復(fù)合材料第五章金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料的分類

1、1u 1.1 1.1 金屬基復(fù)合材料的分類金屬基復(fù)合材料的分類u 1.2 1.2 金屬基體材料金屬基體材料u 1.3 1.3 金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)1 1 金屬基復(fù)合材料概論（金屬基復(fù)合材料概論（2 2學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)）21.1 1.1 金屬基復(fù)合材料的分類金屬基復(fù)合材料的分類金屬基復(fù)合材料：金屬基復(fù)合材料：金屬或者合金金屬或者合金 基體基體 高性能高性能 增強(qiáng)體增強(qiáng)體分分 類：類：種類繁多種類繁多，主要有，主要有三種分類方式三種分類方式。3（1 1）按增強(qiáng)體類型分類）按增強(qiáng)體類型分類 顆粒顆粒、纖維纖維、片層片層 等增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料等增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料（2 2）按基體

2、類型分類）按基體類型分類 鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料：鋁及其合金為基體，：鋁及其合金為基體，應(yīng)用最廣應(yīng)用最廣 鈦基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料：鈦及其合金為基體，：鈦及其合金為基體，高溫強(qiáng)度保持好高溫強(qiáng)度保持好 鎂基復(fù)合材料鎂基復(fù)合材料：鎂及其合金為基體，：鎂及其合金為基體，比性能好比性能好 鎳基復(fù)合材料鎳基復(fù)合材料：鎳及其合金為基體，：鎳及其合金為基體，優(yōu)良高溫性能優(yōu)良高溫性能（3 3）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：用作承力構(gòu)件，用作承力構(gòu)件，強(qiáng)調(diào)強(qiáng)調(diào) 材料力學(xué)性能材料力學(xué)性能 功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料：強(qiáng)調(diào)：強(qiáng)調(diào)物理性能物理性能（電、磁、聲、熱、光（電、磁、聲、熱、光）41.2

3、1.2 金屬基體材料金屬基體材料1.2.1 1.2.1 鋁及鋁合金鋁及鋁合金純純 鋁鋁：銀白色銀白色，2.722.72g/cmg/cm3 3，熔點(diǎn)、強(qiáng)度低熔點(diǎn)、強(qiáng)度低導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異， 制造制造電線、電纜電線、電纜鋁合金鋁合金：密度密度 2.52.882.52.88g/cmg/cm3 3，較好較好機(jī)械性能機(jī)械性能常用作常用作工程結(jié)構(gòu)材料工程結(jié)構(gòu)材料合金元素合金元素sisi、cucu、mgmg、znzn、mnmn5圖圖5.1 5.1 鋁合金相圖鋁合金相圖根據(jù)根據(jù)相圖相圖鋁合金可分為：鋁合金可分為： 鑄造鋁合金鑄造鋁合金：共晶組織：共晶組織 液態(tài)流動(dòng)性好液態(tài)流動(dòng)性好 適于鑄造適于鑄

4、造 形變鋁合金形變鋁合金：?jiǎn)蜗喙倘荏w組織：?jiǎn)蜗喙倘荏w組織 塑性高塑性高 適于壓力加工適于壓力加工6表表5.1 5.1 形變鋁合金的分類及性能特點(diǎn)形變鋁合金的分類及性能特點(diǎn)781.2.2 1.2.2 鈦及鈦合金鈦及鈦合金純鈦純鈦： 銀白色，熔點(diǎn)銀白色，熔點(diǎn)16681668，相對(duì)密度為，相對(duì)密度為4.5g/cm34.5g/cm3， 比強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)較小，比強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)較小，彈性模量較低彈性模量較低 882.5882.5以下為以下為-ti-ti，以上，以上-ti-ti 耐硫酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉溶液、濕氣、海水耐硫酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉溶液、濕氣、海水 鈦合金鈦合金： 強(qiáng)度、韌性及塑性

5、好，高溫抗氧化較強(qiáng)，熱強(qiáng)性好強(qiáng)度、韌性及塑性好，高溫抗氧化較強(qiáng)，熱強(qiáng)性好 室溫強(qiáng)度較低，不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化室溫強(qiáng)度較低，不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化 鈦合金鈦合金： 良好的塑性但很少應(yīng)用良好的塑性但很少應(yīng)用 （比重較大，耐熱性差及抗氧化性能低比重較大，耐熱性差及抗氧化性能低）a+a+鈦合金鈦合金：兼有兩者優(yōu)點(diǎn)，耐熱性和塑性都比較好兼有兩者優(yōu)點(diǎn)，耐熱性和塑性都比較好 可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化（可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化（）9100010 1.2.3 1.2.3 鎂及鎂合金鎂及鎂合金純純 鎂：鎂： 工業(yè)用金屬中最輕工業(yè)用金屬中最輕（1.74 1.74 g/cmg/cm3 3） 合金比強(qiáng)度很高合金比強(qiáng)度很高 塑性變形能力差塑性

6、變形能力差（六方晶系，滑移系統(tǒng)少六方晶系，滑移系統(tǒng)少） 彈性模量小彈性模量?。ㄓ休^大變形，可制造沖擊零件有較大變形，可制造沖擊零件） 力學(xué)性能較差力學(xué)性能較差（不易用作結(jié)構(gòu)材料不易用作結(jié)構(gòu)材料） 耐化學(xué)腐蝕能力差耐化學(xué)腐蝕能力差（表面氧化膜脆而不夠致密表面氧化膜脆而不夠致密）111.2.4 1.2.4 性能比較性能比較表表5.3 5.3 常用金屬基體材料的性能比較常用金屬基體材料的性能比較性能性能金屬金屬titialalmgmgninifefe密度，密度，g/cmg/cm3 34.54.52.72.71.741.748.98.97.867.86熔點(diǎn)，熔點(diǎn)，c c1668166866066065

7、16511445144515351535線膨脹系數(shù)，線膨脹系數(shù)，1010-6-6/c/c9 923.123.1262613.513.511.511.5導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，w/m/kw/m/k171721821815915961618484彈性模量，彈性模量，gpagpa112.5112.572.472.443.643.6199199214214121.3 1.3 金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)1.3.1 1.3.1 一般性能特點(diǎn)一般性能特點(diǎn)（1 1）高的比強(qiáng)度、比剛度）高的比強(qiáng)度、比剛度纖維增強(qiáng)：纖維增強(qiáng)：比強(qiáng)度、比模量明顯高于金屬基體比強(qiáng)度、比模量明顯高于金屬基體顆粒增強(qiáng)：

8、顆粒增強(qiáng)：比強(qiáng)度無(wú)明顯增加比強(qiáng)度無(wú)明顯增加，但比模量明顯提高但比模量明顯提高13表表5.4 5.4 金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能一覽表金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能一覽表復(fù)合材料復(fù)合材料增強(qiáng)相含量增強(qiáng)相含量, vol %抗拉強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，mpa拉伸模量，拉伸模量，gpa密度，密度，g/cm3bf /alcvd sicf /alnicalon sicf /alcf /alfp al2o3 f/alsumica al2o3f/alsicw/alsicp/alcvd sicf/tibf / ti505035403550501820203545120015001300150070090050080065090

