第6章 金屬基復合材料

1、12在在方面，不但要求方面，不但要求強度高強度高，還要求其，還要求其重量重量要輕要輕，尤其是在航空航天領域。，尤其是在航空航天領域。 相對于相對于傳統(tǒng)的金屬材料傳統(tǒng)的金屬材料來說，具有來說，具有較較高的高的與與；而與而與樹脂基復合材料樹脂基復合材料相比，它又具有相比，它又具有優(yōu)良的優(yōu)良的與與；與與陶瓷基材料陶瓷基材料相比，它又具有相比，它又具有和和。3金屬基復合材料是金屬基復合材料是，而制得的復合材料。因此，對這種材料的而制得的復合材料。因此，對這種材料的分類既可分類既可來進行、也可來進行、也可來進行。來進行。4金屬基復合材料中金屬基復合材料中的一種。由于的一種。由于為為結構，因此具有結構，因

2、此具有良好的良好的，并具有，并具有、及及等優(yōu)點等優(yōu)點 通常并不是使用純鋁而是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，以以。由于鎳的。由于鎳的，因此這，因此這種復合材料主要是用于制造種復合材料主要是用于制造高溫下工作的零部件高溫下工作的零部件。 研制研制的一個重要目的，即是希望用它來制的一個重要目的，即是希望用它來制造造燃汽輪機的葉片燃汽輪機的葉片，從而進一步，從而進一步提高燃汽輪機的工作溫度提高燃汽輪機的工作溫度。按基體分：按基體分：5 在結構材料中，在結構材料中，具有最好的具有最好的。 鈦鈦在中溫時在中溫時比鋁合金比鋁合金。鈦基復合材料中鈦基復合材料中最常用的

3、增強體是最常用的增強體是，這是由于，這是由于鈦與硼的熱膨脹系數(shù)比較接近鈦與硼的熱膨脹系數(shù)比較接近，如下表所示。，如下表所示。6范疇：范疇：的復合材料，而不的復合材料，而不包括那種包括那種很低的彌散強化金屬。很低的彌散強化金屬。 性質：性質：是主要的是主要的承載相承載相，而，而的作用則的作用則在于在于和和。 決定因素：決定因素：決定于決定于和和、和、和以及以及。按增強體分：按增強體分：7金屬基復合材料中的纖維金屬基復合材料中的纖維可分可分為為、和和，它們均屬于，它們均屬于。因。因此，呈此，呈特征。特征。 當當用用增強時，增強時，和和是復合材料性能的主要特征，但纖維對是復合材料性能的主要特征，但纖

4、維對復合材料復合材料具有相當大的作用。具有相當大的作用。8，含有，含有重復重復排列的排列的、片層狀增強物片層狀增強物的復合材料。的復合材料。相當于結構件的大小相當于結構件的大小，因此因此可以成為可以成為長度和構件相同的長度和構件相同的。在在增強增強平面的各個方向平面的各個方向上，上，這與，這與纖維單向增強的復合材料相比纖維單向增強的復合材料相比具具有明顯的優(yōu)越性。有明顯的優(yōu)越性。 9由于由于能夠能夠最有效地增強金屬基體最有效地增強金屬基體，因此，因此這里將對此進行重點討論。這里將對此進行重點討論。對對的要求如下：的要求如下：10“”(鋼絲鋼絲) 和和等等高強度絲高強度絲，就是，就是由于具由于具

5、有高強度有高強度才成為特別有用的增強材料。才成為特別有用的增強材料。具有優(yōu)良的比強度和低成本具有優(yōu)良的比強度和低成本，是樹脂基的，是樹脂基的最重要的增強纖維。但這些纖維最重要的增強纖維。但這些纖維且且，所以很少用來增強金屬。所以很少用來增強金屬。是用從熔體中是用從熔體中提拉子晶的方法提拉子晶的方法生產(chǎn)的，生產(chǎn)的，。但對。但對磨損很敏感磨損很敏感，而且很，而且很貴貴。，與固態(tài)鋁和液態(tài)鎂的，與固態(tài)鋁和液態(tài)鎂的，且且。 表表6.211 材料在材料在外力外力作用下作用下抵抗永久變形和斷裂的能力抵抗永久變形和斷裂的能力稱為稱為強度。按外力作用的性質不同，主要有強度。按外力作用的性質不同，主要有屈服強度屈

