鎂基復(fù)合材料ppt-(2)分析教學內(nèi)容

1、鎂基復(fù)合材料ppt-(2)分析1 鎂基復(fù)合材料的初步認識鎂基復(fù)合材料的初步認識復(fù)復(fù) 合合 材材 料料 的的 定定 義義 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 一種多相固體材料。復(fù)復(fù) 合合 材材 料料 的的 種種 類類（1）聚合物基復(fù)合材料。其中含有熱固性樹脂基復(fù)合材料，熱塑性樹脂基和橡膠基復(fù)合材料。（2）金屬基復(fù)合材料。其中含有輕金屬基，高熔點金屬基，金屬間化合物基復(fù)合材料。（3）無機非金屬基復(fù)合材料。其中含有陶瓷基，碳基，水泥基復(fù)合材料。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料復(fù)合材料一次結(jié)構(gòu)二次結(jié)構(gòu)三次結(jié)構(gòu)：鎂合金是最輕的工程結(jié)構(gòu)材料。鎂的密度1.74，約為鋼的1/4，鋁的2/3

2、，為工程塑料的1.5倍。：鎂合金的比強度明顯高于鋁合金和鋼，比剛度與鋁合金和鋼相當，而遠遠高于工程塑料，為一般塑料的10倍。 ：相同載荷下，是鋁的100倍，鈦合金的300500倍。電磁屏蔽性佳。：金屬的熱傳導(dǎo)性是塑料的數(shù)百倍，其熱傳導(dǎo)性略低于鋁合金及銅合金，遠高于鈦合金，常用合金中比熱最高。：為碳鋼的8倍，鋁合金的4倍，為塑料材料的10倍以上。：外觀及觸摸質(zhì)感極佳，使產(chǎn)品更具豪華感。：花費相當于新料價格的4%，可回收利用鎂合金制品及廢料。 鎂基復(fù)合材料密度小，僅為鋁或基復(fù)合材料的2/3左右，具高的比強度和比剛度以及良好的力學和物理性能，受到航空航天、汽車、機械以及電子等高技術(shù)領(lǐng)域的重視，在新興

3、高新技術(shù)領(lǐng)域比傳統(tǒng)金屬和鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用潛力更大。因此自20世紀80年代末，鎂基復(fù)合材料已經(jīng)成為金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域的研究熱點之一。 鎂化合鎂化合物物 鑄鎂鑄鎂 鎂合金鎂合金 纖維纖維 晶須晶須 顆粒顆粒v 常用的基體鎂合金常用的基體鎂合金 鎂基復(fù)合材料要求基體組織細小、均勻，基體合金使用性能良好Mg-Al合金（AZ31、AZ61、AZ91） 標準標準 Mg-Zn-Cu合金（ZC17）Mg-Re-Zr合金Mg-Ni合金高強度高強度耐熱耐熱 儲氫儲氫v 常用顆粒增強體常用顆粒增強體 根據(jù)鎂基復(fù)合材料的使用性能、基體鎂合金的種類和成分來選擇所需的顆粒增強體要求增強體與基體物理、化學相容性好，應(yīng)盡量

4、避免增強體與基體合金之間的有害界面反應(yīng)，并使其與基體潤濕性良好，載荷承受能力強等。取適當?shù)墓に嚧胧┦诡w粒在基體內(nèi)分布均勻，減少顆粒間的團聚，以改善材料受載時內(nèi)部的應(yīng)力分布，也保證復(fù)合材料具有良好性能的關(guān)鍵之一。 制備方法可以分為外加顆粒和內(nèi)位原生顆粒法兩種。常用顆粒增強體種類常用顆粒增強體種類v 碳化物碳化物 SiC顆粒顆粒 SiC的硬度高，耐磨性能好，并具有抗熱沖擊、抗氧化等性能。鎂沒有穩(wěn)定的碳化物，SiC在鎂中熱力學上是穩(wěn)定的，因此，SiC常用作鎂基復(fù)合材料的增強相，并且來源廣泛價格便宜，用其作為增強顆粒制備鎂基復(fù)合材料具有工業(yè)化生產(chǎn)前景。 B4C顆粒顆粒 B4C為菱面體站構(gòu)，高熔點、高硬

