第五章金屬基復(fù)合材料

1、1 2 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們 越來越高。越來越高。 在在方面，不但要求方面，不但要求強(qiáng)度高強(qiáng)度高，還，還 要求其要求其重量要輕重量要輕，尤其是在航空航天領(lǐng)域。，尤其是在航空航天領(lǐng)域。 正是為了滿足上述要求正是為了滿足上述要求 而誕生的。而誕生的。 3 相對(duì)于相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬材傳統(tǒng)的金屬材 料料來說，具有來說，具有較高的較高的與與； 而與而與樹脂基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料相比，它又具有相比，它又具有 優(yōu)良的優(yōu)良的與與； 與與陶瓷基材料陶瓷基材料相比，它又具有相比，它又具有 和和。 由于金屬基復(fù)合材料具有極高的比強(qiáng)度、比剛由于金屬基復(fù)合材料具有極高的比強(qiáng)度

2、、比剛 度，以及高溫強(qiáng)度，首先在航空航天上得到應(yīng)度，以及高溫強(qiáng)度，首先在航空航天上得到應(yīng) 用，今后也將在航空航天領(lǐng)域占據(jù)重要位置。用，今后也將在航空航天領(lǐng)域占據(jù)重要位置。 隨后，在汽車、體育用品等領(lǐng)域也得到了應(yīng)用，隨后，在汽車、體育用品等領(lǐng)域也得到了應(yīng)用， 特別是晶須增強(qiáng)復(fù)合材料和顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料特別是晶須增強(qiáng)復(fù)合材料和顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料 在日本的民用領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用。在日本的民用領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用。 4 5 碳化物金屬陶瓷作為工具碳化物金屬陶瓷作為工具 材料已被廣泛應(yīng)用，稱作材料已被廣泛應(yīng)用，稱作 。硬質(zhì)合金通常。硬質(zhì)合金通常 以以CoCo、NiNi作為作為，WCWC、 TiCTiC等作為強(qiáng)

3、化相。等作為強(qiáng)化相。 6 硬質(zhì)合金組織硬質(zhì)合金組織( (Co+WC) 7 8 按用途分類：按用途分類： 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：高比強(qiáng)度、高比模量、尺才：高比強(qiáng)度、高比模量、尺才 穩(wěn)定性、耐熱性等是其主要性能特點(diǎn)。用于穩(wěn)定性、耐熱性等是其主要性能特點(diǎn)。用于 制造各種航天、航空、汽車、先進(jìn)武器系統(tǒng)制造各種航天、航空、汽車、先進(jìn)武器系統(tǒng) 等高性能結(jié)構(gòu)件。等高性能結(jié)構(gòu)件。 功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料：高導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、低膨脹、：高導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、低膨脹、 高阻尼、高耐磨性等物理性能的優(yōu)化組合是高阻尼、高耐磨性等物理性能的優(yōu)化組合是 其主要特性，用于電子、儀器、汽車等工業(yè)。其主要特性，用于電子、儀器、汽車

4、等工業(yè)。 強(qiáng)調(diào)具有電、熱、磁等功能特性強(qiáng)調(diào)具有電、熱、磁等功能特性 智能復(fù)合材料智能復(fù)合材料：強(qiáng)調(diào)具有感覺、反應(yīng)、自監(jiān)：強(qiáng)調(diào)具有感覺、反應(yīng)、自監(jiān) 測(cè)、自修復(fù)等特性。測(cè)、自修復(fù)等特性。 應(yīng)當(dāng)注意，功能復(fù)合材料和智能復(fù)合材料應(yīng)當(dāng)注意，功能復(fù)合材料和智能復(fù)合材料 容易混淆。容易混淆。 9 10 金屬基復(fù)合材料的性能特征金屬基復(fù)合材料的性能特征 1.1.高比強(qiáng)度、比模量高比強(qiáng)度、比模量 2.2.良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能 3.3.熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好 4.4.良好的高溫性能良好的高溫性能 5.5.良好的耐磨性良好的耐磨性 6.6.良好的斷裂韌性和抗疲勞性能

