上硼而形成。硼纖維的力學(xué)性能直徑m密度g/cm3彈性模量GPa拉伸強(qiáng)度MPa斷裂伸長(zhǎng)%1012.5840025200.61432.50390-40034700.9982.50390-40033900.859532.503942950-35000.75-0.9性能 第51頁(yè)，共58頁(yè)。（1）單向增強(qiáng)硼/鋁復(fù)合材料室溫拉伸性能Vf（%）拉伸強(qiáng)度MPa彈性模量GPa20519-540136.725737-837146.930850-890163.435960-1020191.5401070-1130199.3471213-1230226.6541200-1270245.0（2）正交鋪層硼/鋁復(fù)合材料室溫拉伸性能Vf（%）纖維縱向與載荷間的夾角縱向橫向04590拉伸強(qiáng)度MPa彈性模量GPa拉伸強(qiáng)度MPa彈性模量GPa拉伸強(qiáng)度MPa彈性模量GPa2020310-306144-17351-71