6、服強度、抗、抗拉拉強度強度、抗壓強度抗壓強度、抗彎強度抗彎強度等，工程常用的是屈服強度等，工程常用的是屈服強度和抗拉強度，這兩個強度指標可通過拉伸試驗測出。和抗拉強度，這兩個強度指標可通過拉伸試驗測出。強度強度是指材料承受外力而不被破壞是指材料承受外力而不被破壞(不可恢復的變形不可恢復的變形也屬被破壞也屬被破壞)的能力的能力.根據(jù)受力種類的不同分為以下幾種根據(jù)受力種類的不同分為以下幾種:(1)抗壓強度抗壓強度-材料承受壓力的能力材料承受壓力的能力.(2)抗拉強度抗拉強度-材料承受拉力的能力材料承受拉力的能力.(3)抗彎強度抗彎強度-材料對致彎外力的承受能力材料對致彎外力的承受能力.(4)抗剪強

7、度抗剪強度-材料承受剪切力的能力材料承受剪切力的能力.12材料萬能試驗機材料萬能試驗機13與彈性性能不同，不代表整個測試段上與彈性性能不同，不代表整個測試段上的平均性能，而的平均性能，而?？梢远x為可以定義為。 在在靜態(tài)拉伸應力條件下靜態(tài)拉伸應力條件下，判別抗拉強度時，是，判別抗拉強度時，是計算的計算的。 14復合材料復合材料同同間的關系可用如下的公間的關系可用如下的公式表示：式表示：MMFFCVV.* 式中，式中， C*表示復合材料的抗拉強度，即復合材料表示復合材料的抗拉強度，即復合材料原原始面積上的始面積上的應力；應力； F為為所有纖維上的所有纖維上的平均應力；平均應力； M是是基基體在斷

8、裂時體在斷裂時的平均應力；的平均應力；VF和和VM是纖維和基體的體積分是纖維和基體的體積分數(shù)。數(shù)。 如果如果所有纖維的強度相近所有纖維的強度相近，剩下的基體在纖維斷裂時，剩下的基體在纖維斷裂時又不能承受載荷，這時又不能承受載荷，這時就等于就等于，而，而可可以認為是以認為是在基體應變等于纖維斷裂應變時在基體應變等于纖維斷裂應變時的的。15McDaniels等人對此曾用等人對此曾用進行研究，將進行研究，將復合材料的強度繪成纖維體積比的函數(shù)復合材料的強度繪成纖維體積比的函數(shù)，如圖所示。，如圖所示。高強度脆性纖維同韌性基體的強度混合定則高強度脆性纖維同韌性基體的強度混合定則纖維體積比纖維體積比VF應力

9、應力 16當當時，引起時，引起三種重要的變化三種重要的變化:(A)由于由于，而使，而使。(B)破斷纖維裂紋周圍的破斷纖維裂紋周圍的會降低材料的有效會降低材料的有效強度。強度。(C)破斷纖維失去載荷時產(chǎn)生的破斷纖維失去載荷時產(chǎn)生的會使復合材料會使復合材料受到?jīng)_擊，從而降低該處橫面上的瞬時承載能力。受到?jīng)_擊，從而降低該處橫面上的瞬時承載能力。17 金屬基復合材料的金屬基復合材料的比縱向性能比縱向性能復雜。它通常采用一些假設。復雜。它通常采用一些假設。(1)兩組元兩組元在達到斷裂應力前在達到斷裂應力前都是都是的；的；(2)界面結合是完好的；界面結合是完好的；(3)纖維排列是規(guī)則的。纖維排列是規(guī)則的。

