金屬基復合材料考試題目

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

2、的良好的導熱和導電性。在金屬基復合材料中采用高導熱性的增強體可以進一步提高金屬基復合材料的熱導率比純金屬基體還高。3.熱膨脹系數小，尺寸穩(wěn)定性好金屬基復合材料中所用的增強物碳纖維、碳化硅纖維、晶須、顆粒、硼纖維等既具有很小的熱膨脹系數，又有很高的模量，特別是超高模量的石墨纖維具有負的熱膨脹系數。加入相當含量的增強體不僅大幅度提高材料的強度和模量，也使其熱膨脹系數明顯下降并可通過調整增強體的含量獲得不同的熱膨脹系數，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，增強纖維、晶須、顆粒在高溫下又都具有高的高溫強度和模量，因此金屬基復合材料具有比基體金屬更高的高溫性能，

3、特別是連續(xù)纖維增強金屬基復合材料。5.耐磨性好金屬基復合材料，尤其是陶瓷纖維、晶須、顆粒增強的金屬基復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合材料的疲勞性能和斷裂韌度取決于纖維等增強體與金屬基體的界面結合狀態(tài)，增強體在金屬體重的分布以及金屬、增強體本身的特性，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，金屬性質穩(wěn)定、組織致密，不存在老化、分解、吸潮等問題，也不會發(fā)生性能的自然退化，具有明顯的優(yōu)越性?？傊?，金屬基復合材料具有高比強度、高比模量等以上所述的優(yōu)異的綜合性能，使金屬基復合材料

4、在航天、航空、電子、汽車等領域均具有廣泛的應用前景。2、 金屬基復合材料基體的選擇原則有哪些？請詳細說明。答：金屬與合金的品種繁多，目前用作金屬基復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，對于能否充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強物性能，獲得預期的優(yōu)異綜合性能以滿足使用要求十分重要。1. 金屬基復合材料的使用要求金屬基復合材料構件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據。在宇航、航空、先進武器、電子、汽車等技術領域和不同的工作條件下，對復合材料的性能要求很大，需選擇不同基體的復合材料。在航天、航空技術中高比強度、

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)動機還要有優(yōu)良的耐高溫性能。電子工業(yè)集成電路則需要高導熱、低熱膨脹的金屬基復合材料作為散熱元件和基板。2. 金屬基復合材料組成的特點金屬基復合材料有連續(xù)增強和非連續(xù)增強金屬基復合材料，由于增強體的性質和增強機制不同，在基體材料的選擇原則上有很大差別。對于連續(xù)纖維增強金屬基復合材料，纖維是主要承載物體。纖維本身具有很高的強度和模量，金屬基體的強度和模量遠低于纖維的性能，因此在連續(xù)纖維增強金屬基復合材料中基體主要作用是以發(fā)揮增強纖維的性能為主，基體本身應與纖維有良好的相容性和塑性，基體不需要很高的強度。對于非連續(xù)增強金屬基復合材料，基體的強度對

6、非連續(xù)增強金屬基復合材料有絕對的影響。因此要獲得高性能的金屬基復合材料必須選用高強度的鋁合金為基體?？傊槍Σ煌脑鰪婓w系，要充分分析和考慮增強體的特點來正確選擇基體合金。3. 基體金屬與增強體的相容性金屬基復合材料制備過程中金屬基體與增強體在高溫復合過程中會發(fā)生不同程度的界面反應，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體的反應程度不同，反應后生成的反應產物也不同，在選用基體合金成分時盡可能選擇既有利于金屬與增強體浸潤復合，又有利于形成合適穩(wěn)定的界面的合金元素。如碳纖維增強鋁基復合材料中，在純鋁中加入少量的Ti、Zr等元素可以明顯的改善復合材料的界面結構和性能，提高復合材料的

7、性能。鐵鎳元素是促進碳石墨化的元素，用鐵鎳作為基體，碳纖維作為增強體是不可取的。金屬基復合材料需要在高溫下成型，制備過程中，處于高溫熱力學非平衡狀態(tài)下的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學反應，在界面形成反應層。界面反應層大多是脆性的，當反應層達到一定厚度后，材料受力時將會因界面層的斷裂伸長小而產生裂紋，并向周圍纖維擴展，容易引起纖維斷裂，導致復合材料整體破壞。 在選擇基體時要充分考慮與增強體的相容性，特別是化學相容性，并盡可能在復合材料成型過程中抑制界面反應。3、 請陳述金屬基復合材料增強體的特性及分類。答：金屬基復合材料的增強體的基本特性如下：1增強體應具有能明顯提高金屬基體某種所需特性的性能，如