5、度，硬度僅次于金剛石與立方氮化硼，是密度最低的陶瓷材料，熱膨脹系數(shù)相當?shù)停瑑r格也較便宜。 TiC顆粒顆粒 TiC為面心立方晶格，具有高熔點、高硬度及高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點。TiC與鎂的潤濕性好于與鋁的潤濕性。且不和鎂發(fā)生界面反應(yīng)。因此，TiC是作為鎂的增強相的較佳選擇。常用顆粒增強體種類常用顆粒增強體種類v 硼化物硼化物 TiB2顆粒顆粒 TiB2是一種新型的工業(yè)陶瓷原料。具有硬度大，耐磨損，耐酸堿，導(dǎo)電性與穩(wěn)定性好等優(yōu)異特性。 TiB顆粒顆粒 TiB具有高硬度、高熔點、良好的導(dǎo)電性、抗熔融腐蝕性等，是作為鎂基復(fù)合材料增強相的較佳選擇。但是，遺憾的是對于TiB顆粒增強鎂基復(fù)合材料的研究報道很少。v

6、 氧化物顆粒氧化物顆粒 氧化物彌散強化機制日益受到研究者的重視，過去研究者只限于制備小體積分數(shù)的MgO增強鎂基復(fù)合材料，現(xiàn)在已有研究者制備出大體積分數(shù)MgO增強鎂基復(fù)臺材料。常用纖維增強體種類常用纖維增強體種類C纖維纖維 C纖維強度高（7000MPa）、密度小、彈性模量高（900GPa）、低熱膨脹、高導(dǎo)熱、耐磨、耐高溫等優(yōu)異性能。 SiC纖維纖維 碳化硅纖維是以碳和硅為主要成分的一種陶瓷纖維。它具有高強度、高模量、高化學穩(wěn)定性以及良好的高溫性能，主要用于增強金屬和陶瓷。B纖維纖維 B纖維是一種將硼通過高溫化學氣相沉積在鎢絲或碳芯表面制成的高性能增強纖維，具有很高的比強度和比模量，也是制造金屬基

7、復(fù)合材料最早采用的高性能纖維。常用晶須增強體種類常用晶須增強體種類vSiC陶瓷晶須 SiC陶瓷晶須通常采用化學氣相法制造，氣體原料在一定的溫度下經(jīng)催化劑作用，生長成晶須。SiC晶須具有強度和模量高、導(dǎo)熱性好的優(yōu)點，并且可以批量生產(chǎn)，價格較低，是目前用于金屬基和陶瓷基復(fù)合材料的主要增強晶須。SiC晶須生產(chǎn)的工藝流程晶須生產(chǎn)的工藝流程碳（炭黑）等SiO2焙燒加熱反應(yīng)1500v 優(yōu)良的力學性能目前，對于顆粒增強金屬基包括鎂基復(fù)合材料的強化機制還沒有一個統(tǒng)目前，對于顆粒增強金屬基包括鎂基復(fù)合材料的強化機制還沒有一個統(tǒng)一而完善的理論。一而完善的理論。普遍認為，顆粒增強復(fù)合材料強化機制主要有以下幾點：普遍

8、認為，顆粒增強復(fù)合材料強化機制主要有以下幾點：由于基體與增強體由于基體與增強體熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致材料內(nèi)產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力以及由于不同導(dǎo)致材料內(nèi)產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力以及由于熱殘余應(yīng)力熱殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致基體中產(chǎn)生釋放導(dǎo)致基體中產(chǎn)生高密度位錯；高密度位錯；增強體的加入對基體變形的約束以及對基體中位錯運動的阻礙產(chǎn)生了強增強體的加入對基體變形的約束以及對基體中位錯運動的阻礙產(chǎn)生了強化；化；基體向增強體的載荷傳遞以及晶粒細化強化等?；w向增強體的載荷傳遞以及晶粒細化強化等。然而由于材料的強度、韌性和斷裂等力學性能與材料的原位特性有關(guān)然而由于材料的強度、韌性和斷裂等力學性能與材料的原位特性有關(guān) ，對材料中的

9、界面、缺陷等局部缺陷很敏感，屬高階性能，往往出現(xiàn)協(xié)同效對材料中的界面、缺陷等局部缺陷很敏感，屬高階性能，往往出現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，即當幾個因素同時在材料中起作用時，材料的某些特性可能發(fā)生急劇應(yīng)，即當幾個因素同時在材料中起作用時，材料的某些特性可能發(fā)生急劇變化。因此，不能簡單認為復(fù)合材料的高強度是上述強化因素簡單的疊加變化。因此，不能簡單認為復(fù)合材料的高強度是上述強化因素簡單的疊加效應(yīng)。效應(yīng)。v 優(yōu)良的耐磨性內(nèi)部因素內(nèi)部因素增強相種類增強相種類增強體屬于硬質(zhì)的顆粒、短纖維(或晶須)、長纖維，此種情況下增強體的引入使得基體硬度提高，導(dǎo)致材料耐磨性增加。增強體形狀及取向增強體形狀及取向在種類、體積等其它屬性