9、0500620400510150017501300150020022021023095 11010015022013096 138100210 2302202.62.853.02.62.43.32.92.82.83.93.714（2 2）高的韌性和沖擊性能）高的韌性和沖擊性能相對(duì)聚合物、陶瓷基復(fù)合材料而言，相對(duì)聚合物、陶瓷基復(fù)合材料而言，金屬基復(fù)合材料具有較高的韌性和耐沖擊性能金屬基復(fù)合材料具有較高的韌性和耐沖擊性能 ！原因原因：金屬基體屬于典型韌性材料金屬基體屬于典型韌性材料，受到?jīng)_擊時(shí)能通過(guò)塑性，受到?jīng)_擊時(shí)能通過(guò)塑性變形吸收能量，或使裂紋鈍化、減小應(yīng)力集中而改善韌性變形吸收能量，或使裂紋鈍

10、化、減小應(yīng)力集中而改善韌性15硼硼/ /鋁裂紋擴(kuò)展鋁裂紋擴(kuò)展1 1）裂紋尖端最大應(yīng)力可達(dá)）裂紋尖端最大應(yīng)力可達(dá)350mpa350mpa，接近基體拉伸強(qiáng)度接近基體拉伸強(qiáng)度2 2）纖維局部強(qiáng)度接近）纖維局部強(qiáng)度接近4.2gpa4.2gpa3 3）裂紋）裂紋垂直于外載荷方向垂直于外載荷方向擴(kuò)展時(shí)，受到纖維擴(kuò)展時(shí)，受到纖維/ /基體基體界面阻滯界面阻滯4 4）裂紋在）裂紋在界面擴(kuò)展鈍化界面擴(kuò)展鈍化（吸收能量吸收能量）5 5）裂紋因）裂紋因基體塑性剪切變形而鈍化基體塑性剪切變形而鈍化（吸收能量吸收能量）16圖圖5.2 5.2 金屬基復(fù)合材料中裂紋的鈍化金屬基復(fù)合材料中裂紋的鈍化17（3 3）良好的高溫性

11、能）良好的高溫性能金屬基體高溫性能金屬基體高溫性能較之聚合物高很多；較之聚合物高很多；增強(qiáng)體增強(qiáng)體多為高溫多為高溫性能良好的無(wú)機(jī)材料。性能良好的無(wú)機(jī)材料。（4 4）導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好）導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好金屬基體具有良好導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能金屬基體具有良好導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能18（5 5）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屬基體能通過(guò)金屬基體能通過(guò)塑性變形塑性變形來(lái)接受能量，或使裂紋鈍化。來(lái)接受能量，或使裂紋鈍化。（晶須、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料常用做工程中的耐磨部件使用）（晶須、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料常用做工程中的耐磨部件使用）（6 6）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)定性好硼

12、硼/ /鈦、石墨鈦、石墨/ /鎂、碳鎂、碳/ /鋁鋁等經(jīng)設(shè)計(jì)后等經(jīng)設(shè)計(jì)后熱膨脹系數(shù)可非常小熱膨脹系數(shù)可非常小191.3.2 1.3.2 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能（1 1）強(qiáng)度和模量）強(qiáng)度和模量縱向性能主要取決于縱向性能主要取決于纖維性能和體積比纖維性能和體積比；橫向性能與橫向性能與基體性能基體性能關(guān)系很大；關(guān)系很大；高溫性能高溫性能同時(shí)同時(shí)與材料與材料界面結(jié)合界面結(jié)合和和穩(wěn)定性穩(wěn)定性有密切關(guān)系。有密切關(guān)系。20（2 2）沖擊性能）沖擊性能室溫沖擊性能室溫沖擊性能：大直徑纖維：大直徑纖維有益有益（相同纖維體積分?jǐn)?shù)相同纖維體積分?jǐn)?shù)）高溫沖擊性能高溫沖擊性能：比室溫有

13、：比室溫有較大提高較大提高（高溫時(shí)基體韌性好高溫時(shí)基體韌性好）熱處理對(duì)沖擊性能的影響熱處理對(duì)沖擊性能的影響：明顯降低明顯降低（界面變得不穩(wěn)定界面變得不穩(wěn)定）21（3 3）蠕變性能）蠕變性能蠕變概念蠕變概念：恒定負(fù)載恒定負(fù)載 下產(chǎn)生的下產(chǎn)生的 與時(shí)間有關(guān)與時(shí)間有關(guān)的的 形變形變 蠕變使構(gòu)件尺寸變化并可能構(gòu)成對(duì)材料的破壞蠕變使構(gòu)件尺寸變化并可能構(gòu)成對(duì)材料的破壞 蠕變分類蠕變分類：溫度不同，蠕變曲線有較大的區(qū)別：溫度不同，蠕變曲線有較大的區(qū)別 溫度較低時(shí)溫度較低時(shí)a a曲線曲線，溫度較高時(shí)，溫度較高時(shí)b b曲線曲線，溫度更高時(shí)，溫度更高時(shí)c c曲線曲線一般稱一般稱a a曲線和曲線和b b曲線為穩(wěn)態(tài)蠕

14、變曲線為穩(wěn)態(tài)蠕變22圖圖5.3 5.3 金屬材料的蠕變曲線示意圖金屬材料的蠕變曲線示意圖溫度較低時(shí)（溫度較低時(shí)（a a曲線曲線），）， 1 1為瞬時(shí)應(yīng)變，隨時(shí)間延長(zhǎng)為瞬時(shí)應(yīng)變，隨時(shí)間延長(zhǎng)趨于一定值趨于一定值 2 2；溫溫 較較 高高 時(shí)（時(shí)（b b曲線曲線），），快速增加快速增加、穩(wěn)定增加穩(wěn)定增加、快速增加快速增加三個(gè)階段；三個(gè)階段；溫度更高時(shí)（溫度更高時(shí)（ c c曲線曲線），穩(wěn)態(tài)蠕變更短，加速階段很快到來(lái)），穩(wěn)態(tài)蠕變更短，加速階段很快到來(lái)23b b曲線穩(wěn)態(tài)蠕變中，曲線穩(wěn)態(tài)蠕變中，蠕變速率與應(yīng)力和溫度蠕變速率與應(yīng)力和溫度有關(guān)：有關(guān)： = a n = a n exp (- q / rt) exp

15、 (- q / rt) （阿累尼烏斯方程阿累尼烏斯方程） 上式中，上式中，a a、n n：為材料常數(shù)：為材料常數(shù) ：所受應(yīng)力所受應(yīng)力 q q：自擴(kuò)散激活能：自擴(kuò)散激活能 r r：氣體常數(shù)：氣體常數(shù) t t ：溫度溫度蠕變產(chǎn)生的原因？高溫的作用？蠕變產(chǎn)生的原因？高溫的作用？24纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料抗蠕變性能纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料抗蠕變性能：1 1）當(dāng)基體和增強(qiáng)體熔點(diǎn)接近時(shí)，二者均會(huì)發(fā)生高溫蠕變當(dāng)基體和增強(qiáng)體熔點(diǎn)接近時(shí)，二者均會(huì)發(fā)生高溫蠕變2 2）脆性纖維增強(qiáng)時(shí)蠕變曲線類似于脆性纖維增強(qiáng)時(shí)蠕變曲線類似于a a曲線曲線3 3）b b、sicsic纖維復(fù)合材料抗蠕變性能優(yōu)與基體合金纖維復(fù)合材料抗蠕變

