第5章金屬基復(fù)合材料

1、復(fù)合材料郭連貴郭連貴湖北工程學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院湖北工程學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院石墨烯石墨烯第第5章章 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料多壁碳納米管多壁碳納米管5.1 金屬基復(fù)合材料的種類和性能金屬基復(fù)合材料的種類和性能 金屬基復(fù)合材料相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬材料來(lái)說(shuō)，具有較高的比強(qiáng)度與金屬基復(fù)合材料相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬材料來(lái)說(shuō)，具有較高的比強(qiáng)度與比剛度；比剛度； 與樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與耐熱性；與樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與耐熱性； 與陶瓷基材料相比，具有高韌性和高沖擊性能。與陶瓷基材料相比，具有高韌性和高沖擊性能。 金屬基復(fù)合材料（金屬基復(fù)合材料（MMC）是）是，非均質(zhì)混合物，共

2、同點(diǎn)是具有非均質(zhì)混合物，共同點(diǎn)是具有連續(xù)的金屬基體。連續(xù)的金屬基體。5.1 金屬基復(fù)合材料的種類和性能金屬基復(fù)合材料的種類和性能 19631963年，年，NASANASA制備出鎢絲增強(qiáng)制備出鎢絲增強(qiáng)CuCu基復(fù)合材料，是纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材基復(fù)合材料，是纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究起點(diǎn)，料的研究起點(diǎn)，SiC/Al,AlSiC/Al,Al2 2O O3 3/Al/Al； 19781978年年B/AlB/Al復(fù)合材料在哥倫比亞航天飛機(jī)上應(yīng)用；復(fù)合材料在哥倫比亞航天飛機(jī)上應(yīng)用； 1964 1964年，年，KraftKraft通過(guò)共晶合金定向凝固制備出金屬基復(fù)合材料，界面結(jié)通過(guò)共晶合金定向凝固制備出金

3、屬基復(fù)合材料，界面結(jié)合良好，合良好，Ni-NiNi-Ni3 3AlAl，Ni-NiNi-Ni3 3SiSi； 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代，金屬基復(fù)合材料迅速發(fā)展，開(kāi)始注重顆粒、晶須和短纖年代，金屬基復(fù)合材料迅速發(fā)展，開(kāi)始注重顆粒、晶須和短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，在汽車、體育用品等領(lǐng)域得到應(yīng)用；維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，在汽車、體育用品等領(lǐng)域得到應(yīng)用； 9090年代后期，電子產(chǎn)品和技術(shù)迅速發(fā)展，低膨脹、高強(qiáng)度和高導(dǎo)熱性的年代后期，電子產(chǎn)品和技術(shù)迅速發(fā)展，低膨脹、高強(qiáng)度和高導(dǎo)熱性的金屬基復(fù)合材料在電子產(chǎn)品得到應(yīng)用；金屬基復(fù)合材料在電子產(chǎn)品得到應(yīng)用； 近年，功能和納米金屬基復(fù)合材料成為研究熱點(diǎn)。近年，

4、功能和納米金屬基復(fù)合材料成為研究熱點(diǎn)。5.1 金屬基復(fù)合材料的種類和性能金屬基復(fù)合材料的種類和性能一、金屬基復(fù)合材料的分類一、金屬基復(fù)合材料的分類基體基體增強(qiáng)體增強(qiáng)體6 碳化物金屬陶瓷作為工具材料已碳化物金屬陶瓷作為工具材料已被廣泛應(yīng)用，稱作被廣泛應(yīng)用，稱作。硬。硬質(zhì)合金通常以質(zhì)合金通常以CoCo、NiNi作為作為，WCWC、TiCTiC等作為強(qiáng)化相。等作為強(qiáng)化相。 硬質(zhì)合金組織硬質(zhì)合金組織( (Co+WC)78 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、尺才穩(wěn)定性、：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)。用于制造各種航天、航耐熱性等是其主要性能

5、特點(diǎn)。用于制造各種航天、航空、汽車、先進(jìn)武器系統(tǒng)等高性能結(jié)構(gòu)件?？铡⑵?、先進(jìn)武器系統(tǒng)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、高阻尼、：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)化組合是其主要特性，用于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)。強(qiáng)調(diào)具有電、熱、磁等功電子、儀器、汽車等工業(yè)。強(qiáng)調(diào)具有電、熱、磁等功能特性能特性智能復(fù)合材料智能復(fù)合材料：強(qiáng)調(diào)具有感覺(jué)、反應(yīng)、自監(jiān)測(cè)、自修：強(qiáng)調(diào)具有感覺(jué)、反應(yīng)、自監(jiān)測(cè)、自修復(fù)等特性。復(fù)等特性。 應(yīng)當(dāng)注意，功能復(fù)合材料和智能復(fù)合材料容易混應(yīng)當(dāng)注意，功能復(fù)合材料和智能復(fù)合材料容易混淆。淆。5.