10、18復合材料包含復合材料包含兩種或兩種以上的相兩種或兩種以上的相，要使組分良好配，要使組分良好配合，則必須具備合，則必須具備和和。 對對而言，用而言，用金屬基復金屬基復合材料的合材料的物理相容性問題物理相容性問題一般都和一般都和，或，或熱變化時熱變化時反映材料伸縮性能的反映材料伸縮性能的有關。有關。化學相容性問題化學相容性問題主要與復合材料加工過程中的主要與復合材料加工過程中的、以及以及等因素有關。等因素有關。19，指，指，能夠，能夠將將載荷均勻地傳遞到增強物上載荷均勻地傳遞到增強物上，而不會有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象，而不會有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象; 基體和增強體基體和增強體的非常重要的的非常重要的物理關

11、系物理關系是是是一個更加復雜的問題。對于是一個更加復雜的問題。對于原生復合材料原生復合材料，在制造過程中是在制造過程中是;有明顯的有明顯的，就會產(chǎn)生，就會產(chǎn)生不穩(wěn)定問題不穩(wěn)定問題。 對于對于，化學相容性問題要嚴重得多。如，化學相容性問題要嚴重得多。如采用采用石墨增強纖維時石墨增強纖維時，纖維的浸潤和結合纖維的浸潤和結合都非常困難，在使兩都非常困難，在使兩相結合方面就會產(chǎn)生問題；相結合方面就會產(chǎn)生問題；則是則是更重要的相容性問題更重要的相容性問題。20 對于對于低溫合金低溫合金，應盡量，應盡量降低制造溫度降低制造溫度； 對于對于而言，以下的而言，以下的與化學相容性有關的問與化學相容性有關的問題題

12、則十分重要：則十分重要：(1) F-；(2)U-；(3)T-；(4)D-；21一、鋁基復合材料的特點一、鋁基復合材料的特點 航空航天工業(yè)中需要大型的、重量輕的結構材料。航空航天工業(yè)中需要大型的、重量輕的結構材料。 在設計這些在設計這些結構結構時，涉及到時，涉及到平方平方立方尺寸關系立方尺寸關系：結構的強度與剛度隨其尺寸的平方增加，而重量卻隨其線結構的強度與剛度隨其尺寸的平方增加，而重量卻隨其線尺寸的立方增加；所以，假若要保證大型結構的機動性和尺寸的立方增加；所以，假若要保證大型結構的機動性和高效率，就需要更完善的設計和更好的材料。高效率，就需要更完善的設計和更好的材料。 復合材料的一個主要目標

13、就是應用像硼那樣極復合材料的一個主要目標就是應用像硼那樣極高強度高強度的的共價結合纖維共價結合纖維與適合于與適合于結構制造和應用的基體結構制造和應用的基體來克服這來克服這些限制。而些限制。而鋁鋁則是被選用最廣的基體材料。則是被選用最廣的基體材料。22突出的優(yōu)點是密度低，突出的優(yōu)點是密度低，力學性能力學性能高。高。一般含一般含硼纖維硼纖維45%50%（vol），單向增強時縱向），單向增強時縱向拉伸強拉伸強度度可達可達12501550MPa，模量模量200230GPa，密度，密度2.6g/cm3。比強度比強度約為約為鈦合金鈦合金、硬鋁硬鋁、合金鋼合金鋼的的35倍。倍。比模量比模量約為上述約為上述材

14、料材料的的3倍。疲勞性能明顯優(yōu)于一般鋁合金。倍。疲勞性能明顯優(yōu)于一般鋁合金。而且在而且在200400下仍保持較高的下仍保持較高的強度強度。在在飛行器飛行器和和航空發(fā)動機航空發(fā)動機上應用可以獲得明顯的減重效上應用可以獲得明顯的減重效果。果。 23關于硼關于硼鋁復合材料的研究主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：鋁復合材料的研究主要包括以下幾個方面的內(nèi)容： (1)研制強度高、剛性大、重量輕的構件，這在航空航天領研制強度高、剛性大、重量輕的構件，這在航空航天領域中顯得尤為重要。域中顯得尤為重要。 (2)改進大型構件的制造技術，研制可靠耐用的材料及構件。改進大型構件的制造技術，研制可靠耐用的材料及構件。 (3)