16、性能優(yōu)與基體合金25（4 4）疲勞性能）疲勞性能疲勞斷裂疲勞斷裂： 循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力( (小于斷裂應(yīng)力小于斷裂應(yīng)力) )作用下的突然斷裂作用下的突然斷裂snsn曲線：曲線：應(yīng)力極大值應(yīng)力極大值s s（或（或 ）對(duì)）對(duì)循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)n n的對(duì)數(shù)圖的對(duì)數(shù)圖疲勞極限：疲勞極限： 規(guī)定規(guī)定循環(huán)次數(shù)為循環(huán)次數(shù)為10107 7時(shí)產(chǎn)生疲勞斷裂所需應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生疲勞斷裂所需應(yīng)力26纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料疲勞性能纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料疲勞性能：1 1）與拉伸強(qiáng)度比值達(dá)與拉伸強(qiáng)度比值達(dá)0.6 0.70.6 0.7，約為基體，約為基體2 2倍！倍！2 2）隨加入纖維強(qiáng)度及體積含量增高而增大隨加入纖維強(qiáng)度及體積含量增高

17、而增大（軸向有最大值，徑向只有少量提高軸向有最大值，徑向只有少量提高）27復(fù)合材料疲勞產(chǎn)生復(fù)合材料疲勞產(chǎn)生（與疲勞裂紋產(chǎn)生有關(guān)與疲勞裂紋產(chǎn)生有關(guān)）1 1）當(dāng)纖維與基體強(qiáng)度）當(dāng)纖維與基體強(qiáng)度比值高比值高時(shí)，時(shí)，纖維纖維/ /基體界面起裂基體界面起裂， 成為影響疲勞壽命的主要原因；成為影響疲勞壽命的主要原因；2 2）當(dāng)纖維與基體強(qiáng)度）當(dāng)纖維與基體強(qiáng)度比值低比值低，裂紋擴(kuò)展速率影響疲勞壽命裂紋擴(kuò)展速率影響疲勞壽命， 而且裂紋將穿越纖維，造成較低的疲勞性能。而且裂紋將穿越纖維，造成較低的疲勞性能。28高溫對(duì)纖維高溫對(duì)纖維/ /金屬基復(fù)合材料疲勞性能影響：金屬基復(fù)合材料疲勞性能影響：有所下降有所下降（纖

18、維性能退化、界面脫粘、基體脆性增加纖維性能退化、界面脫粘、基體脆性增加）其它影響因素其它影響因素：纖維分布、表面缺陷、界面結(jié)合纖維分布、表面缺陷、界面結(jié)合弱的纖維弱的纖維/ /基體界面結(jié)合有時(shí)也會(huì)改善材料疲勞性能基體界面結(jié)合有時(shí)也會(huì)改善材料疲勞性能（可形成二次裂紋或改變其方向，能延緩疲勞裂紋擴(kuò)展可形成二次裂紋或改變其方向，能延緩疲勞裂紋擴(kuò)展） 291.3.3 1.3.3 顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能（1 1）強(qiáng)度和模量）強(qiáng)度和模量 強(qiáng)度：與顆粒在基體中分布的強(qiáng)度：與顆粒在基體中分布的平均間距平均間距ddp p有關(guān)有關(guān)（d dp p越小，屈服強(qiáng)度越高越小，

19、屈服強(qiáng)度越高）模量：與模量：與顆粒形狀顆粒形狀有關(guān)有關(guān)（長(zhǎng)徑比值增大，對(duì)混合定律偏差減小長(zhǎng)徑比值增大，對(duì)混合定律偏差減?。?0（2 2）斷裂韌性）斷裂韌性影響因素影響因素：顆粒大小顆粒大小、顆粒及晶須取向顆粒及晶須取向 等等隨著直徑隨著直徑d d增加、體積含量減少，復(fù)合材料斷裂韌性增加增加、體積含量減少，復(fù)合材料斷裂韌性增加prmmcprmmc的斷裂韌性一般要優(yōu)于的斷裂韌性一般要優(yōu)于wrmmcwrmmc（晶須前沿會(huì)造成應(yīng)力集中，容易引發(fā)裂紋晶須前沿會(huì)造成應(yīng)力集中，容易引發(fā)裂紋）31（3 3）蠕變性能）蠕變性能1 1）顆粒及晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料蠕變行為）顆粒及晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料蠕變行為與纖

20、維增強(qiáng)相當(dāng)與纖維增強(qiáng)相當(dāng)2 2）顆粒與晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料要比基體）顆粒與晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料要比基體蠕變強(qiáng)度更高蠕變強(qiáng)度更高3 3）與顆粒增強(qiáng)相比，晶須增強(qiáng)時(shí)）與顆粒增強(qiáng)相比，晶須增強(qiáng)時(shí)蠕變速率更低蠕變速率更低32（4 4）疲勞性能）疲勞性能 1 1）顆粒及晶須增強(qiáng)后疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命）顆粒及晶須增強(qiáng)后疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命比基體金屬高比基體金屬高2 2）顆粒增強(qiáng)與晶須增強(qiáng)時(shí)復(fù)合材料）顆粒增強(qiáng)與晶須增強(qiáng)時(shí)復(fù)合材料疲勞性能基本接近疲勞性能基本接近33晶須增強(qiáng)時(shí)疲勞裂紋萌生位置：晶須增強(qiáng)時(shí)疲勞裂紋萌生位置：1 1）晶須端部或與基體的界面處晶須端部或與基體的界面處2 2）晶須密集處及顯微缺陷處晶須

21、密集處及顯微缺陷處晶須增強(qiáng)時(shí)內(nèi)應(yīng)力形成：晶須增強(qiáng)時(shí)內(nèi)應(yīng)力形成：1 1）界面有較大內(nèi)應(yīng)力界面有較大內(nèi)應(yīng)力（晶須與基體強(qiáng)度和變形能力不同）（晶須與基體強(qiáng)度和變形能力不同）2 2）晶須密集處或基體中顯微缺陷處存在較大內(nèi)應(yīng)力晶須密集處或基體中顯微缺陷處存在較大內(nèi)應(yīng)力34 2.1 2.1 金屬基復(fù)合材料制備工藝概述金屬基復(fù)合材料制備工藝概述 2.2 2.2 金屬基復(fù)合材料制備方法金屬基復(fù)合材料制備方法2 2 金屬基復(fù)合材料的制備工藝（金屬基復(fù)合材料的制備工藝（2 2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）352.1 2.1 金屬基復(fù)合材料制備工藝概述金屬基復(fù)合材料制備工藝概述2.1.1 2.1.1 制備工藝分類制備工藝分類（1 1

22、）固態(tài)法固態(tài)法：真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合、超塑性成型：真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合、超塑性成型/ /擴(kuò)散結(jié)合、擴(kuò)散結(jié)合、 熱等靜壓、粉末冶金法熱等靜壓、粉末冶金法（2 2）液態(tài)法液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、半固態(tài)鑄造：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、半固態(tài)鑄造（3 3）噴射法噴射法：等離子噴涂成型、噴射成型：等離子噴涂成型、噴射成型（4 4）原位生長(zhǎng)法原位生長(zhǎng)法362.1.3 2.1.3 制備工藝研究?jī)?nèi)容和選擇原則制備工藝研究?jī)?nèi)容和選擇原則（1 1）基體與增強(qiáng)體基體與增強(qiáng)體選擇（選擇（良好物理、化學(xué)相容性良好物理、化學(xué)相容性）；）；（2 2）界面界面形成、產(chǎn)物控制及界面設(shè)計(jì)；形成、產(chǎn)物控制及界面設(shè)計(jì)；（3 3）增強(qiáng)體均勻分布

