金屬基復(fù)合材料考試題目

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1、 金屬基復(fù)合材料的特性有哪些？請(qǐng)?jiān)敿?xì)說(shuō)明。答：金屬基復(fù)合材料的性能取決于所選的金屬和或合金基體和增強(qiáng)體的特性、含量、分布等。通過(guò)優(yōu)化組合可以獲得既具有金屬特性，又具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐熱、耐磨等綜合性能。綜合歸納金屬基復(fù)合材料具有以下性能特點(diǎn)：1. 高比強(qiáng)度、高比模量由于金屬基體中加入了適量的高強(qiáng)度、高模量、低密度的纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)體，明顯提高復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量，特別是高性能連續(xù)纖維硼纖維、碳(石墨)纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)物，具有很高的強(qiáng)度和模量。2.導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能金屬基復(fù)合材料中金屬基體占有很高的體積分?jǐn)?shù)，一般在60%以上，因此仍然保持金屬所特有

2、的良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。在金屬基復(fù)合材料中采用高導(dǎo)熱性的增強(qiáng)體可以進(jìn)一步提高金屬基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率比純金屬基體還高。3.熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好金屬基復(fù)合材料中所用的增強(qiáng)物碳纖維、碳化硅纖維、晶須、顆粒、硼纖維等既具有很小的熱膨脹系數(shù)，又有很高的模量，特別是超高模量的石墨纖維具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)。加入相當(dāng)含量的增強(qiáng)體不僅大幅度提高材料的強(qiáng)度和模量，也使其熱膨脹系數(shù)明顯下降并可通過(guò)調(diào)整增強(qiáng)體的含量獲得不同的熱膨脹系數(shù)，以滿足各種工況要求。4. 良好的高溫性能由于金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，增強(qiáng)纖維、晶須、顆粒在高溫下又都具有高的高溫強(qiáng)度和模量，因此金屬基復(fù)合材料具有比基體金屬更高的高溫性能，

3、特別是連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。5.耐磨性好金屬基復(fù)合材料，尤其是陶瓷纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料具有很好的耐磨性。6.良好的疲勞性能和斷裂韌度金屬基復(fù)合材料的疲勞性能和斷裂韌度取決于纖維等增強(qiáng)體與金屬基體的界面結(jié)合狀態(tài)，增強(qiáng)體在金屬體重的分布以及金屬、增強(qiáng)體本身的特性，特別是界面狀態(tài)。最佳的界面狀態(tài)既可以有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的擴(kuò)展，提高材料的斷裂韌度。7.不吸潮，不老化，氣密性好與聚合物相比，金屬性質(zhì)穩(wěn)定、組織致密，不存在老化、分解、吸潮等問(wèn)題，也不會(huì)發(fā)生性能的自然退化，具有明顯的優(yōu)越性。總之，金屬基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量等以上所述的優(yōu)異的綜合性能，使金屬基復(fù)合材料

4、在航天、航空、電子、汽車(chē)等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。2、 金屬基復(fù)合材料基體的選擇原則有哪些？請(qǐng)?jiān)敿?xì)說(shuō)明。答：金屬與合金的品種繁多，目前用作金屬基復(fù)合材料的基體金屬有鋁及鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、銅與銅合金、鋅合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁金屬間化合物等?；w材料的正確選擇，對(duì)于能否充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強(qiáng)物性能，獲得預(yù)期的優(yōu)異綜合性能以滿足使用要求十分重要。1. 金屬基復(fù)合材料的使用要求金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。在宇航、航空、先進(jìn)武器、電子、汽車(chē)等技術(shù)領(lǐng)域和不同的工作條件下，對(duì)復(fù)合材料的性能要求很大，需選擇不同基體的復(fù)合材料。在航天、航空技術(shù)中高比強(qiáng)度、