15、改進硼改進硼鋁復合材料的制造應用技術，促使其成本盡可鋁復合材料的制造應用技術，促使其成本盡可能降低。能降低。24 二、硼鋁復合材料二、硼鋁復合材料高比模量和高比強度高比模量和高比強度1增強纖維增強纖維 對增強纖維的主要要求是比模量高、比強度高、性能重復性對增強纖維的主要要求是比模量高、比強度高、性能重復性好、價格低以及易于制造成復合材料。表好、價格低以及易于制造成復合材料。表6-2中列出常用纖維中列出常用纖維的性能。的性能。玻璃纖維強度較高價格低廉，但它的模量低易與鋁起反應；玻璃纖維強度較高價格低廉，但它的模量低易與鋁起反應；氧化鋁纖維的比模量和比強度較低且價格昂貴；氧化鋁纖維的比模量和比強度

16、較低且價格昂貴；碳化硅纖維與鋁的反應比硼小，并已作為硼纖維的涂層使用，碳化硅纖維與鋁的反應比硼小，并已作為硼纖維的涂層使用，但其密度比硼高但其密度比硼高30、且強度較低；、且強度較低；高模量石墨纖維似乎很有吸引力，化學穩(wěn)定差；高模量石墨纖維似乎很有吸引力，化學穩(wěn)定差；25 2基基 體體 以以鋁鋁為基的為基的合金合金總稱。主要總稱。主要合金元素合金元素有有銅銅、硅硅、鎂鎂、鋅鋅、錳錳，次要合金元素有，次要合金元素有鎳鎳、鐵鐵、鈦鈦、鉻鉻、鋰鋰等。等。 鋁合金具有鋁合金具有良好的結合性能良好的結合性能，較高的斷裂韌性較高的斷裂韌性較強較強的的阻止阻止在在纖維斷裂纖維斷裂或劈裂處的或劈裂處的裂紋擴展

17、裂紋擴展能力；較強的能力；較強的抗腐蝕抗腐蝕性，較性，較高的強度高的強度等。等。 26鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優(yōu)質鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優(yōu)質鋼鋼，塑性塑性好，可加工成各種好，可加工成各種型材型材，具有優(yōu)良的，具有優(yōu)良的導電性導電性、導熱導熱性性和抗蝕性，和抗蝕性，工業(yè)工業(yè)上廣泛使用，使用量僅次于鋼。上廣泛使用，使用量僅次于鋼。鋁合金分兩大類：鋁合金分兩大類：鑄造鋁合金鑄造鋁合金，在鑄態(tài)下使用；，在鑄態(tài)下使用；變變形鋁合金形鋁合金，能承受壓力加工，能承受壓力加工，力學性能力學性能高于鑄態(tài)。此外高于鑄態(tài)。此外還有還有焊接鋁焊接鋁及及燒結鋁燒結鋁等。等。 可加工成各種形

18、態(tài)、規(guī)格的鋁合金材。主要用于制可加工成各種形態(tài)、規(guī)格的鋁合金材。主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用門窗等。造航空器材、日常生活用品、建筑用門窗等。 27熱壓罐熱壓罐網(wǎng)球拍網(wǎng)球拍2829 三、鋁基復合材料的制造三、鋁基復合材料的制造 制造過程可分為三個階段：制造過程可分為三個階段：纖維排列纖維排列、復合材料組分的、復合材料組分的組組裝壓合裝壓合和和零件層壓零件層壓。 大多數(shù)硼大多數(shù)硼鋁復合材料是用預制品或中間復合材料制造的。鋁復合材料是用預制品或中間復合材料制造的。制造工藝就是把樹脂粘合的或者是等離子噴涂的條帶預制品再制造工藝就是把樹脂粘合的或者是等離子噴涂的條帶預制品再經(jīng)過熱壓擴散結合