23、增強(qiáng)體均勻分布（固態(tài)法優(yōu)于液態(tài)法固態(tài)法優(yōu)于液態(tài)法）（4 4）工藝方法工藝方法及參數(shù)選擇和優(yōu)化；及參數(shù)選擇和優(yōu)化；（5 5）成本控制成本控制及降低，工業(yè)化應(yīng)用前景。及降低，工業(yè)化應(yīng)用前景。372.2 2.2 金屬基復(fù)合材料制備方法金屬基復(fù)合材料制備方法2.2.1 2.2.1 先驅(qū)（預(yù)制）絲（帶、板）的制備先驅(qū)（預(yù)制）絲（帶、板）的制備（1 1）纖維纖維/ /聚合物粘結(jié)劑聚合物粘結(jié)劑 先驅(qū)先驅(qū) ( (預(yù)制預(yù)制) ) 帶帶 ( (板板) )纏繞鼓纏繞鼓( (基體箔材基體箔材) )纖維定向定間距纏繞纖維定向定間距纏繞涂敷粘結(jié)劑定位涂敷粘結(jié)劑定位圖圖 5.7 5.7 纖維纖維/ /聚合物粘結(jié)劑先驅(qū)（預(yù)制

24、）帶（板）聚合物粘結(jié)劑先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）38（2）等離子噴涂纖維等離子噴涂纖維 / 基體箔材基體箔材 先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）纖維定向定間距纏繞纖維定向定間距纏繞 等離子噴涂基體粉末定位等離子噴涂基體粉末定位圖圖5.8 等離子噴涂纖維等離子噴涂纖維 / 基體箔材先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）示意圖基體箔材先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）示意圖39（3 3）pvdpvd法纖維法纖維/ /基體基體 復(fù)合絲復(fù)合絲纖維纖維/ /基體復(fù)合絲制備：基體金屬基體復(fù)合絲制備：基體金屬物理氣相沉積物理氣相沉積到纖維表面到纖維表面復(fù)合材料制備：復(fù)合材料制備：基體與基體之間擴(kuò)散結(jié)合基體與基體之間擴(kuò)散結(jié)合有利于材料界面改

25、善有利于材料界面改善可控制纖維體積比可控制纖維體積比（沉積層厚度沉積層厚度）40（4 4）粉末法纖維粉末法纖維/ /基體基體 復(fù)合絲復(fù)合絲1 1）基體粉末與聚合物粘接劑混合制備成）基體粉末與聚合物粘接劑混合制備成膠體膠體2 2）纖維通過(guò)）纖維通過(guò)毛細(xì)管膠槽毛細(xì)管膠槽，表面涂敷一層基體粉末膠體，表面涂敷一層基體粉末膠體3 3）干燥后形成一定直徑）干燥后形成一定直徑纖維纖維/ /基體粉末基體粉末復(fù)合絲復(fù)合絲 復(fù)合絲直徑取決于復(fù)合絲直徑取決于膠體粘度膠體粘度、纖維走絲速度纖維走絲速度、毛細(xì)管孔徑毛細(xì)管孔徑 聚合物粘接劑必須在低溫真空狀態(tài)下能夠完全揮發(fā)聚合物粘接劑必須在低溫真空狀態(tài)下能夠完全揮發(fā)41圖

26、圖5.10 5.10 粉末法纖維粉末法纖維/ /基體復(fù)合絲示意圖基體復(fù)合絲示意圖42（5 5）熔池法纖維熔池法纖維/ /基體基體 復(fù)合絲復(fù)合絲主要應(yīng)用于碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料主要應(yīng)用于碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料問(wèn)題提出問(wèn)題提出：碳纖維與鋁液反應(yīng)生成：碳纖維與鋁液反應(yīng)生成alal4 4c c3 3（脆性相）（脆性相）解決方法解決方法：表面：表面znzn、titi或或nana、snsn涂層處理涂層處理（增加潤(rùn)濕性，防止過(guò)量（增加潤(rùn)濕性，防止過(guò)量alal4 4c c3 3生成）生成）43圖圖5.11 5.11 熔池法纖維熔池法纖維 / / 基體復(fù)合絲示意圖基體復(fù)合絲示意圖44 2.2.2 2.2.2 固

27、態(tài)法固態(tài)法 連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝（1 1）真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合）真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合（vaccum press / diffusion bonding）工藝特點(diǎn)：工藝特點(diǎn)：制備連續(xù)纖維金屬基復(fù)合材料傳統(tǒng)工藝制備連續(xù)纖維金屬基復(fù)合材料傳統(tǒng)工藝工藝概要：一定工藝概要：一定溫度壓力溫度壓力，先驅(qū)絲通過(guò)，先驅(qū)絲通過(guò)表面原子擴(kuò)散表面原子擴(kuò)散而連接而連接工藝關(guān)鍵：工藝關(guān)鍵：真空真空，熱壓工藝參數(shù)控制熱壓工藝參數(shù)控制（溫度、壓力、時(shí)間）（溫度、壓力、時(shí)間）45圖圖5.12 5.12 真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合工藝流程示意圖真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合工藝流程示意圖46（2 2）熱等靜壓（）熱等

28、靜壓（hiphip）工藝特點(diǎn)：工藝特點(diǎn)： 擴(kuò)散結(jié)合方法，等靜壓擴(kuò)散結(jié)合方法，等靜壓工藝概要：工藝概要： 等靜壓等靜壓，先驅(qū)絲，先驅(qū)絲表面原子擴(kuò)散結(jié)合表面原子擴(kuò)散結(jié)合工藝優(yōu)點(diǎn)：工藝優(yōu)點(diǎn)： 制品制品 組織細(xì)化、致密、均勻組織細(xì)化、致密、均勻， 偏析、偏聚、孔隙等缺陷少偏析、偏聚、孔隙等缺陷少 復(fù)合材料性能明顯改善復(fù)合材料性能明顯改善47（3 3） 模壓成型（模壓成型（mold formingmold forming）工藝特點(diǎn)：工藝特點(diǎn)： 屬于擴(kuò)散結(jié)合屬于擴(kuò)散結(jié)合工藝概要：工藝概要： 預(yù)制體在預(yù)制體在模具模具中加壓進(jìn)行中加壓進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合擴(kuò)散結(jié)合工藝優(yōu)點(diǎn)：工藝優(yōu)點(diǎn)： 制品有一定形狀制品有一定形狀（可制

29、備各種型材）（可制備各種型材）48（4 4） 粉末粉末( (冶金冶金) )法（法（slurry powder metallurgyslurry powder metallurgy）工藝特點(diǎn)：解決了工藝特點(diǎn)：解決了使用金屬箔材成本高使用金屬箔材成本高問(wèn)題問(wèn)題工藝優(yōu)點(diǎn)：工藝優(yōu)點(diǎn)：成本低成本低工藝關(guān)鍵：工藝關(guān)鍵：低溫真空下聚合物粘接劑必須能夠完全揮發(fā)低溫真空下聚合物粘接劑必須能夠完全揮發(fā)49工藝概要：工藝概要：1 1）制備基體粉末）制備基體粉末/ /聚合物粘接劑聚合物粘接劑膠體膠體（可將膠體軋制成薄帶）（可將膠體軋制成薄帶）2 2）用膠體）用膠體固定纖維固定纖維，干燥獲得，干燥獲得粉末粉末/ /纖維