8、高的比強度、比模量、高導熱性、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增強體應具有良好的化學穩(wěn)定性。在金屬基復合材料制備和使用過程中其組織結構和性能不發(fā)生明顯的變化和退化，與金屬基體有良好的化學相容性，不發(fā)生嚴重的界面反應。 3與金屬好的浸潤性，或通過表面處理能與金屬基體良好浸潤、復合和分布均勻。此外，增強體的成本也是應考慮的一個重要因素。金屬基復合材料的增強體分類如下：1纖維類增強體。包括連續(xù)長纖維和短纖維兩種。連續(xù)長纖維的長度均超過數百米，纖維性能有方向性，一般沿軸向有很高的強度和彈性模量。短纖維一般由幾毫米到幾十毫米，排列無方向性，通常采用生產成本低、生

9、產效率高的噴射法制造。2顆粒增強體，包括外加和內生兩種，一般是陶瓷和石墨等非金屬顆粒。3晶須類增強體。根據化學成分不同，晶須可分為陶瓷晶須和金屬晶須兩類。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其他增強體。用于金屬基復合材料的高強度、高模量金屬絲增強體，主要有鐵絲、高強度鋼絲、不銹鋼絲和鎢絲等。4、 金屬基復合材料制造中的關鍵技術問題有哪些？請詳細說明。答： 由于金屬所固有的物理和化學特性，其加工性能不如樹脂好，在制造金屬基復合材料中需要解決一些關鍵技術問題，主要包括： 1在高溫下易發(fā)生不利的化學反應 在加工過程中，為了確?；w的浸潤性和流動性，需要采用很高

10、的加工溫度（往往接近或高于基體的熔點）。在高溫下，基體與增強材料易發(fā)生界面反應，有時會發(fā)生氧化而生成有害的反應產物。這些反應往往會對增強材料造成損害，形成過強結合界面，而過強結合界面會使材料產生早期低應力破壞。同時，高溫下反應的產物通常呈脆性，會成為復合材料整體破壞的裂紋源。因此，控制復合材料的加工溫度是一項關鍵技術。 解決的方法是：盡量縮短高溫加工時間，使增強材料與基體界面反應降至最低溫度；通過提高工作壓力使增強材料與基體浸潤速度加快；采用擴散粘接法可有效地控制溫度并縮短時間。 2增強材料與基體潤濕性差 絕大多數的金屬基復合材料如：碳/鋁、碳/鎂、碳化硅/鋁、氧化鋁/銅等，基體對增強材料潤濕

11、性差，有時根本不會發(fā)生潤濕現象。解決的方法是：加入合金元素，優(yōu)化基體組分，改善基體對增強材料的潤濕性，常用的合金元素有鈦、鋯、鈮、鈰等；對增強材料進行表面處理，涂覆一層可抑制界面反應的涂層，可有效改善其潤濕性。表面涂層涂覆方法很多，如化學氣相沉積、物理氣相沉積、溶膠-凝膠和電鍍或化學鍍等。 3如何使增強材料按所需方向均勻的分布于基體中 增強材料的種類較多，如短纖維、晶須、顆粒等，還有直徑較粗的單絲、直徑較細的纖維束等，同時在尺寸、形態(tài)、理化性能上也有很大差異，使其均勻地、或按設計強度的需要分布比較困難。解決的方法是：對增強材料進行適當的表面處理，使其浸漬基體速度加快；加入適當的合金元素改善基體

12、的分散性；施加適當的壓力，使基體分散性增大。5、 金屬基復合材料的二次成形加工技術有哪些？請分別陳述。答：為了制成實用的金屬基復合材料構件，需對金屬基復合材料進行二次成型加工和切削加工。由于增強物的加入給金屬基復合材料的二次加工帶來很大的困難，如陶瓷纖維、晶須、顆粒增強金屬基復合材料，增強物硬度高、耐磨，使這種復合材料的切削加工十分困難。不向類型的金同基復合材料構件的加工要求和難度有很大差別，對連續(xù)纖維增強金屆基復合材料構件一般在復合過程中完成成型過程，輔以少量的切削加工和連接即成構件而短纖維、晶須、顆粒增強金屬基復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用的金屬基復