5、良好的斷裂韌性和抗疲勞性能 7.7.不吸潮、不老化、氣密性好不吸潮、不老化、氣密性好 11 金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類：金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類： 1）固態(tài)法固態(tài)法：真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合、超塑性成：真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合、超塑性成 型型 / 擴(kuò)散結(jié)合、模壓、熱等靜壓、粉末擴(kuò)散結(jié)合、模壓、熱等靜壓、粉末 冶金法。冶金法。 2）液態(tài)法液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄 造、半固態(tài)鑄造。造、半固態(tài)鑄造。 3）噴射成型法噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成：等離子噴涂成型、噴射成 型。型。 4）原位生長法原位生長法。 12 連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材

6、料的制備工藝 鋁合金鋁合金 固態(tài)、液態(tài)法固態(tài)、液態(tài)法 鎂合金鎂合金 固態(tài)、液態(tài)法固態(tài)、液態(tài)法 鈦合金鈦合金 固態(tài)法固態(tài)法 高溫合金高溫合金 固態(tài)法固態(tài)法 金屬間化合物金屬間化合物 固態(tài)法固態(tài)法 13 碳纖維碳纖維 硼纖維硼纖維 SiC纖維纖維 Al2O3纖維纖維 不連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝不連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝 鋁合金鋁合金 固態(tài)、液態(tài)、原位生長、噴射成型法固態(tài)、液態(tài)、原位生長、噴射成型法 鎂合金鎂合金 液態(tài)法液態(tài)法 鈦合金鈦合金 固態(tài)、液態(tài)法、原位生長法固態(tài)、液態(tài)法、原位生長法 高溫合金高溫合金 原位生長法原位生長法 金屬間化合物金屬間化合物 粉末冶金、原位生長法粉末

7、冶金、原位生長法 14 顆粒顆粒晶須晶須短纖維短纖維 15 16 航空航天工業(yè)中需要大型的、重量輕的結(jié)構(gòu)材航空航天工業(yè)中需要大型的、重量輕的結(jié)構(gòu)材 料，例如波音料，例如波音747大型運(yùn)輸機(jī)、遠(yuǎn)距離通信天線、大型運(yùn)輸機(jī)、遠(yuǎn)距離通信天線、 巨型火箭及宇航飛行器等。在設(shè)計(jì)這些結(jié)構(gòu)時(shí)，問巨型火箭及宇航飛行器等。在設(shè)計(jì)這些結(jié)構(gòu)時(shí)，問 題之一就涉及到平方題之一就涉及到平方立方尺寸關(guān)系，即結(jié)構(gòu)的立方尺寸關(guān)系，即結(jié)構(gòu)的 隨其尺寸的隨其尺寸的增加而增加而卻隨其線尺卻隨其線尺 寸的寸的增加。所以，假若要保證大型結(jié)構(gòu)的機(jī)動(dòng)增加。所以，假若要保證大型結(jié)構(gòu)的機(jī)動(dòng) 性和高效率，就需要更完善的設(shè)計(jì)和更好的材料。性和高效率，

8、就需要更完善的設(shè)計(jì)和更好的材料。 17 是在金屬基復(fù)合材料中是在金屬基復(fù)合材料中 的一種。由于的一種。由于為為結(jié)構(gòu)，因此具有良好的結(jié)構(gòu)，因此具有良好的 ，再加之它所具有的，再加之它所具有的、及及 等優(yōu)點(diǎn)，為其在工程上應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。等優(yōu)點(diǎn)，為其在工程上應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。 在在制造鋁基復(fù)合材料制造鋁基復(fù)合材料時(shí)，通常并不是使用純鋁而是時(shí)，通常并不是使用純鋁而是 。這主要是由于。這主要是由于與純鋁相比與純鋁相比， 。 18 硼纖維極高強(qiáng)度的共價(jià)結(jié)合，鋁是被選用最廣的基體材料。硼纖維極高強(qiáng)度的共價(jià)結(jié)合，鋁是被選用最廣的基體材料。 硼硼-鋁復(fù)合材料在研究上很重視。鋁復(fù)合材料在研究上很重視。