30、預(yù)制片纖維預(yù)制片3 3）或按）或按粉末法纖維粉末法纖維/ /基體復(fù)合絲基體復(fù)合絲方法制備復(fù)合絲方法制備復(fù)合絲4 4）真空擴(kuò)散結(jié)合真空擴(kuò)散結(jié)合制備復(fù)合材料制備復(fù)合材料50圖圖5.16 5.16 粉末（冶金）法制備金屬基復(fù)合料材料示意圖粉末（冶金）法制備金屬基復(fù)合料材料示意圖512.2.3 2.2.3 液態(tài)法液態(tài)法 非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝（1 1） 壓鑄法（壓鑄法（squeeze castingsqueeze casting）工藝特點(diǎn)：工藝特點(diǎn)：壓力壓力、液態(tài)或半液態(tài)液態(tài)或半液態(tài)金屬金屬工藝概要：工藝概要：壓力作用壓力作用下，液態(tài)或半液態(tài)金屬以下，液態(tài)

31、或半液態(tài)金屬以一定速度一定速度充填增強(qiáng)材料充填增強(qiáng)材料預(yù)制體空隙預(yù)制體空隙中并中并快速凝固成型快速凝固成型工藝關(guān)鍵：工藝關(guān)鍵：熔融金屬溫度熔融金屬溫度、模具預(yù)熱溫度模具預(yù)熱溫度、壓力壓力、加壓速度加壓速度52（2 2） 半固態(tài)復(fù)合鑄造（半固態(tài)復(fù)合鑄造（semisolid slurry castingsemisolid slurry casting）工藝特點(diǎn)：工藝特點(diǎn)：半固態(tài)金屬熔體半固態(tài)金屬熔體工藝概要：工藝概要：1 1）增強(qiáng)顆粒加入）增強(qiáng)顆粒加入半固態(tài)金屬熔體半固態(tài)金屬熔體中中2 2）攪拌使顆粒在熔體中）攪拌使顆粒在熔體中均勻分布均勻分布（良好界面結(jié)合良好界面結(jié)合）3 3）將）將半固態(tài)復(fù)合材

32、料半固態(tài)復(fù)合材料注入模具進(jìn)行注入模具進(jìn)行壓鑄成型壓鑄成型工藝關(guān)鍵：工藝關(guān)鍵： 1 1）控制熔體溫度控制熔體溫度，應(yīng)使其達(dá)到，應(yīng)使其達(dá)到3030 50 %50 %固態(tài)；固態(tài)； 2 2）控制攪拌速度控制攪拌速度，使部分樹(shù)枝狀結(jié)晶破碎成固態(tài)顆粒，使部分樹(shù)枝狀結(jié)晶破碎成固態(tài)顆粒53（3 3） 噴射成型法噴射成型法工藝概要：工藝概要：1 1）基體金屬在坩堝中熔融，加壓送入霧化器；）基體金屬在坩堝中熔融，加壓送入霧化器；2 2）高速惰性氣流使之分散為細(xì)小液滴（）高速惰性氣流使之分散為細(xì)小液滴（“霧化錐霧化錐”）3 3）增強(qiáng)顆粒）增強(qiáng)顆粒同時(shí)噴射同時(shí)噴射，共同沉積在基板上并，共同沉積在基板上并快速凝固快速凝

33、固54圖5.20 噴射成型法示意圖55工藝優(yōu)點(diǎn)：工藝優(yōu)點(diǎn)：（1 1）高致密度高致密度（可達(dá)理論密度的（可達(dá)理論密度的95-98%95-98%）；）；（2 2）快速凝固快速凝固（冷卻速度（冷卻速度10103 3-10-106 6 k/s k/s） （晶粒組織細(xì)化，成分均勻，很少或沒(méi)有界面反應(yīng)晶粒組織細(xì)化，成分均勻，很少或沒(méi)有界面反應(yīng)）（3 3）通用性、產(chǎn)品多樣性通用性、產(chǎn)品多樣性（4 4）流程短、工序簡(jiǎn)單、效率高，可工業(yè)化生產(chǎn)流程短、工序簡(jiǎn)單、效率高，可工業(yè)化生產(chǎn)56（4 4） 無(wú)壓浸滲法（無(wú)壓浸滲法（pressureless infiltrationpressureless infiltrat

34、ion）工藝概要：工藝概要： 1 1）制備增強(qiáng)預(yù)制體，基體金屬置于其上部）制備增強(qiáng)預(yù)制體，基體金屬置于其上部 2 2）加熱使基體熔化，）加熱使基體熔化，自發(fā)滲入自發(fā)滲入預(yù)制體孔隙中預(yù)制體孔隙中工藝舉例：制備工藝舉例：制備alal2 2oo3 3/al/al（n n2 2保護(hù)保護(hù)，800800 1000 1000 c c）工藝關(guān)鍵：增強(qiáng)體、基體之間滿足工藝關(guān)鍵：增強(qiáng)體、基體之間滿足潤(rùn)濕條件潤(rùn)濕條件（接觸角足夠小接觸角足夠?。?7圖圖5.21 5.21 無(wú)壓浸滲法工藝原理示意圖無(wú)壓浸滲法工藝原理示意圖582.2.4 2.2.4 粉末冶金法粉末冶金法非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝非連續(xù)增強(qiáng)相金屬

35、基復(fù)合材料制備工藝工藝特點(diǎn)：工藝特點(diǎn)：制備非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料常用方法制備非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料常用方法工藝優(yōu)點(diǎn)：工藝優(yōu)點(diǎn)：（1 1）制備溫度低，）制備溫度低，界面反應(yīng)可控界面反應(yīng)可控（較之液相法）（較之液相法）（3 3）增強(qiáng)相、基體均勻混合（）增強(qiáng)相、基體均勻混合（組織均勻致密、細(xì)化組織均勻致密、細(xì)化）（4 4）利于凈成型或近凈成型，）利于凈成型或近凈成型，二次加工性能好二次加工性能好工藝缺點(diǎn)：工藝缺點(diǎn)：工藝流程較長(zhǎng)工藝流程較長(zhǎng)、成本較高成本較高59圖圖5.22 5.22 粉末冶金法制備非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備流程圖粉末冶金法制備非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備流程圖602.2

36、.5 2.2.5 原位生長(zhǎng)法原位生長(zhǎng)法工藝特點(diǎn)：工藝特點(diǎn)：1 1）增強(qiáng)體生成相）增強(qiáng)體生成相熱力學(xué)穩(wěn)定性好熱力學(xué)穩(wěn)定性好2 2）增強(qiáng)相與基體之間）增強(qiáng)相與基體之間不存在潤(rùn)濕、界面反應(yīng)問(wèn)題不存在潤(rùn)濕、界面反應(yīng)問(wèn)題3 3）增強(qiáng)相與基體）增強(qiáng)相與基體結(jié)合良好結(jié)合良好（解決了界面相容性解決了界面相容性）61（1 1） 共晶合金定向凝固共晶合金定向凝固工藝要求：合金成分為工藝要求：合金成分為共晶或接近共晶成分共晶或接近共晶成分工藝概要：參與共晶反應(yīng)工藝概要：參與共晶反應(yīng) 和和 相同時(shí)從液相中生成相同時(shí)從液相中生成，其中一相以其中一相以棒狀或?qū)悠瑺畎魻罨驅(qū)悠瑺?定向規(guī)則排列定向規(guī)則排列工藝關(guān)鍵：工藝關(guān)鍵：

