第13章金屬基復(fù)合材料

1、第第1313章章 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多體材料。復(fù)合材料通不同的物質(zhì)組合而成的一種多體材料。復(fù)合材料通常有基體和增強材料組成。常有基體和增強材料組成。復(fù)合材料能顯示出單一復(fù)合材料能顯示出單一材料所不具有的新性能。復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展，材料所不具有的新性能。復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展，是現(xiàn)代科學技術(shù)不斷進步的必然，也是材料設(shè)計方是現(xiàn)代科學技術(shù)不斷進步的必然，也是材料設(shè)計方面的一個質(zhì)的飛躍。面的一個質(zhì)的飛躍。 金屬基復(fù)合材料（金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix CompositeMet

2、al Matrix Composite，簡稱簡稱MMCMMC）是以金屬及其合金為基體，與一種或幾）是以金屬及其合金為基體，與一種或幾種金屬或非金屬增強相人工結(jié)合而成的復(fù)合材料。種金屬或非金屬增強相人工結(jié)合而成的復(fù)合材料。 13.1 基本概念基本概念 1 1 、 金屬基復(fù)合材料的種類金屬基復(fù)合材料的種類 按按基體基體分類分類鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料 品種和規(guī)格最多、應(yīng)用最廣品種和規(guī)格最多、應(yīng)用最廣 鈦基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料 鎂基復(fù)合材料鎂基復(fù)合材料 高溫合金基復(fù)合材料高溫合金基復(fù)合材料按增按增強體強體分類分類（1 1）顆粒增強復(fù)合材料）顆粒增強復(fù)合材料 （2 2）層狀復(fù)合材料）層狀復(fù)合材料 （3

3、 3）纖維增強復(fù)合材料）纖維增強復(fù)合材料 圖圖 典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（a）單向纖維增強復(fù)合材料）單向纖維增強復(fù)合材料,（b）顆粒增強復(fù)合材料）顆粒增強復(fù)合材料,（c）層狀復(fù)合材料）層狀復(fù)合材料（d）蜂窩夾心復(fù)合材料）蜂窩夾心復(fù)合材料,（e）編織復(fù)合材料）編織復(fù)合材料,（f）功能梯度復(fù)合材料）功能梯度復(fù)合材料2 2 金屬基復(fù)合材料的選擇金屬基復(fù)合材料的選擇工況條件工況條件使用性能要求使用性能要求選擇金屬基體材料。選擇金屬基體材料。航空和航天航空和航天: :高比強度、高比模量、尺寸穩(wěn)定性。大多選高比強度、高比模量、尺寸穩(wěn)定性。大多選 擇體積質(zhì)量小的鋁合金、鎂合金作為基體金屬擇體積質(zhì)量小

4、的鋁合金、鎂合金作為基體金屬燃氣輪機燃氣輪機:高比強度、抗蠕變和高溫強度，抗氧化、抗氣高比強度、抗蠕變和高溫強度，抗氧化、抗氣 體腐蝕、耐疲勞、導熱等。工作溫度體腐蝕、耐疲勞、導熱等。工作溫度800, 應(yīng)選擇鐵基、鎳基、鈷基耐熱合金。應(yīng)選擇鐵基、鎳基、鈷基耐熱合金。電子技術(shù)電子技術(shù): : 集電材料集電材料、觸頭材料觸頭材料、耐磨材料耐磨材料、耐蝕電極材耐蝕電極材 料等，需要高導熱、低膨脹的金屬基復(fù)合材料?；w料等，需要高導熱、低膨脹的金屬基復(fù)合材料?；w 主要選用具有導熱、導電性的鋁及鋁合金、銅及銅合主要選用具有導熱、導電性的鋁及鋁合金、銅及銅合 金、銀等金屬金、銀等金屬 飛行器飛行器 名稱名