13、合材料構件。 常用的生產有色金屬鑄件的鑄造方法可用來制造顆粒增強鋁基、鎂基復合材料鑄件，但由于增強顆粒的加入改變了金屬熔體的粘度、流動性等性質，高溫時還可能發(fā)生增強顆粒與基體金屬之間的化學反應、顆粒的沉降等問題，因此在選擇工藝方法和參數時必須考慮金屬基復合成料的特點，對現有鑄造工藝做必要的改進。鑄造法是種經濟、可批量生產復雜零件的有效方法，并可借鑒現有成熟的鑄造工藝，是生產顆耽增強金屬基復合材料零件的主要方法。 對于非連續(xù)增強金屬基復合材料利用擠壓、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)模生產金屬基復合材料零件的有效方法，這種方法生產出來的零件組織致密，性能好?，F有的擠壓、鍛造等

14、工藝和設備均可借鑒用于制造短纖維、晶須、顆粒增強金屬基復合材料，其中顆粒增強鋁基、鎂基復合材料用得更多。出于金屬基體中含有一定體積分數的增強物(晶須、顆粒)，大大降低了金屬的塑性，變形阻力大，成型困難，堅硬的增強顆粒將磨損模具，因此對常規(guī)的工藝需進行相應的改進，如擠壓、鍛造溫度、擠壓速度、擠壓力等。 金屬基復合材料由于連續(xù)纖維、短纖維、品須、顆粒等增強物的存在，給切削加工帶來很大困難。連續(xù)纖維增強金屬基復合材料具有明顯的各向異性，沿纖維方向材料的強度高，而垂直纖維方向性能低，纖維與基體的結合強度低，因此在加工過程中容易造成分層脫粘現象，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、粒增強金屬基復合材料由于增強物均很堅硬，本身就是磨料，在加工過程中對刀具的磨損十分嚴重。金屬基復合材料加工困難，加工成本高也是金屬基復合材料發(fā)展的障礙之一。 為了制造金屬基復合材料構件，焊接工藝常需采用，如自行車架、汽車傳動鈾、航天飛行器中的構件等。增強物的加入影響焊接熔池的粘度和流動性，增強物與基體金屬的化學反應又限制了焊接速度，給金屬基復合材料焊接造成較大的困難。金屬基復合材料的焊接工藝過程研究工作尚屆初期階段，許多技術困難正在研究解決中，這也是金屬基復合材料研究應用中的一個重要問題。6、 請介紹金屬基復合材料的各種界面結合機制。答：界面的結合力有三種：機械結合力、物理結合力和化學結合力。

16、機械結合力就是摩擦力，它決定于增強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。機械結合力存在于所有復合材料中。物理結合力包括范德華力和氫鍵，它存在于所有復合材料中，但在聚合物基體材料中占有很重要的地位。化學結合力就是化學鍵，它在金屬基符合材料中有重要作用。由上面三種結合力，金屬基符合材料中界面結合形式可以分為下面六種：1 機械結合 這是基體與增強物之間純粹靠機械連接的一種結合形式，它由粗糙的增強物表面及基體的收縮產生摩擦力完成。具有這類界面結合的復合材料的力學性能，不宜作結構材料使用。例如，以機械結合的纖維增強復合材料除承受不大的縱向載荷外，不能承

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

18、果工藝參數控制不當，沒有采取相應的措施，以致在界面上生成過量的脆性反應產物，材料強度降低。像這類不能提供有使用價值的復合材料的結合，不能稱之為復合材料。4 交換反應結合交換反應結合是基體（含兩種以上元素）與增強物之間，除發(fā)生化學反應在界面上形成化合物外，還有通過擴散發(fā)生元素交換的一種結合形式。鈦合金（例如Ti-8Al-1V-1Mo）-硼系是這種結合的典型代表。鈦與硼的作用分為兩個階段： Ti（Al）+2B（Ti，Al）B2 （Ti，Al）B2+TiTiB2+Ti（Al）即首先形成（Ti，Al）B2，然后因為Ti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，再擴散到鈦合金中。因此，界面附近的基體中有鋁的富集，這構成了額外的擴散阻擋層，使反應速度常數降低。5 氧化物結合這種結合實際上是結合的一種特殊情況。例