37、合金成分合金成分、溫度溫度、生長(zhǎng)方向生長(zhǎng)方向 等的控制等的控制62圖圖5.23 5.23 二元共晶相圖及兩相平面穩(wěn)定生長(zhǎng)示意圖二元共晶相圖及兩相平面穩(wěn)定生長(zhǎng)示意圖63（2 2） 直接金屬氧化法直接金屬氧化法工藝特點(diǎn)：工藝特點(diǎn)：基體金屬基體金屬氧化氧化或或氮化氮化獲取復(fù)合材料獲取復(fù)合材料工藝舉例：工藝舉例：1 1）900900 13001300 c c，鋁中加入促進(jìn)氧化反應(yīng)的，鋁中加入促進(jìn)氧化反應(yīng)的sisi、mgmg2 2）熔融鋁通過(guò)顯微通道滲透到氧化鋁外部順序氧化）熔融鋁通過(guò)顯微通道滲透到氧化鋁外部順序氧化3 3）鋁的滲透通道未被堵塞，繼續(xù)氧化）鋁的滲透通道未被堵塞，繼續(xù)氧化4 4）完全氧化之

38、前停止，獲得致密）完全氧化之前停止，獲得致密al2o3/alal2o3/al復(fù)合材料復(fù)合材料其它制備：其它制備：直接氮化直接氮化（aln/alaln/al、tin/titin/ti） 64（3 3） 反應(yīng)生長(zhǎng)法反應(yīng)生長(zhǎng)法工藝對(duì)象：可生成工藝對(duì)象：可生成顆粒顆粒、晶須晶須等增強(qiáng)的復(fù)合材料。等增強(qiáng)的復(fù)合材料。工藝概要：工藝概要：1 1）選擇基體和增強(qiáng)相生成所需的原材料）選擇基體和增強(qiáng)相生成所需的原材料2 2）按一定比例混合制成預(yù)制體）按一定比例混合制成預(yù)制體3 3）加熱熔化到反應(yīng)發(fā)生的溫度，進(jìn)行放熱反應(yīng)）加熱熔化到反應(yīng)發(fā)生的溫度，進(jìn)行放熱反應(yīng)4 4）增強(qiáng)體在基體中生成）增強(qiáng)體在基體中生成65al

39、+ ti + 2b al + ti + 2b tib tib2 2 + al + al al + ti + c al + ti + c tic + altic + al圖圖5.26 5.26 反應(yīng)生長(zhǎng)法工藝原理示意圖反應(yīng)生長(zhǎng)法工藝原理示意圖66工藝優(yōu)點(diǎn)：工藝優(yōu)點(diǎn)：（1 1）增強(qiáng)相）增強(qiáng)相原位生長(zhǎng)原位生長(zhǎng)，熱力學(xué)穩(wěn)定熱力學(xué)穩(wěn)定；（2 2）增強(qiáng)相的）增強(qiáng)相的類型、形態(tài)類型、形態(tài)可選擇和設(shè)計(jì)可選擇和設(shè)計(jì)；（3 3）各種）各種金屬或金屬間化合物均可作為基體金屬或金屬間化合物均可作為基體；（4 4）復(fù)合材料采用傳統(tǒng)金屬加工方法）復(fù)合材料采用傳統(tǒng)金屬加工方法可進(jìn)行二次加工可進(jìn)行二次加工。673 鋁基復(fù)合材

40、料鋁基復(fù)合材料3.13.1顆粒（晶須）增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料顆粒（晶須）增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（1 1）增強(qiáng)顆粒（晶須）增強(qiáng)顆粒（晶須）增強(qiáng)顆粒（晶須）：增強(qiáng)顆粒（晶須）：碳化硅、氧化鋁、碳化硅、氧化鋁、碳化硼、氧化硅、碳化鈦碳化硼、氧化硅、碳化鈦增強(qiáng)體性能特點(diǎn)：增強(qiáng)體性能特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高模量、高強(qiáng)度、高模量、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性 68（2 2）制備方法）制備方法固態(tài)法固態(tài)法：粉末冶金法、熱等靜壓法、擠壓法：粉末冶金法、熱等靜壓法、擠壓法液態(tài)法液態(tài)法：壓力鑄造法、壓力浸漬法、攪拌法、噴射法：壓力鑄造法、壓力浸漬法、攪拌法、噴射法 （鋁熔點(diǎn)低，液態(tài)法較常用鋁熔點(diǎn)低，液態(tài)法較常用）優(yōu)優(yōu)

41、點(diǎn)：點(diǎn)：制造方法簡(jiǎn)單、增強(qiáng)體價(jià)格低廉，應(yīng)用前景廣闊制造方法簡(jiǎn)單、增強(qiáng)體價(jià)格低廉，應(yīng)用前景廣闊69（3 3）性能特點(diǎn)）性能特點(diǎn)sicsicp p/al/al、sicsicw w/al/al具有良好的力學(xué)性能和耐磨性能具有良好的力學(xué)性能和耐磨性能強(qiáng)度強(qiáng)度& &模量模量：比基體高比基體高 ( (增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)增大，性能提高增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)增大，性能提高) )一般說(shuō)來(lái)增強(qiáng)顆粒越小，則復(fù)合材料強(qiáng)度越高一般說(shuō)來(lái)增強(qiáng)顆粒越小，則復(fù)合材料強(qiáng)度越高熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)：低于基體材料低于基體材料增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)增加則減小增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)增加則減小70斷裂韌性斷裂韌性：較之：較之鋁合金鋁合金 下降很多下降很多（脆性碳化硅

42、顆粒脆性碳化硅顆粒）耐磨性耐磨性：較之鋁合金：較之鋁合金耐磨性增加很多耐磨性增加很多（脆性碳化硅顆粒脆性碳化硅顆粒） 耐磨性甚至比鑄鐵還高耐磨性甚至比鑄鐵還高 常用作常用作汽車剎車片汽車剎車片71表表5.5 5.5 材料耐磨性比較材料耐磨性比較磨痕寬度，磨痕寬度，mmmm稀土鋁硅合稀土鋁硅合金金66-1266-12al2o3 al2o3 纖維纖維- -鋁鋁sicsic顆粒顆粒- -鋁鋁高鎳奧氏體鑄高鎳奧氏體鑄鐵鐵最大最大1.94751.94751.5001.5000.94250.94251.16701.1670最小最小1.84761.84761.3251.3250.8650.8651.1275