5、稱每公斤的含每公斤的含金量金量/美圓美圓 飛行器飛行器 名稱名稱每公斤的含每公斤的含金量金量/美圓美圓 小型民用機小型民用機 40 戰(zhàn)斗機戰(zhàn)斗機 450 直升機直升機 100 Vistol飛機飛機 550 運輸機運輸機 150 超音速運輸機超音速運輸機 1100 商業(yè)飛機商業(yè)飛機 200 表層軌道衛(wèi)星表層軌道衛(wèi)星 2000 航空發(fā)動機航空發(fā)動機 450 同步軌道衛(wèi)星同步軌道衛(wèi)星 20000 波音波音747 450 宇宙飛船宇宙飛船 30000表表 每公斤質(zhì)量對各類飛行器的價值每公斤質(zhì)量對各類飛行器的價值13.2 金屬基復(fù)合材料的性能特點金屬基復(fù)合材料的性能特點 現(xiàn)代科學技術(shù)對材料的強韌性、導電

6、、導熱性、耐現(xiàn)代科學技術(shù)對材料的強韌性、導電、導熱性、耐高溫性、耐磨性等性能都提出了越來越高的要求高溫性、耐磨性等性能都提出了越來越高的要求 特別在航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)中要求材料具特別在航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)中要求材料具有更高的比強度和比模量有更高的比強度和比模量( (剛度剛度) ) 金屬基復(fù)合材料具有與金屬及其合金相近的一些金屬基復(fù)合材料具有與金屬及其合金相近的一些共同性能，通過纖維、顆粒、晶須等復(fù)合后，可以共同性能，通過纖維、顆粒、晶須等復(fù)合后，可以獲得比基體金屬或合金更好的比強度、比模量、高獲得比基體金屬或合金更好的比強度、比模量、高溫性能等性能的新型工程材料。溫性能等性能的新型工程材

7、料。 各類復(fù)合材料的比強度隨溫度的變化各類復(fù)合材料的比強度隨溫度的變化 金屬基復(fù)合材料的性能特點金屬基復(fù)合材料的性能特點1、高比強度、比模量、高比強度、比模量 2、高韌性、耐沖擊性能、高韌性、耐沖擊性能3、良好的高溫性能、良好的高溫性能4、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5、導熱、導電性能好、導熱、導電性能好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 1 、高比強度高比強度、比模量比模量 金屬基體金屬基體 + 適量高性能的纖維、晶須或顆粒等增強物適量高性能的纖維、晶須或顆粒等增強物 材料的比強度和比模量材料的比強度和比模量 .（1）高性能水平。如）

8、高性能水平。如B與與SiC纖維增強的鋁和鈦，單纖維增強的鋁和鈦，單 向向b1200MPa，模量，模量200GPa；（2）中等性能水平。如紡絲）中等性能水平。如紡絲SiC與碳纖維增強鋁等，與碳纖維增強鋁等， b在在6001000MPa，模量，模量100150GPa間；間；（3）較低性能水平。如晶須、顆粒或短纖維增強鋁）較低性能水平。如晶須、顆粒或短纖維增強鋁 等，等， b在在400600MPa，模量在，模量在95130GPa圖圖 幾種金屬基復(fù)合材料與樹脂基復(fù)合材料和基體金屬幾種金屬基復(fù)合材料與樹脂基復(fù)合材料和基體金屬 的力學性能對比的力學性能對比 2 2、高韌性、耐沖擊性能、高韌性、耐沖擊性能金

9、屬及合金基金屬及合金基體往往具有高體往往具有高的強韌性的強韌性增強相無論是增強相無論是纖維或是顆粒纖維或是顆粒都比較脆都比較脆 受沖擊時基體通過塑受沖擊時基體通過塑性變形消耗能量，使裂性變形消耗能量，使裂紋鈍化，紋鈍化，應(yīng)力集中應(yīng)力集中 增強相及增強相與基增強相及增強相與基體界面體界面裂紋的擴展，裂紋的擴展，斷裂抗力斷裂抗力 金屬基復(fù)合材料與聚合物基、陶瓷基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料與聚合物基、陶瓷基復(fù)合材料相比，具有高的韌性和耐沖擊性。相比，具有高的韌性和耐沖擊性。 3 3、良好的高溫性能良好的高溫性能 金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，一般增強相金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，一般增強相在高