5、高比模量、尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求。此外，高性能發(fā)動(dòng)機(jī)還要有優(yōu)良的耐高溫性能。電子工業(yè)集成電路則需要高導(dǎo)熱、低熱膨脹的金屬基復(fù)合材料作為散熱元件和基板。2. 金屬基復(fù)合材料組成的特點(diǎn)金屬基復(fù)合材料有連續(xù)增強(qiáng)和非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，由于增強(qiáng)體的性質(zhì)和增強(qiáng)機(jī)制不同，在基體材料的選擇原則上有很大差別。對(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，纖維是主要承載物體。纖維本身具有很高的強(qiáng)度和模量，金屬基體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)低于纖維的性能，因此在連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體主要作用是以發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性和塑性，基體不需要很高的強(qiáng)度。對(duì)于非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，基體的強(qiáng)度對(duì)

6、非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料有絕對(duì)的影響。因此要獲得高性能的金屬基復(fù)合材料必須選用高強(qiáng)度的鋁合金為基體。總之針對(duì)不同的增強(qiáng)體系，要充分分析和考慮增強(qiáng)體的特點(diǎn)來(lái)正確選擇基體合金。3. 基體金屬與增強(qiáng)體的相容性金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程中金屬基體與增強(qiáng)體在高溫復(fù)合過(guò)程中會(huì)發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)，基體金屬中往往含有不同烈性的合金元素，這些合金元素與增強(qiáng)體的反應(yīng)程度不同，反應(yīng)后生成的反應(yīng)產(chǎn)物也不同，在選用基體合金成分時(shí)盡可能選擇既有利于金屬與增強(qiáng)體浸潤(rùn)復(fù)合，又有利于形成合適穩(wěn)定的界面的合金元素。如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中，在純鋁中加入少量的Ti、Zr等元素可以明顯的改善復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)和性能，提高復(fù)合材料的

7、性能。鐵鎳元素是促進(jìn)碳石墨化的元素，用鐵鎳作為基體，碳纖維作為增強(qiáng)體是不可取的。金屬基復(fù)合材料需要在高溫下成型，制備過(guò)程中，處于高溫?zé)崃W(xué)非平衡狀態(tài)下的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面形成反應(yīng)層。界面反應(yīng)層大多是脆性的，當(dāng)反應(yīng)層達(dá)到一定厚度后，材料受力時(shí)將會(huì)因界面層的斷裂伸長(zhǎng)小而產(chǎn)生裂紋，并向周?chē)w維擴(kuò)展，容易引起纖維斷裂，導(dǎo)致復(fù)合材料整體破壞。 在選擇基體時(shí)要充分考慮與增強(qiáng)體的相容性，特別是化學(xué)相容性，并盡可能在復(fù)合材料成型過(guò)程中抑制界面反應(yīng)。3、 請(qǐng)陳述金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體的特性及分類(lèi)。答：金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體的基本特性如下：1增強(qiáng)體應(yīng)具有能明顯提高金屬基體某種所需特性的性能，如

8、高的比強(qiáng)度、比模量、高導(dǎo)熱性、耐熱性、耐磨性、低熱膨脹等，以便賦予金屬基體所需的某種特性和綜合性能。 2增強(qiáng)體應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。在金屬基復(fù)合材料制備和使用過(guò)程中其組織結(jié)構(gòu)和性能不發(fā)生明顯的變化和退化，與金屬基體有良好的化學(xué)相容性，不發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)。 3與金屬好的浸潤(rùn)性，或通過(guò)表面處理能與金屬基體良好浸潤(rùn)、復(fù)合和分布均勻。此外，增強(qiáng)體的成本也是應(yīng)考慮的一個(gè)重要因素。金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體分類(lèi)如下：1纖維類(lèi)增強(qiáng)體。包括連續(xù)長(zhǎng)纖維和短纖維兩種。連續(xù)長(zhǎng)纖維的長(zhǎng)度均超過(guò)數(shù)百米，纖維性能有方向性，一般沿軸向有很高的強(qiáng)度和彈性模量。短纖維一般由幾毫米到幾十毫米，排列無(wú)方向性，通常采用生產(chǎn)成本低、生