10、相同的情況下，形狀圓潤的增強體有利于復(fù)合材料耐磨性的提高。增強體體積分數(shù)增強體體積分數(shù)在體積分數(shù)較低時，鎂基復(fù)合材料的耐磨性一般隨硬質(zhì)增強體體積分數(shù)的增加而提高。v 優(yōu)良的耐磨性優(yōu)良的耐磨性B4C和SiC顆粒增強鎂基復(fù)合材料的耐磨性能B4C和SiC顆粒增強鎂基復(fù)合材料比基體合金耐磨性能有較大提高圖1 磨損量隨磨損時間變化曲線v 優(yōu)良的耐磨性優(yōu)良的耐磨性 加入納米SiC后，材料從輕微磨損到嚴重磨損的轉(zhuǎn)變溫度提高了50，復(fù)合材料表現(xiàn)出較好的耐高溫磨損性能，使其能夠在更高的溫度下保持更好的耐磨性能。 納米SiC一的加入能夠改善AZ91D鎂合金的高溫耐磨性能，在室溫到300度的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的提

11、高，基體和復(fù)合材料的磨損量都是先減小然后急劇增加。圖2 SiC在AZ91復(fù)合材料中的分布形態(tài)圖3 AZ91復(fù)合材料磨損變化曲線v 優(yōu)良的儲氫性能優(yōu)良的儲氫性能 鎂基復(fù)合材料具有儲氫量大、質(zhì)量輕、價格低以及資源豐富等優(yōu)點。v 優(yōu)良的阻尼性能優(yōu)良的阻尼性能 在所有的金屬結(jié)構(gòu)材料中，鎂的阻尼性能最好，因此，采用高阻尼鎂合金為基體，選擇合適的增強體，通過合理的設(shè)計，可望使復(fù)合材料最大Q值達到0.01以上，獲得高阻尼、高強度和低密度的減震材料。 簡稱PM法，是利用粉末冶金原理，將基體粉末與增強顆粒按設(shè)計要求的比例進行機械混合，然后再壓坯、燒結(jié)或直接用混合料進行熱壓、熱軋、熱擠成型來制備鎂基復(fù)合材料的方法

12、，是較早用來制備鎂基復(fù)合材料的工藝。 粉末冶金的特點 ：可控制增顆粒的體積分數(shù) ，增強體在基體中分布均勻；制備溫度較低 ，一般不會發(fā)生過量的界面反應(yīng)。該法工藝設(shè)備較復(fù)雜，成本較高，不易制備形狀復(fù)雜的零件。 v 粉末冶金法粉末冶金法粉末冶金法強化材料金屬粉末混合預(yù)制成形燒結(jié)坯料 包括壓力浸滲、無壓浸滲和負壓浸滲。 壓力浸滲壓力浸滲是先將增強顆粒做成預(yù)制件，加入液態(tài)鎂合金后加壓使熔融的鎂合金浸滲到預(yù)制件中，制成復(fù)合材料采用高壓浸滲，可克服增強顆粒與基體的不潤濕情況，氣孔、疏松等鑄造缺陷也可以得到很好的彌補。 無壓浸滲無壓浸滲是指熔的鎂合金在惰性氣體的保護下，不施加任何壓力對增強顆粒預(yù)制件進行浸滲。

13、該工藝設(shè)備簡單 、成本低 ，但預(yù)制件的制備費用較高，因此不利于大規(guī)模生產(chǎn)。增強顆粒與基體的潤濕性是無壓浸滲技術(shù)的關(guān)鍵。 負壓浸滲負壓浸滲是通過預(yù)制件造成真空的負壓環(huán)境使熔融的鎂合金滲入到預(yù)制件中。由負壓浸滲制備的SiC顆粒在Mg基體中分布均勻。 v 熔體浸染法熔體浸染法 攪拌鑄造法是根據(jù)鑄造時金屬形態(tài)不同可分為全液態(tài)攪拌鑄造、半固態(tài)攪拌鑄造、和攪熔鑄造。v 攪拌鑄造法攪拌鑄造法v 擠壓鑄造法擠壓鑄造法 擠壓鑄造是通過壓機講液態(tài)金屬強行壓入增強材料的預(yù)制件中以制備復(fù)合材料的一種方法。其過程是先將增強材料制成一定形狀的預(yù)制件，經(jīng)干燥預(yù)熱后放入模具中，澆入熔融金屬，用壓頭加壓，液態(tài)金屬在壓力下浸滲入