10、溫下又都具有很高的高溫強度和模量。在高溫下又都具有很高的高溫強度和模量。 金屬基復(fù)合材料具有比金屬基體更高的高溫性能金屬基復(fù)合材料具有比金屬基體更高的高溫性能 相對聚合物基復(fù)合材料而言，金屬基復(fù)合材料具有相對聚合物基復(fù)合材料而言，金屬基復(fù)合材料具有物理、力學性能的高溫穩(wěn)定性和優(yōu)良耐熱沖擊性能。物理、力學性能的高溫穩(wěn)定性和優(yōu)良耐熱沖擊性能。 而陶瓷基復(fù)合材料中的陶瓷基體的抗熱沖擊性因陶而陶瓷基復(fù)合材料中的陶瓷基體的抗熱沖擊性因陶瓷的導熱性差而比金屬基復(fù)合材料差，常常使其作為瓷的導熱性差而比金屬基復(fù)合材料差，常常使其作為高溫結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用受到限制。高溫結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用受到限制。圖圖 SiCf / Ti比

11、強度與溫度的關(guān)系比強度與溫度的關(guān)系 圖圖 SiCf / Ti比強度與溫度的關(guān)系比強度與溫度的關(guān)系 圖圖 45W-1ThO2增強增強Fe-Cr-A1-Y合金的蠕變性能合金的蠕變性能 4 4、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 金屬基體對表面裂紋的敏感性比聚合物或陶瓷要小很金屬基體對表面裂紋的敏感性比聚合物或陶瓷要小很多，表面堅實耐久，尤其是顆粒、晶須增強金屬基復(fù)合多，表面堅實耐久，尤其是顆粒、晶須增強金屬基復(fù)合材料?？梢宰鳛楣こ虡?gòu)件中的耐磨件使用。材料?？梢宰鳛楣こ虡?gòu)件中的耐磨件使用。 陶瓷基復(fù)合材料，由于腐蝕或擦傷等引起的小裂紋可陶瓷基復(fù)合材料，由于腐蝕或擦傷等引起

12、的小裂紋可使其強度劇烈降低使其強度劇烈降低, 而造成應(yīng)力集中，引起破壞。這是由而造成應(yīng)力集中，引起破壞。這是由于陶瓷彈性模量高，塑韌性低，不能象金屬基復(fù)合材料于陶瓷彈性模量高，塑韌性低，不能象金屬基復(fù)合材料的基體那樣可借助塑性變形來使缺口或裂紋鈍化的基體那樣可借助塑性變形來使缺口或裂紋鈍化. 聚合物基復(fù)合材料基體的強度和金屬基體相比都相當聚合物基復(fù)合材料基體的強度和金屬基體相比都相當?shù)偷? 像擦傷、磨損等對其表面都有顯著影響。像擦傷、磨損等對其表面都有顯著影響。5 5、導熱、導電性能好、導熱、導電性能好 金屬基復(fù)合材料的導熱、導電性能是聚合物基、金屬基復(fù)合材料的導熱、導電性能是聚合物基、陶瓷基

13、復(fù)合材料無法比擬的，它可以使局部的高溫陶瓷基復(fù)合材料無法比擬的，它可以使局部的高溫熱源和集中電荷很好地擴散消除。如碳纖維加入鋁熱源和集中電荷很好地擴散消除。如碳纖維加入鋁合金基體后，基體的導電、導熱優(yōu)異性不會有大的合金基體后，基體的導電、導熱優(yōu)異性不會有大的損失。損失。 因此，碳纖維增強鋁基復(fù)合材料可做航空航天領(lǐng)因此，碳纖維增強鋁基復(fù)合材料可做航空航天領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)材料，還可作為空間裝置的熱傳導和散域中的結(jié)構(gòu)材料，還可作為空間裝置的熱傳導和散熱器面板應(yīng)用。熱器面板應(yīng)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 一般增強物均有很小的熱膨脹系數(shù)，又有高的模一般增強物均有很小的熱膨脹系數(shù)，又有高的模量，特別是量，特別是G G纖維還具有負的熱膨脹系數(shù)。大多數(shù)金纖維還具有負的熱膨脹系數(shù)。大多數(shù)金屬的熱膨脹系數(shù)與各種增強材料相差較大。屬的熱膨脹系數(shù)與各種增強材料相差較大。 選擇不同基體金屬和增強物，以一定的比例復(fù)合，選擇不同基體金屬和增強物，以一定的比例復(fù)合，導熱性好、熱脹系