6、1 金屬基復(fù)合材料的種類和性能金屬基復(fù)合材料的種類和性能二、金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)二、金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)p 高比強(qiáng)度、比模量高比強(qiáng)度、比模量p 良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能p 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p 良好的高溫性能良好的高溫性能p 良好的耐磨性良好的耐磨性p 良好的斷裂韌性和抗疲勞性能良好的斷裂韌性和抗疲勞性能p 不吸潮、不老化、氣密性好不吸潮、不老化、氣密性好5.2 金屬基復(fù)合材料的制造工藝金屬基復(fù)合材料的制造工藝 金屬基體與增強(qiáng)材料的金屬基體與增強(qiáng)材料的和和； 金屬基體金屬基體/ /增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料和和在工藝過(guò)程中的形成在工藝過(guò)程中的形成

7、及控制；及控制； ； 防止防止 優(yōu)化優(yōu)化，提高復(fù)合材料的，提高復(fù)合材料的，降低，降低。 5.2 金屬基復(fù)合材料的制造工藝金屬基復(fù)合材料的制造工藝根據(jù)各種方法的基本特點(diǎn)，把金屬基復(fù)合材料的制備工根據(jù)各種方法的基本特點(diǎn)，把金屬基復(fù)合材料的制備工藝分為四大類：藝分為四大類：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)法碳纖維碳纖維硼纖維硼纖維SiC纖維纖維Al2O3纖維纖維13不連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制

8、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(zhǎng)、噴射成型法固態(tài)、液態(tài)、原位生長(zhǎng)、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(zhǎng)法固態(tài)、液態(tài)法、原位生長(zhǎng)法高溫合金高溫合金 原位生長(zhǎng)法原位生長(zhǎng)法金屬間化合物金屬間化合物 粉末冶金、原位生長(zhǎng)法粉末冶金、原位生長(zhǎng)法顆粒顆粒晶須晶須短纖維短纖維5.2 金屬基復(fù)合材料的制造工藝金屬基復(fù)合材料的制造工藝一、固相法一、固相法-擴(kuò)散結(jié)合擴(kuò)散結(jié)合中，增強(qiáng)纖維與基體的中，增強(qiáng)纖維與基體的結(jié)合主要分為三個(gè)關(guān)鍵步驟：結(jié)合主要分為三個(gè)關(guān)鍵步驟：a)a)金屬箔復(fù)合法金屬箔復(fù)合法 b)b)金屬無(wú)緯帶重疊法金屬無(wú)緯帶重疊

9、法 c)c)表面鍍有金屬的纖表面鍍有金屬的纖維結(jié)合法維結(jié)合法 5.2 金屬基復(fù)合材料的制造工藝金屬基復(fù)合材料的制造工藝一、固相法一、固相法-粉末冶金粉末冶金 將金屬或非金屬粉末將金屬或非金屬粉末后后成形，并在低于金屬熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)成形，并在低于金屬熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行行，利用粉末間原子，利用粉末間原子來(lái)使其來(lái)使其的過(guò)程被稱做的過(guò)程被稱做工藝。工藝。粉末混料均勻并加入適當(dāng)?shù)闹鷦?，再進(jìn)行壓制成型，粉粒間的原子通粉末混料均勻并加入適當(dāng)?shù)闹鷦?，再進(jìn)行壓制成型，粉粒間的原子通過(guò)過(guò)，使制件結(jié)合為具有一定強(qiáng)度的整體。，使制件結(jié)合為具有一定強(qiáng)度的整體。將壓制成型的制件放置在采用還原性氣氛的閉式爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)將

10、壓制成型的制件放置在采用還原性氣氛的閉式爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度約為基體金屬熔點(diǎn)的溫度約為基體金屬熔點(diǎn)的2/32/33/43/4倍。由于高溫下不同種類原子的倍。由于高溫下不同種類原子的，粉末表面氧化物的被還原以及變形粉末的粉末表面氧化物的被還原以及變形粉末的，使粉末顆粒相互結(jié)合。，使粉末顆粒相互結(jié)合。5.2 金屬基復(fù)合材料的制造工藝金屬基復(fù)合材料的制造工藝二、液相法二、液相法-壓鑄法壓鑄法 在壓力的作用下，將液在壓力的作用下，將液態(tài)或半液態(tài)金屬以一定速度態(tài)或半液態(tài)金屬以一定速度充填充填或或中，在壓力下中，在壓力下快速凝固成型?？焖倌坛尚?。 主要工藝因素有熔融金主要工藝因素有熔融金屬的溫度、模具