9、產(chǎn)效率高的噴射法制造。2顆粒增強(qiáng)體，包括外加和內(nèi)生兩種，一般是陶瓷和石墨等非金屬顆粒。3晶須類(lèi)增強(qiáng)體。根據(jù)化學(xué)成分不同，晶須可分為陶瓷晶須和金屬晶須兩類(lèi)。陶瓷晶須包括氧化物和非氧化物晶須，金屬晶須包括Cu、Cr、Fe、Ni晶須。4其他增強(qiáng)體。用于金屬基復(fù)合材料的高強(qiáng)度、高模量金屬絲增強(qiáng)體，主要有鐵絲、高強(qiáng)度鋼絲、不銹鋼絲和鎢絲等。4、 金屬基復(fù)合材料制造中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有哪些？請(qǐng)?jiān)敿?xì)說(shuō)明。答： 由于金屬所固有的物理和化學(xué)特性，其加工性能不如樹(shù)脂好，在制造金屬基復(fù)合材料中需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，主要包括： 1在高溫下易發(fā)生不利的化學(xué)反應(yīng) 在加工過(guò)程中，為了確?；w的浸潤(rùn)性和流動(dòng)性，需要采用很高

10、的加工溫度（往往接近或高于基體的熔點(diǎn)）。在高溫下，基體與增強(qiáng)材料易發(fā)生界面反應(yīng)，有時(shí)會(huì)發(fā)生氧化而生成有害的反應(yīng)產(chǎn)物。這些反應(yīng)往往會(huì)對(duì)增強(qiáng)材料造成損害，形成過(guò)強(qiáng)結(jié)合界面，而過(guò)強(qiáng)結(jié)合界面會(huì)使材料產(chǎn)生早期低應(yīng)力破壞。同時(shí)，高溫下反應(yīng)的產(chǎn)物通常呈脆性，會(huì)成為復(fù)合材料整體破壞的裂紋源。因此，控制復(fù)合材料的加工溫度是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 解決的方法是：盡量縮短高溫加工時(shí)間，使增強(qiáng)材料與基體界面反應(yīng)降至最低溫度；通過(guò)提高工作壓力使增強(qiáng)材料與基體浸潤(rùn)速度加快；采用擴(kuò)散粘接法可有效地控制溫度并縮短時(shí)間。 2增強(qiáng)材料與基體潤(rùn)濕性差 絕大多數(shù)的金屬基復(fù)合材料如：碳/鋁、碳/鎂、碳化硅/鋁、氧化鋁/銅等，基體對(duì)增強(qiáng)材料潤(rùn)濕

11、性差，有時(shí)根本不會(huì)發(fā)生潤(rùn)濕現(xiàn)象。解決的方法是：加入合金元素，優(yōu)化基體組分，改善基體對(duì)增強(qiáng)材料的潤(rùn)濕性，常用的合金元素有鈦、鋯、鈮、鈰等；對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理，涂覆一層可抑制界面反應(yīng)的涂層，可有效改善其潤(rùn)濕性。表面涂層涂覆方法很多，如化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、溶膠-凝膠和電鍍或化學(xué)鍍等。 3如何使增強(qiáng)材料按所需方向均勻的分布于基體中 增強(qiáng)材料的種類(lèi)較多，如短纖維、晶須、顆粒等，還有直徑較粗的單絲、直徑較細(xì)的纖維束等，同時(shí)在尺寸、形態(tài)、理化性能上也有很大差異，使其均勻地、或按設(shè)計(jì)強(qiáng)度的需要分布比較困難。解決的方法是：對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，使其浸漬基體速度加快；加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪馗纳苹w