43、1.1275平均平均1.8971.8971.4121.4120.90370.90371.14121.1412723.2 3.2 纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（1 1）分類及制備方法）分類及制備方法纖維分類：纖維分類：長(zhǎng)纖維長(zhǎng)纖維、短纖維短纖維（前者增強(qiáng)性能一般優(yōu)于后者前者增強(qiáng)性能一般優(yōu)于后者）制備方法：制備方法：固態(tài)法固態(tài)法（熱壓法、熱等靜壓法熱壓法、熱等靜壓法）液態(tài)法液態(tài)法（壓力鑄造法、浸漬法壓力鑄造法、浸漬法）73（2 2）長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料）長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料硼、碳、碳化硅、氧化鋁等纖維和不銹鋼絲硼、碳、碳化硅、氧化鋁等纖維和不銹鋼絲a a）硼纖維）硼纖維/ /鋁基復(fù)

44、合材料（鋁基復(fù)合材料（b bf f/al/al）硼硼 纖纖 維：維：鎢、碳芯粗纖維鎢、碳芯粗纖維（100140100140微米）（微米）（cvdcvd）性能改進(jìn)：增強(qiáng)后基體合金性能改進(jìn)：增強(qiáng)后基體合金性能有很大提高性能有很大提高 （特別是（特別是高溫性能有很大提高高溫性能有很大提高） b bf f/al/al性能受纖維直徑、方向、鋪排方式影響很大性能受纖維直徑、方向、鋪排方式影響很大74室溫縱向拉伸強(qiáng)度和模量室溫縱向拉伸強(qiáng)度和模量：比基體合金高比基體合金高隨增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)增大而有很大提高隨增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)增大而有很大提高高溫縱向拉伸強(qiáng)度和模量高溫縱向拉伸強(qiáng)度和模量：隨溫度升高而下降隨溫度升高而下

45、降下降不劇烈（下降不劇烈（500500度保持一半強(qiáng)度，度保持一半強(qiáng)度，500mpa500mpa）熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)：取決于纖維熱膨脹系數(shù)取決于纖維熱膨脹系數(shù)界面存在很大應(yīng)力集中（熱膨脹系數(shù)相差大）界面存在很大應(yīng)力集中（熱膨脹系數(shù)相差大）75b b） 碳纖維碳纖維/ /鋁基復(fù)合材料（鋁基復(fù)合材料（c cf f/al/al）碳纖維：碳纖維：密度小密度小、力學(xué)性能非常優(yōu)異力學(xué)性能非常優(yōu)異、價(jià)格便宜價(jià)格便宜面臨問(wèn)題：與鋁面臨問(wèn)題：與鋁浸潤(rùn)性差浸潤(rùn)性差、高溫下容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)高溫下容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（生成嚴(yán)重影響材料性能的生成嚴(yán)重影響材料性能的alal4 4c c3 3）解決辦法：解決辦法：不直接使用不

46、直接使用，進(jìn)行，進(jìn)行表面處理表面處理（鍍金屬）（鍍金屬）76c cf f/al/al制造方法制造方法：擴(kuò)散結(jié)合擴(kuò)散結(jié)合：纖維黏附基體金屬，纖維重疊排列，：纖維黏附基體金屬，纖維重疊排列，熱壓擴(kuò)散結(jié)合（熱壓擴(kuò)散結(jié)合（纖維先驅(qū)體纖維先驅(qū)體）擠壓鑄造擠壓鑄造：纖維預(yù)成型體纖維預(yù)成型體置于金屬膜中，適當(dāng)加熱，置于金屬膜中，適當(dāng)加熱，加壓浸入熔融基體金屬、高壓冷卻凝固加壓浸入熔融基體金屬、高壓冷卻凝固浸浸 漬漬 法法：纖維預(yù)制成型，浸入液態(tài)金屬冷卻凝固。：纖維預(yù)制成型，浸入液態(tài)金屬冷卻凝固。溫度過(guò)高溫度過(guò)高（注意界面反應(yīng)控制注意界面反應(yīng)控制）77c c）碳化硅纖維）碳化硅纖維/ /鋁基復(fù)合材料（鋁基復(fù)合

47、材料（sicsicf f/al/al）有芯纖維有芯纖維：鎢、碳芯經(jīng)化學(xué)氣象沉積制備（：鎢、碳芯經(jīng)化學(xué)氣象沉積制備（直徑較粗直徑較粗）表面游離碳少、含氧量低，與鋁不易反應(yīng)表面游離碳少、含氧量低，與鋁不易反應(yīng)容易制備復(fù)合材料容易制備復(fù)合材料無(wú)芯纖維無(wú)芯纖維：聚碳硅烷熱處理獲得（：聚碳硅烷熱處理獲得（一束多絲一束多絲）表面有較多游離碳和氧，易和鋁反應(yīng)表面有較多游離碳和氧，易和鋁反應(yīng)制造復(fù)合材料比較困難制造復(fù)合材料比較困難78纖維優(yōu)點(diǎn)纖維優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)異力學(xué)性能、較強(qiáng)高溫抗氧化能力優(yōu)異力學(xué)性能、較強(qiáng)高溫抗氧化能力( (較之較之b bf f、c cf f) ) 與鋁相容性好與鋁相容性好（鋁合金的較好增強(qiáng)體）（

48、鋁合金的較好增強(qiáng)體）sicsicf f/al/al制備方法制備方法：熱壓擴(kuò)散法、加壓鑄造法、浸漬法：熱壓擴(kuò)散法、加壓鑄造法、浸漬法sicsicf f/al/al性能性能：高抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和優(yōu)異耐磨性能高抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和優(yōu)異耐磨性能 優(yōu)異高溫性能優(yōu)異高溫性能（400400度以下強(qiáng)度降低很少度以下強(qiáng)度降低很少）79（3 3）短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料）短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料纖維種類纖維種類：alal2 2o o3 3、sicsic增強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)增強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)體來(lái)源廣、價(jià)格低、成型性好增強(qiáng)體來(lái)源廣、價(jià)格低、成型性好（可采用傳統(tǒng)金屬成型工藝如（可采用傳統(tǒng)金屬成型工藝如鑄、鍛、軋鑄、鍛、軋等）等）性能特點(diǎn)

49、性能特點(diǎn)：室溫拉伸強(qiáng)度室溫拉伸強(qiáng)度 無(wú)明顯改善，有時(shí)有降低無(wú)明顯改善，有時(shí)有降低彈性模量彈性模量 在室溫和高溫都有較大提高在室溫和高溫都有較大提高基體合金基體合金 高溫性能高溫性能 得到很大提高得到很大提高基體合金基體合金 耐磨性耐磨性 有明顯改善有明顯改善熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) 減小減小803.3 3.3 鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用（1 1）長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用）長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用航空航天領(lǐng)域航空航天領(lǐng)域（高比強(qiáng)度比模量、尺寸穩(wěn)定性好、高比強(qiáng)度比模量、尺寸穩(wěn)定性好、價(jià)格貴價(jià)格貴） b bf f/al /al ：航天飛機(jī)機(jī)身框架及支柱、飛機(jī)起落架部件、：航天飛機(jī)機(jī)身框