14、預(yù)制件中，并在壓力下凝固制成接近最終形狀和尺寸的零件。 此工藝首先用高壓的惰性氣體流將液態(tài)鎂合金霧化 ，形成熔融狀態(tài)的鎂合金噴射流，同時將增強顆粒噴入鎂合金噴射流中，使顆粒和基體的混合體沉積到襯底上 ，凝固后得到鎂基復(fù)合材料 ：該工藝所制備的復(fù)合材料顆粒在基體中分布均勻、凝固快 、界面反應(yīng)較少。v 噴射沉積法噴射沉積法v原位合成法原位合成法 在一定的條件下，通過元素之間或元素化合物之間的化學反應(yīng)在一定的條件下，通過元素之間或元素化合物之間的化學反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)原位生成一種或幾種高強度、高彈性模量的陶瓷增，在金屬基體內(nèi)原位生成一種或幾種高強度、高彈性模量的陶瓷增強相，從而達到強化基體的效果。強

15、相，從而達到強化基體的效果。優(yōu)點：優(yōu)點：（1）增強體在基體內(nèi)部原位生成，表面）增強體在基體內(nèi)部原位生成，表面無污染，與基體界面結(jié)合強無污染，與基體界面結(jié)合強度高。度高。（2）增強體顆粒尺寸規(guī)則且分布均勻。）增強體顆粒尺寸規(guī)則且分布均勻。（3）在保證材料具有較好的韌性和高溫性能的同時，可大幅度地提）在保證材料具有較好的韌性和高溫性能的同時，可大幅度地提高材料的強度和彈性模量。高材料的強度和彈性模量。（4）工藝簡單，成本較低）工藝簡單，成本較低反復(fù)塑性變形法反復(fù)塑性變形法薄膜冶金工藝薄膜冶金工藝混合鹽反應(yīng)法混合鹽反應(yīng)法重熔稀釋法重熔稀釋法低溫反應(yīng)自熔低溫反應(yīng)自熔放熱反應(yīng)法放熱反應(yīng)法其其他他制制備備

16、技技術(shù)術(shù) RCM法法DMD法法鎂基復(fù)合材料鎂基復(fù)合材料基體材料基體材料增強體類型增強體類型制備工藝制備工藝性能性能鑄鎂鑄鎂鎂化合物鎂化合物鎂合金鎂合金連續(xù)纖維增強連續(xù)纖維增強非連續(xù)纖維層強非連續(xù)纖維層強自生增強自生增強層板層板外加增強外加增強內(nèi)加增強內(nèi)加增強結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)功能功能1.美國TEXTRON、DOW 化學公司用SiCp Mg復(fù)合材料制造螺旋槳、導(dǎo)彈尾翼、內(nèi)部加強的汽缸等。2.德國克勞斯塔工業(yè)大學采用 Al2O3 SiCp Mg制成了軸承、活塞、汽缸內(nèi)襯等汽車零件。3.加拿大鎂技術(shù)研究所成功開發(fā)了攪拌鑄造及擠壓鑄造 SiC顆粒增強鎂基復(fù)合材料，利用其低密度、耐磨損、高比剛度等特點用于汽車的盤狀葉輪。電子工業(yè)電子工業(yè)汽車工業(yè)汽車工業(yè)航空航天工業(yè)航空航天工業(yè)v 由于在金屬基體內(nèi)原位生成的高硬度高彈性模量的陶瓷顆粒增強相具有表面無污染與基體相容性良好，界面結(jié)合強度高等傳統(tǒng)復(fù)合工藝無法比擬的優(yōu)點，因此，借鑒目前原位內(nèi)生顆粒增強鋁基復(fù)合材料較成熟的制備技術(shù)，探索高性能、低成本、容易大規(guī)模生產(chǎn)的原位顆粒內(nèi)生半固態(tài)鎂基復(fù)合材料制備技術(shù)將成為研究熱點之一；v 顆粒增強鎂基復(fù)合材料熱力學及動力學的計算機模擬技術(shù)將成為研究熱點之一； v 控制陶瓷顆粒增強相與鎂合金基體的界面行為以獲得界面結(jié)合良好的鎂基復(fù)合材料 ； v 開發(fā)鎂