12、的分散性；施加適當(dāng)?shù)膲毫Γ够w分散性增大。5、 金屬基復(fù)合材料的二次成形加工技術(shù)有哪些？請(qǐng)分別陳述。答：為了制成實(shí)用的金屬基復(fù)合材料構(gòu)件，需對(duì)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行二次成型加工和切削加工。由于增強(qiáng)物的加入給金屬基復(fù)合材料的二次加工帶來(lái)很大的困難，如陶瓷纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，增強(qiáng)物硬度高、耐磨，使這種復(fù)合材料的切削加工十分困難。不向類(lèi)型的金同基復(fù)合材料構(gòu)件的加工要求和難度有很大差別，對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)金屆基復(fù)合材料構(gòu)件一般在復(fù)合過(guò)程中完成成型過(guò)程，輔以少量的切削加工和連接即成構(gòu)件而短纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料則可采用鑄造、擠壓、超塑成型、焊接、切削加工等二次加工制成實(shí)用的金屬基復(fù)

13、合材料構(gòu)件。 常用的生產(chǎn)有色金屬鑄件的鑄造方法可用來(lái)制造顆粒增強(qiáng)鋁基、鎂基復(fù)合材料鑄件，但由于增強(qiáng)顆粒的加入改變了金屬熔體的粘度、流動(dòng)性等性質(zhì)，高溫時(shí)還可能發(fā)生增強(qiáng)顆粒與基體金屬之間的化學(xué)反應(yīng)、顆粒的沉降等問(wèn)題，因此在選擇工藝方法和參數(shù)時(shí)必須考慮金屬基復(fù)合成料的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有鑄造工藝做必要的改進(jìn)。鑄造法是種經(jīng)濟(jì)、可批量生產(chǎn)復(fù)雜零件的有效方法，并可借鑒現(xiàn)有成熟的鑄造工藝，是生產(chǎn)顆耽增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零件的主要方法。 對(duì)于非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料利用擠壓、模鍛、超塑成型等工藝方法制造型材和零件也是一種工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料零件的有效方法，這種方法生產(chǎn)出來(lái)的零件組織致密，性能好?，F(xiàn)有的擠壓、鍛造等

14、工藝和設(shè)備均可借鑒用于制造短纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，其中顆粒增強(qiáng)鋁基、鎂基復(fù)合材料用得更多。出于金屬基體中含有一定體積分?jǐn)?shù)的增強(qiáng)物(晶須、顆粒)，大大降低了金屬的塑性，變形阻力大，成型困難，堅(jiān)硬的增強(qiáng)顆粒將磨損模具，因此對(duì)常規(guī)的工藝需進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，如擠壓、鍛造溫度、擠壓速度、擠壓力等。 金屬基復(fù)合材料由于連續(xù)纖維、短纖維、品須、顆粒等增強(qiáng)物的存在，給切削加工帶來(lái)很大困難。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有明顯的各向異性，沿纖維方向材料的強(qiáng)度高，而垂直纖維方向性能低，纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度低，因此在加工過(guò)程中容易造成分層脫粘現(xiàn)象，破壞了材料的連續(xù)性，用常規(guī)的刀具和方法難以加工。而晶須、顆

15、粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于增強(qiáng)物均很堅(jiān)硬，本身就是磨料，在加工過(guò)程中對(duì)刀具的磨損十分嚴(yán)重。金屬基復(fù)合材料加工困難，加工成本高也是金屬基復(fù)合材料發(fā)展的障礙之一。 為了制造金屬基復(fù)合材料構(gòu)件，焊接工藝常需采用，如自行車(chē)架、汽車(chē)傳動(dòng)鈾、航天飛行器中的構(gòu)件等。增強(qiáng)物的加入影響焊接熔池的粘度和流動(dòng)性，增強(qiáng)物與基體金屬的化學(xué)反應(yīng)又限制了焊接速度，給金屬基復(fù)合材料焊接造成較大的困難。金屬基復(fù)合材料的焊接工藝過(guò)程研究工作尚屆初期階段，許多技術(shù)困難正在研究解決中，這也是金屬基復(fù)合材料研究應(yīng)用中的一個(gè)重要問(wèn)題。6、 請(qǐng)介紹金屬基復(fù)合材料的各種界面結(jié)合機(jī)制。答：界面的結(jié)合力有三種：機(jī)械結(jié)合力、物理結(jié)合力和化學(xué)結(jié)合力。