19、。經(jīng)過熱壓擴散結合。30四、鋁基復合材料的二次加工四、鋁基復合材料的二次加工 二次加工是指對基本的復合材料型件如平板、梁二次加工是指對基本的復合材料型件如平板、梁和管等所進行的加工，包括和管等所進行的加工，包括成型成型、連接連接、機械加工機械加工和和熱處理熱處理等工藝過程。等工藝過程。成型：成型：纖維室溫拉伸時具有完全彈性的應力纖維室溫拉伸時具有完全彈性的應力- -應變特性，沒有應變特性，沒有塑性延伸；塑性延伸；硬而脆；硬而脆；鋁基體在低溫低應力下產(chǎn)生蠕變變形；鋁基體在低溫低應力下產(chǎn)生蠕變變形；軟而延；軟而延；纖維對材料的成型產(chǎn)生嚴重束縛。纖維對材料的成型產(chǎn)生嚴重束縛。31連連 接：接： 硼硼

20、鋁復合材料的連接技術是鋁復合材料的連接技術是基于鋁的連接而并基于鋁的連接而并不考慮硼同硼連接不考慮硼同硼連接。 其目的是想要得到高剪切強度的基體連接而不使復合其目的是想要得到高剪切強度的基體連接而不使復合材料的機械性能降低。因為鋁的連接是一種很成熟的工藝。材料的機械性能降低。因為鋁的連接是一種很成熟的工藝。焊接：焊接： 釬焊、無釬焊等。釬焊、無釬焊等。盡量降低熱影響區(qū)域；退火；盡量降低熱影響區(qū)域；退火；32機械加工機械加工 由于硼纖維硬度高由于硼纖維硬度高( (莫氏硬度為莫氏硬度為9)9)。硼。硼鋁復合材料鋁復合材料的機械加工比較困難。的機械加工比較困難。 然而對單層件來說，板金剪切技術就可以

21、勝任。然而對單層件來說，板金剪切技術就可以勝任。 拉伸試樣的加工問題通常采用拉伸試樣的加工問題通常采用砂輪切割砂輪切割或或電加工電加工的方的方法來解決。法來解決。 熱處理熱處理 可以通過可以通過淬火淬火和和時效時效等熱處理手段來提高機械性能。等熱處理手段來提高機械性能。 33五、機械性能五、機械性能1彈性模量彈性模量 表表6-5 硼纖維與鋁基體的彈性常數(shù)硼纖維與鋁基體的彈性常數(shù)縱向彈性模量：縱向彈性模量：E11=EF.VF+EM.VM橫向則復雜的多；橫向則復雜的多；皆隨溫度的增加而降低。皆隨溫度的增加而降低。34 2強度及應力強度及應力應變特性應變特性 (1)軸向拉伸軸向拉伸 硼硼鋁復合材料的

22、軸向拉伸特性取決于鋁復合材料的軸向拉伸特性取決于增強纖維的性增強纖維的性能能和復合材料的和復合材料的纖維含量纖維含量。（圖。（圖6.7-6.10） (2)橫向拉伸橫向拉伸 所有硼所有硼鋁復合材料的橫向拉伸特性可以根據(jù)斷口的鋁復合材料的橫向拉伸特性可以根據(jù)斷口的形貌分為三種常見的類型。形貌分為三種常見的類型。第一類復合材料斷裂的特征是斷口全為第一類復合材料斷裂的特征是斷口全為基體破裂基體破裂；第二類斷口則同時含有第二類斷口則同時含有基體破裂基體破裂和和縱向纖維劈裂縱向纖維劈裂；第三類斷口的典型情況是第三類斷口的典型情況是基體破裂基體破裂和和纖維纖維基體界面破裂基體界面破裂。35 (3) 蠕變及持

23、久強度蠕變及持久強度 硼具有很好的抗蠕變性能；硼具有很好的抗蠕變性能；500500以下，單向增強硼以下，單向增強硼- -鋁復合材料的軸向蠕變鋁復合材料的軸向蠕變和持久強度超過所有的工程合金。和持久強度超過所有的工程合金。 (4) 缺口拉伸強度和斷裂韌性缺口拉伸強度和斷裂韌性 有限應變能力的有限應變能力的類脆性材料類脆性材料；缺口不敏感缺口不敏感和和斷裂韌性斷裂韌性；36金屬基應用之一：燃氣渦輪發(fā)動機葉片；金屬基應用之一：燃氣渦輪發(fā)動機葉片；鋁基和鋁合金基體比較容易制造，但低溫；鋁基和鋁合金基體比較容易制造，但低溫；高溫合金基體：鎳、鈷和鐵基材料。高溫合金基體：鎳、鈷和鐵基材料。增強體：高強和高