50、架及支柱、飛機(jī)起落架部件、 飛機(jī)機(jī)翼蒙皮、飛機(jī)垂直尾翼、導(dǎo)彈構(gòu)件、飛機(jī)機(jī)翼蒙皮、飛機(jī)垂直尾翼、導(dǎo)彈構(gòu)件、 多層半導(dǎo)體芯片支座散熱冷卻板多層半導(dǎo)體芯片支座散熱冷卻板 （導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體匹配）（導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體匹配）81 c cf f/al /al ： 比模量高、導(dǎo)電導(dǎo)熱、尺寸穩(wěn)定性好比模量高、導(dǎo)電導(dǎo)熱、尺寸穩(wěn)定性好 衛(wèi)星拋物面天線骨架（衛(wèi)星拋物面天線骨架（尺寸穩(wěn)定性好尺寸穩(wěn)定性好） 飛機(jī)某些構(gòu)件（飛機(jī)某些構(gòu)件（有助于減輕重量有助于減輕重量） sicsicf f/al/al： 飛機(jī)、導(dǎo)彈、發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫構(gòu)件飛機(jī)、導(dǎo)彈、發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫構(gòu)件（2 2）短纖維、顆粒、晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材

51、料的應(yīng)用）短纖維、顆粒、晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用性能優(yōu)異，應(yīng)用前景廣闊，價(jià)格相對(duì)便宜性能優(yōu)異，應(yīng)用前景廣闊，價(jià)格相對(duì)便宜（參閱教材參閱教材7474頁(yè)內(nèi)容頁(yè)內(nèi)容）824 4 鈦基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料4.1 4.1 概述概述鈦合金鈦合金：優(yōu)良的耐高溫性能、耐腐蝕性能、低的密度優(yōu)良的耐高溫性能、耐腐蝕性能、低的密度 性能不能滿足航空和航天等領(lǐng)域的進(jìn)一步要求性能不能滿足航空和航天等領(lǐng)域的進(jìn)一步要求鈦基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料：克服基體合金耐磨性、模量低的缺點(diǎn)克服基體合金耐磨性、模量低的缺點(diǎn)更高比強(qiáng)度、比模量更高比強(qiáng)度、比模量極佳耐疲勞、抗蠕變性能極佳耐疲勞、抗蠕變性能優(yōu)異高溫性能、耐腐蝕性能優(yōu)異高溫性能

52、、耐腐蝕性能83制備工藝特點(diǎn)制備工藝特點(diǎn)：要經(jīng)歷：要經(jīng)歷8001200 8001200 度高溫暴露度高溫暴露 容易和增強(qiáng)體容易和增強(qiáng)體發(fā)生界面反應(yīng)發(fā)生界面反應(yīng)基體合金選擇基體合金選擇：tial ()tial ()、titi3 3al(al(2 2) )（良好高溫抗氧化性）（良好高溫抗氧化性） titi2 2nbalnbal （良好塑性、抗氧化性）（良好塑性、抗氧化性） 工業(yè)純鈦不適合工業(yè)純鈦不適合（與（與sicsic纖維有劇烈反應(yīng)）纖維有劇烈反應(yīng)）844.2 4.2 顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料工藝特點(diǎn)工藝特點(diǎn)： 簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)（較之纖維增強(qiáng)）（較之纖維增強(qiáng)） 精密鑄造、粉末冶金

53、、擠壓、鍛造精密鑄造、粉末冶金、擠壓、鍛造常用基體常用基體： tialtial（ ）、）、titi3 3alal（ 2 2）常用顆粒常用顆粒： 碳化硅、碳化鈦、碳化硼碳化硅、碳化鈦、碳化硼85顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料性能特點(diǎn)顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料性能特點(diǎn)：1 1）各向同性各向同性2 2）硬度、剛度、耐磨性明顯改善硬度、剛度、耐磨性明顯改善3 3）塑性、韌性、耐疲勞性能有所下降塑性、韌性、耐疲勞性能有所下降4 4）室溫拉伸強(qiáng)度與基體相近甚至不如基體室溫拉伸強(qiáng)度與基體相近甚至不如基體5 5）高溫強(qiáng)度比基體合金好高溫強(qiáng)度比基體合金好864.3 4.3 長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料制備工藝制

54、備工藝： 成型工藝復(fù)雜成型工藝復(fù)雜 固相法固相法（熱壓、熱等靜壓）（熱壓、熱等靜壓）纖維與基體要求纖維與基體要求： 物理參數(shù)要匹配物理參數(shù)要匹配（熱膨脹系數(shù)）（熱膨脹系數(shù)） 良好熱穩(wěn)定性良好熱穩(wěn)定性 良好高溫性能良好高溫性能 增強(qiáng)纖維增強(qiáng)纖維： 與鈦不易發(fā)生反應(yīng)與鈦不易發(fā)生反應(yīng) 碳化硅纖維、碳化鈦纖維、碳化硅纖維、碳化鈦纖維、 碳化硅包覆硼纖維、耐高溫金屬纖維碳化硅包覆硼纖維、耐高溫金屬纖維87性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)縱向力學(xué)性能：縱向力學(xué)性能：強(qiáng)度、模量、抗蠕變性能等比基體合金高強(qiáng)度、模量、抗蠕變性能等比基體合金高橫向力學(xué)性能：橫向力學(xué)性能：不如基體合金不如基體合金（約為基體合金的（約為基體合金的1

55、/3-1/21/3-1/2） （增強(qiáng)體與基體合金之間（增強(qiáng)體與基體合金之間形成弱界面形成弱界面）耐疲勞性能：耐疲勞性能： 良好耐疲勞性能良好耐疲勞性能 （弱界面有利于組止疲勞裂紋生長(zhǎng)弱界面有利于組止疲勞裂紋生長(zhǎng)）884.4 4.4 鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用航空航天領(lǐng)域航空航天領(lǐng)域（如航天飛機(jī)的機(jī)身構(gòu)件）（如航天飛機(jī)的機(jī)身構(gòu)件）軍事領(lǐng)域軍事領(lǐng)域（如導(dǎo)彈尾翼）（如導(dǎo)彈尾翼）汽車工業(yè)汽車工業(yè)醫(yī)療領(lǐng)域醫(yī)療領(lǐng)域 895 5 鎂基復(fù)合材料鎂基復(fù)合材料5.1 5.1 常用基體合金常用基體合金純純 鎂鎂：強(qiáng)度低，：強(qiáng)度低，不適于用作基體材料不適于用作基體材料鎂合金鎂合金：加入合金元素（：加入合金元

56、素（固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化） alal、mnmn、zrzr（強(qiáng)度、耐腐蝕性強(qiáng)度、耐腐蝕性） 稀土金屬稀土金屬（鑄造性能、焊接性能，耐熱性鑄造性能、焊接性能，耐熱性）905.2 5.2 常用增強(qiáng)體常用增強(qiáng)體鎂合金特點(diǎn)鎂合金特點(diǎn)：化學(xué)性質(zhì)更加活潑化學(xué)性質(zhì)更加活潑，要，要充分考慮界面反應(yīng)充分考慮界面反應(yīng)增強(qiáng)體選擇原則增強(qiáng)體選擇原則：物理化學(xué)相容性、界面潤(rùn)濕性好物理化學(xué)相容性、界面潤(rùn)濕性好盡量盡量避免界面反應(yīng)避免界面反應(yīng)常用增強(qiáng)體常用增強(qiáng)體：涉及：涉及 c cf f、b bf f、alal2 2oo3p3p、sicsicp p、bcbcp p、sicsicw w等等91alal2 2o o3 3：界面反應(yīng)強(qiáng)烈界面反應(yīng)強(qiáng)烈（鎂能還原出鋁）（鎂能