16、機(jī)械結(jié)合力就是摩擦力，它決定于增強(qiáng)體的比表面和表面粗糙度以及基體的收縮，比便面和表面粗糙度越大，基體收縮越大、摩擦力也越大。機(jī)械結(jié)合力存在于所有復(fù)合材料中。物理結(jié)合力包括范德華力和氫鍵，它存在于所有復(fù)合材料中，但在聚合物基體材料中占有很重要的地位?；瘜W(xué)結(jié)合力就是化學(xué)鍵，它在金屬基符合材料中有重要作用。由上面三種結(jié)合力，金屬基符合材料中界面結(jié)合形式可以分為下面六種：1 機(jī)械結(jié)合 這是基體與增強(qiáng)物之間純粹靠機(jī)械連接的一種結(jié)合形式，它由粗糙的增強(qiáng)物表面及基體的收縮產(chǎn)生摩擦力完成。具有這類(lèi)界面結(jié)合的復(fù)合材料的力學(xué)性能，不宜作結(jié)構(gòu)材料使用。例如，以機(jī)械結(jié)合的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料除承受不大的縱向載荷外，不能承

17、受其他類(lèi)型的載荷。事實(shí)上由于材料總有范德華力存在，純粹的機(jī)械結(jié)合很難實(shí)現(xiàn)。2 溶解和潤(rùn)濕結(jié)合 溶解和潤(rùn)濕結(jié)合是基體與增強(qiáng)物之間發(fā)生潤(rùn)濕（潤(rùn)濕角90)，并伴隨一定程度的相互溶解（也可能基體和增強(qiáng)物之一溶解于另一種中）而產(chǎn)生的一種結(jié)合形式。這種結(jié)合是靠原子范圍內(nèi)電子的相互作用產(chǎn)生的，因此要求復(fù)合材料各組元的原子彼此接近到幾個(gè)原子直徑的范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)。增強(qiáng)體表面吸附的氣體和污染物都會(huì)妨礙這種結(jié)合的形成，所以必須進(jìn)行處理，除去吸附氣體和污染物。3 反應(yīng)結(jié)合這是基體與增強(qiáng)物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成化合物而產(chǎn)生的一種結(jié)合形式。其中典型的代表為Al-C和Ti-B系。但在Al-C和Ti-B兩個(gè)體系中，如

18、果工藝參數(shù)控制不當(dāng)，沒(méi)有采取相應(yīng)的措施，以致在界面上生成過(guò)量的脆性反應(yīng)產(chǎn)物，材料強(qiáng)度降低。像這類(lèi)不能提供有使用價(jià)值的復(fù)合材料的結(jié)合，不能稱之為復(fù)合材料。4 交換反應(yīng)結(jié)合交換反應(yīng)結(jié)合是基體（含兩種以上元素）與增強(qiáng)物之間，除發(fā)生化學(xué)反應(yīng)在界面上形成化合物外，還有通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生元素交換的一種結(jié)合形式。鈦合金（例如Ti-8Al-1V-1Mo）-硼系是這種結(jié)合的典型代表。鈦與硼的作用分為兩個(gè)階段： Ti（Al）+2B（Ti，Al）B2 （Ti，Al）B2+TiTiB2+Ti（Al）即首先形成（Ti，Al）B2，然后因?yàn)門(mén)i與B的親和力大于Al與B的親和力，（Ti，Al）B2中的Al被Ti置換出來(lái)，再擴(kuò)散到鈦合金中。因此，界面附近的基體中有鋁的富集，這構(gòu)成了額外的擴(kuò)散阻擋層，使反應(yīng)速度常數(shù)降低。5 氧化物結(jié)合這種結(jié)合實(shí)際上是結(jié)合的一種特殊情況。例