24、穩(wěn)定性（氧化物、碳化物、硼化物和難增強體：高強和高穩(wěn)定性（氧化物、碳化物、硼化物和難熔金屬等）熔金屬等）37藍寶石晶須和藍寶石桿藍寶石晶須和藍寶石桿高強；高強；圖圖6-176-17：強度隨尺寸減小而增大；因為表面缺陷減少；：強度隨尺寸減小而增大；因為表面缺陷減少；小直徑的晶須容易制備，因此優(yōu)先選用；小直徑的晶須容易制備，因此優(yōu)先選用；為改善潤濕性，需表面涂層；為改善潤濕性，需表面涂層；細晶須的表面涂層必須薄，也容易融化；細晶須的表面涂層必須薄，也容易融化；藍寶石桿價格昂貴，單個制備。不實用，但必不可少；藍寶石桿價格昂貴，單個制備。不實用，但必不可少；38鎳鎳-藍寶石反應藍寶石反應高溫時發(fā)生反應

25、；高溫時發(fā)生反應；強度對反應很敏感；強度對反應很敏感；涂層保護（鎢）；涂層保護（鎢）；鎳基復合材料的制備鎳基復合材料的制備擴散結合：將纖維夾在金屬板之間進行加熱。擴散結合：將纖維夾在金屬板之間進行加熱。39鈦：鈦：原子量：原子量：47.8；核內(nèi)質子數(shù)：核內(nèi)質子數(shù)：22；銀灰色金屬銀灰色金屬 ；具有金屬光澤，有延展性；密度具有金屬光澤，有延展性；密度4.5克克/厘米厘米3；熔點；熔點166010；沸；沸點點3287；化合價；化合價+2、+3和和+4；電離能為；電離能為6.82電子伏特；電子伏特；鈦的主要特點是密度小，機械強度大，容易加工。鈦的主要特點是密度小，機械強度大，容易加工。鈦的塑性主要依

26、賴于純度。鈦越純，塑性越大。有良好的抗腐蝕鈦的塑性主要依賴于純度。鈦越純，塑性越大。有良好的抗腐蝕性能，不受大氣和海水的影響。性能，不受大氣和海水的影響。在常溫下，不會被稀鹽酸、稀硫酸、硝酸或稀堿溶液所腐蝕；只在常溫下，不會被稀鹽酸、稀硫酸、硝酸或稀堿溶液所腐蝕；只有氫氟酸、熱的濃鹽酸、濃硫酸等才可對它作用。有氫氟酸、熱的濃鹽酸、濃硫酸等才可對它作用。 40優(yōu)點：優(yōu)點：使用溫度高：使用溫度高：600650 ；抗拉強度：抗拉強度：1500MPa缺點：缺點：高溫易于和增強體發(fā)生化學反應。高溫易于和增強體發(fā)生化學反應。41相容性問題：相容性問題：Ti-6Al-4V合金與硼纖維發(fā)生反應。合金與硼纖維發(fā)生反應。符合線性混合法則。符合線性混合法則。可能產(chǎn)生新的裂紋源?？赡墚a(chǎn)生新的裂紋源。裂紋的影響程度又取決于反應層的厚度。裂紋的影響程度又取決于反應層的厚度。解決相容性問題的方法：解決相容性問題的方法：（1）最大限度減小裂紋的高速工藝：）最大限度減小裂紋的高速工藝：1000 ，12s，50nm；（2）最大限度減小裂紋的低溫工藝：）最大限度減小裂紋的低溫工藝：830 ，15min；（3）研制低活性的基體；）研制低活性的基體；（4）研制最大限度減少反應的涂層；）研制最大限度減少反應的涂層；（