9、硼鋁的彈性模量接近各向同性，非軸向強(qiáng)度也較高，橫向抗硼鋁的彈性模量接近各向同性，非軸向強(qiáng)度也較高，橫向抗 拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度大約與鋁合金基體的強(qiáng)度相等。比樹脂基拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度大約與鋁合金基體的強(qiáng)度相等。比樹脂基 材料可能達(dá)到的強(qiáng)度要高得多。材料可能達(dá)到的強(qiáng)度要高得多。 硼硼鋁復(fù)合材料還具有高的導(dǎo)電件和導(dǎo)熱性、塑性和韌性、耐鋁復(fù)合材料還具有高的導(dǎo)電件和導(dǎo)熱性、塑性和韌性、耐 磨性、可涂復(fù)性、連接性、成型性和可熱處理性及不可燃性。磨性、可涂復(fù)性、連接性、成型性和可熱處理性及不可燃性。 高溫性能和抗?jié)衲芰?duì)于工程結(jié)構(gòu)的耐久性也常常是重要的。高溫性能和抗?jié)衲芰?duì)于工程結(jié)構(gòu)的耐久性也常常是重要的。 19

10、 硼硼鋁復(fù)合材料的研究的主要內(nèi)容：鋁復(fù)合材料的研究的主要內(nèi)容： (1)研制強(qiáng)度高、剛性大、重量輕的構(gòu)件，這在航研制強(qiáng)度高、剛性大、重量輕的構(gòu)件，這在航 空航天領(lǐng)域中顯得尤為重要。空航天領(lǐng)域中顯得尤為重要。 (2)改進(jìn)大型構(gòu)件的制造技術(shù)，研制可靠耐用的材改進(jìn)大型構(gòu)件的制造技術(shù)，研制可靠耐用的材 料及構(gòu)件。料及構(gòu)件。 (3)改進(jìn)硼改進(jìn)硼鋁復(fù)合材料的制造應(yīng)用技術(shù)，促使其鋁復(fù)合材料的制造應(yīng)用技術(shù)，促使其 成本盡可能降低。成本盡可能降低。 20 對(duì)增強(qiáng)纖維的主要要求是比模量高、比強(qiáng)度高、性能重復(fù)對(duì)增強(qiáng)纖維的主要要求是比模量高、比強(qiáng)度高、性能重復(fù) 性好、價(jià)格低以及易于制造成復(fù)合材料。性好、價(jià)格低以及易于制

11、造成復(fù)合材料。 玻璃纖維玻璃纖維強(qiáng)度較高價(jià)格低廉，但它的模量低易與鋁起反應(yīng)。強(qiáng)度較高價(jià)格低廉，但它的模量低易與鋁起反應(yīng)。 氧化鋁纖維氧化鋁纖維的比模量和比強(qiáng)度較低且價(jià)格昂貴。的比模量和比強(qiáng)度較低且價(jià)格昂貴。 碳化硅纖維碳化硅纖維與鋁的反應(yīng)比硼小，并已作為硼纖維的涂層使與鋁的反應(yīng)比硼小，并已作為硼纖維的涂層使 用但其密度比硼高用但其密度比硼高30、且強(qiáng)度較低。、且強(qiáng)度較低。 - 鈦合金鈦合金Ti-6Al-4V的冷拉絲材和沉淀硬化鋼的冷拉絲材和沉淀硬化鋼“火箭火箭”絲絲 NS355，內(nèi)于密度大而在比強(qiáng)度和比模量上難以與硼相比。內(nèi)于密度大而在比強(qiáng)度和比模量上難以與硼相比。 纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料纖維增

12、強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 21 硼纖維硼纖維是用化學(xué)氣相沉積法由鎢底絲上用氫還原三氯化硼制是用化學(xué)氣相沉積法由鎢底絲上用氫還原三氯化硼制 成的。將鎢絲電阻加熱到成的。將鎢絲電阻加熱到11001300并連續(xù)拉過反應(yīng)器以獲得并連續(xù)拉過反應(yīng)器以獲得 一定厚度的硼沉積層這樣便在鎢絲上沉積了顆粒狀的無定形硼。一定厚度的硼沉積層這樣便在鎢絲上沉積了顆粒狀的無定形硼。 目前大量供應(yīng)的纖維有目前大量供應(yīng)的纖維有100um和和140um兩種直徑，有的纖維兩種直徑，有的纖維 帶有帶有2um厚的厚的，其目的是為了改進(jìn)纖維的抗氧化性能。，其目的是為了改進(jìn)纖維的抗氧化性能。 140um硼纖維的室溫密度為硼纖維的室溫密度為2.55