11、預(yù)熱溫度、屬的溫度、模具預(yù)熱溫度、壓力和加壓速度等。壓力和加壓速度等。 5.2 金屬基復(fù)合材料的制造工藝金屬基復(fù)合材料的制造工藝二、液相法二、液相法-攪拌鑄造法攪拌鑄造法 攪拌鑄造法是最早用于顆粒增強(qiáng)金屬攪拌鑄造法是最早用于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的一種彌散混合鑄造工藝?；鶑?fù)合材料的一種彌散混合鑄造工藝。 攪拌鑄造法有兩種方式：一種是在合攪拌鑄造法有兩種方式：一種是在合金液處于液相線溫度以上進(jìn)行攪拌，稱金液處于液相線溫度以上進(jìn)行攪拌，稱為為“液態(tài)攪拌液態(tài)攪拌”；另一種是合金液處于；另一種是合金液處于固相線與液相線之間進(jìn)行攪拌，稱為固相線與液相線之間進(jìn)行攪拌，稱為“半固態(tài)攪拌鑄造法半固態(tài)攪拌鑄造法

12、”或或“流變鑄造流變鑄造”。5.2 金屬基復(fù)合材料的制造工藝金屬基復(fù)合材料的制造工藝三、噴射成型法三、噴射成型法 將將在坩堝中熔化后，在壓力作在坩堝中熔化后，在壓力作用下通過(guò)噴咀送入霧化器，在高速惰性氣用下通過(guò)噴咀送入霧化器，在高速惰性氣體射流的作用下，體射流的作用下，形成所謂，形成所謂“” ； 通過(guò)一個(gè)或多個(gè)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)向向“霧化錐霧化錐”噴射噴射入入，使之與，使之與一齊在一齊在基板（收集器）上沉積，并快速凝固形成基板（收集器）上沉積，并快速凝固形成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。5.2 金屬基復(fù)合材料的制造工藝金屬基復(fù)合材料的制造工藝四、原位生長(zhǎng)法四、原位生長(zhǎng)法-共晶合金

13、定向凝固法共晶合金定向凝固法 在復(fù)合材料制造過(guò)程中，增強(qiáng)材料在基體中生成和生長(zhǎng)的方法稱作原在復(fù)合材料制造過(guò)程中，增強(qiáng)材料在基體中生成和生長(zhǎng)的方法稱作原位自生成法。位自生成法。 增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料從基體中凝固析從基體中凝固析出，通過(guò)控制冷凝方向，在基體中生長(zhǎng)出出，通過(guò)控制冷凝方向，在基體中生長(zhǎng)出排列整齊的類似纖維的條狀或片層狀排列整齊的類似纖維的條狀或片層狀。 要求合金成分為共晶或接近共晶成分，要求合金成分為共晶或接近共晶成分，以及有包晶或偏晶反應(yīng)的兩相結(jié)合。以及有包晶或偏晶反應(yīng)的兩相結(jié)合。 工藝過(guò)程：合金原料在真空或惰性氣體中通過(guò)感應(yīng)加熱熔化，控制冷卻工藝過(guò)程：合金原料在真空或惰性氣體中通過(guò)感應(yīng)

14、加熱熔化，控制冷卻方向，進(jìn)行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方向整齊排列，連續(xù)相為基體，方向，進(jìn)行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方向整齊排列，連續(xù)相為基體，類似纖維的條狀或片層狀的分散相為增強(qiáng)體。類似纖維的條狀或片層狀的分散相為增強(qiáng)體。5.2 金屬基復(fù)合材料的制造工藝金屬基復(fù)合材料的制造工藝四、原位生長(zhǎng)法四、原位生長(zhǎng)法-直接金屬氧化法直接金屬氧化法 。 制備制備Al2O3 / Al時(shí)，時(shí)，900 1300 C的溫度下，使熔融鋁通過(guò)顯微通道滲透的溫度下，使熔融鋁通過(guò)顯微通道滲透到氧化鋁層外部，并順序氧化；即鋁被氧化，但液態(tài)鋁的滲透通道未被堵到氧化鋁層外部，并順序氧化；即鋁被氧化，但液態(tài)鋁的滲透通道未被

15、堵塞?？筛鶕?jù)氧化程度控制塞?？筛鶕?jù)氧化程度控制Al2O3的量。所制備的復(fù)合材料就是含有的量。所制備的復(fù)合材料就是含有Al的、的、互連的互連的Al2O3陶瓷基復(fù)合材料。陶瓷基復(fù)合材料。 直接氮化獲得直接氮化獲得AlN / Al、和、和TiN / Ti等金屬或陶瓷基復(fù)合材料。等金屬或陶瓷基復(fù)合材料。 5.3 鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料是在金屬基復(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，再加之它所具有的的、及及等優(yōu)點(diǎn)，為其在工程上應(yīng)用創(chuàng)造了有等優(yōu)點(diǎn)，為其在工程上應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。利的條件。在在制造鋁基復(fù)合材料制造鋁基復(fù)合材料

16、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，。5.3 鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料5.3 鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料5.3 鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料5.3 鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料5.3 鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料5.3 鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料5.3 鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料5.3 鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料5.4 鈦基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料5.4 鈦基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料一、顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料一、顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料5.4 鈦基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料二、連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料二、連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料5.4 鈦基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料三、鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用三、鈦基復(fù)合材料