13、gcm3。 22 硼纖維選擇鋁合金作為基體是出于鋁合金具有良好的硼纖維選擇鋁合金作為基體是出于鋁合金具有良好的 綜合性能。綜合性能。 較高的斷裂韌性較高的斷裂韌性，較強(qiáng)的阻止在纖維斷裂或劈裂處的，較強(qiáng)的阻止在纖維斷裂或劈裂處的 裂紋擴(kuò)展能力；裂紋擴(kuò)展能力； 較強(qiáng)的抗腐蝕性較強(qiáng)的抗腐蝕性，較高的強(qiáng)度較高的強(qiáng)度。 23 碳纖維增強(qiáng)鋁合金碳纖維增強(qiáng)鋁合金 a.擴(kuò)散結(jié)合, 熱壓法( 固相法) 在擴(kuò)散結(jié)合法中, 通過纖維前處理首先制 作中間原料,然后 將這些中間原料重疊起來, 在真空中加熱, 可得纖維增強(qiáng)金屬, 該方法利 用了金屬的塑性變形和自身擴(kuò)散作用, 可得質(zhì) 量較好 的碳纖維增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料 2

14、4 b.擠壓鑄造 擠壓鑄造 將纖維的預(yù)成型體 放入金屬模中, 適 當(dāng)加熱, 加壓 浸入熔化的基體金屬, 在高 壓下 令其凝固, 從而得到形狀復(fù)雜的 復(fù)合 材料, 此法周期短, 能制造 纖維增強(qiáng)金屬 的機(jī)械零件, 生產(chǎn) 效率很高。在此法中, 金屬熔化, 如溫度條件選擇不妥, 熔化的基 體金屬有時(shí)會(huì)損傷纖維。 擠壓鑄造法在 三種方法中是一 種最具有發(fā)展?jié)摿Φ墓?藝方法 25 c.液態(tài)金屬浸漬法 該法先需要將太纖維預(yù)制成型，再將 鋁合金加熱融化，再將碳纖維預(yù)制體 浸入鋁液，再凝固從而得到復(fù)合材料。 該法如果工藝溫度過高，融化的基體 鋁合金也會(huì)損傷碳纖維，從而降低材 料的性能。 26 鋁基復(fù)合材料具有

15、高導(dǎo)熱、密度小、成本低等綜 合優(yōu)勢(shì)，是金屬基材料中的重要品類，在國際國內(nèi) 范圍內(nèi)有廣泛研究并應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。鋁基復(fù)合 材料包含纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)兩大類。其中顆粒增 強(qiáng)鋁基復(fù)合材料成本低、性能穩(wěn)定且易實(shí)現(xiàn)規(guī)模生 產(chǎn)，成為鋁基復(fù)合材料研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)方向。以 鋁合金為基體的復(fù)合材料有鋁碳化硅和硅鋁等，廣 泛應(yīng)用于航空航天、電子信息、殼體封裝和現(xiàn)代交 通等廣泛領(lǐng)域 鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用 27 應(yīng)用行業(yè)鋁碳化硅、硅鋁等鋁基復(fù)合材料因其高導(dǎo)熱、 合適的膨脹系數(shù)等優(yōu)良特性可制成基板及熱沉材料，用于光電子封裝、 微波封裝外殼、功率模塊基板、微電子基板、熱沉和蓋板、平板混合 電路外殼等部件，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子光學(xué)、體育用品、 集成電路、功率模塊、微處理器蓋板及散熱板等領(lǐng)域。 汽車領(lǐng)域：鋁硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備汽車零部件，如 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和齒輪箱、剎車轉(zhuǎn)子、剎車活塞、剎車墊板、 卡鉗、汽車驅(qū)動(dòng)軸、搖臂等、汽車制動(dòng)盤等零部件，能有效減輕重量、 降低噪音、提升耐磨性能實(shí)現(xiàn)轎車輕量化。 航天領(lǐng)域：鋁基復(fù)合材料可代替鈦合金制造飛機(jī)攝相鏡方向 架、衛(wèi)星反動(dòng)輪和方向架的支撐架等，在美國、美國等地成功地用于 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的高增益天線懸架、導(dǎo)彈零部件(彈體、尾翼