第五章金屬基復合材料.

1、12隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，人們隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，人們越來越高。越來越高。在在方面，不但要求方面，不但要求強度高強度高，還，還要求其要求其重量要輕重量要輕，尤其是在航空航天領(lǐng)域。，尤其是在航空航天領(lǐng)域。正是為了滿足上述要求正是為了滿足上述要求而誕生的。而誕生的。3相對于相對于傳統(tǒng)的金屬材傳統(tǒng)的金屬材料料來說，具有來說，具有較高的較高的與與；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。由于金屬基復合材料具有極高的比強度、比剛由于金屬基復合材料具有極高的比強度、比剛度，以及高溫強度，首先在

2、航空航天上得到應(yīng)度，以及高溫強度，首先在航空航天上得到應(yīng)用，今后也將在航空航天領(lǐng)域占據(jù)重要位置。用，今后也將在航空航天領(lǐng)域占據(jù)重要位置。隨后，在汽車、體育用品等領(lǐng)域也得到了應(yīng)用，隨后，在汽車、體育用品等領(lǐng)域也得到了應(yīng)用，特別是晶須增強復合材料和顆粒增強復合材料特別是晶須增強復合材料和顆粒增強復合材料在日本的民用領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用。在日本的民用領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用。45碳化物金屬陶瓷作為工具碳化物金屬陶瓷作為工具材料已被廣泛應(yīng)用，稱作材料已被廣泛應(yīng)用，稱作。硬質(zhì)合金通常。硬質(zhì)合金通常以以CoCo、NiNi作為作為，WCWC、TiCTiC等作為強化相。等作為強化相。 6 硬質(zhì)合金組織硬質(zhì)合金組織(

3、(Co+WC)78按用途分類：按用途分類：結(jié)構(gòu)復合材料結(jié)構(gòu)復合材料：高比強度、高比模量、尺才：高比強度、高比模量、尺才穩(wěn)定性、耐熱性等是其主要性能特點。用于穩(wěn)定性、耐熱性等是其主要性能特點。用于制造各種航天、航空、汽車、先進武器系統(tǒng)制造各種航天、航空、汽車、先進武器系統(tǒng)等高性能結(jié)構(gòu)件。等高性能結(jié)構(gòu)件。功能復合材料功能復合材料：高導熱、導電性、低膨脹、：高導熱、導電性、低膨脹、高阻尼、高耐磨性等物理性能的優(yōu)化組合是高阻尼、高耐磨性等物理性能的優(yōu)化組合是其主要特性，用于電子、儀器、汽車等工業(yè)。其主要特性，用于電子、儀器、汽車等工業(yè)。強調(diào)具有電、熱、磁等功能特性強調(diào)具有電、熱、磁等功能特性智能復合材

4、料智能復合材料：強調(diào)具有感覺、反應(yīng)、自監(jiān)：強調(diào)具有感覺、反應(yīng)、自監(jiān)測、自修復等特性。測、自修復等特性。 應(yīng)當注意，功能復合材料和智能復合材料應(yīng)當注意，功能復合材料和智能復合材料容易混淆。容易混淆。910金屬基復合材料的性能特征金屬基復合材料的性能特征1.1.高比強度、比模量高比強度、比模量2.2.良好的導熱、導電性能良好的導熱、導電性能3.3.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4.4.良好的高溫性能良好的高溫性能5.5.良好的耐磨性良好的耐磨性6.6.良好的斷裂韌性和抗疲勞性能良好的斷裂韌性和抗疲勞性能7.7.不吸潮、不老化、氣密性好不吸潮、不老化、氣密性好11金屬基復合材料

5、制備工藝的分類：金屬基復合材料制備工藝的分類：1）固態(tài)法固態(tài)法：真空熱壓擴散結(jié)合、超塑性成：真空熱壓擴散結(jié)合、超塑性成型型 / 擴散結(jié)合、模壓、熱等靜壓、粉末擴散結(jié)合、模壓、熱等靜壓、粉末冶金法。冶金法。2）液態(tài)法液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態(tài)鑄造。造、半固態(tài)鑄造。3）噴射成型法噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成：等離子噴涂成型、噴射成型。型。4）原位生長法原位生長法。 12鋁合金鋁合金 固態(tài)、液態(tài)法固態(tài)、液態(tài)法鎂合金鎂合金 固態(tài)、液態(tài)法固態(tài)、液態(tài)法鈦合金鈦合金 固態(tài)法固態(tài)法高溫合金高溫合金 固態(tài)法固態(tài)法金屬間化合物金屬間化合物 固態(tài)法固態(tài)法13碳纖維

6、碳纖維硼纖維硼纖維SiC纖維纖維Al2O3纖維纖維鋁合金鋁合金 固態(tài)、液態(tài)、原位生長、噴射成型法固態(tài)、液態(tài)、原位生長、噴射成型法鎂合金鎂合金 液態(tài)法液態(tài)法鈦合金鈦合金 固態(tài)、液態(tài)法、原位生長法固態(tài)、液態(tài)法、原位生長法高溫合金高溫合金 原位生長法原位生長法金屬間化合物金屬間化合物 粉末冶金、原位生長法粉末冶金、原位生長法14顆粒顆粒晶須晶須短纖維短纖維1516 航空航天工業(yè)中需要大型的、重量輕的結(jié)構(gòu)材航空航天工業(yè)中需要大型的、重量輕的結(jié)構(gòu)材料，例如波音料，例如波音747大型運輸機、遠距離通信天線、大型運輸機、遠距離通信天線、巨型火箭及宇航飛行器等。在設(shè)計這些結(jié)構(gòu)時，問巨型火箭及宇航飛行器等。在設(shè)

7、計這些結(jié)構(gòu)時，問題之一就涉及到平方題之一就涉及到平方立方尺寸關(guān)系，即結(jié)構(gòu)的立方尺寸關(guān)系，即結(jié)構(gòu)的隨其尺寸的隨其尺寸的增加而增加而卻隨其線尺卻隨其線尺寸的寸的增加。所以，假若要保證大型結(jié)構(gòu)的機動增加。所以，假若要保證大型結(jié)構(gòu)的機動性和高效率，就需要更完善的設(shè)計和更好的材料。性和高效率，就需要更完善的設(shè)計和更好的材料。17是在金屬基復合材料中是在金屬基復合材料中的一種。由于的一種。由于為為結(jié)構(gòu)，因此具有良好的結(jié)構(gòu)，因此具有良好的，再加之它所具有的，再加之它所具有的、及及等優(yōu)點，為其在工程上應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。等優(yōu)點，為其在工程上應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。在在制造鋁基復合材料制造鋁基復合材料時，通常并

8、不是使用純鋁而是時，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，。18硼纖維極高強度的共價結(jié)合，鋁是被選用最廣的基體材料。硼纖維極高強度的共價結(jié)合，鋁是被選用最廣的基體材料。硼硼-鋁復合材料在研究上很重視。鋁復合材料在研究上很重視。硼鋁的彈性模量接近各向同性，非軸向強度也較高，橫向抗硼鋁的彈性模量接近各向同性，非軸向強度也較高，橫向抗拉強度和剪切強度大約與鋁合金基體的強度相等。比樹脂基拉強度和剪切強度大約與鋁合金基體的強度相等。比樹脂基材料可能達到的強度要高得多。材料可能達到的強度要高得多。硼硼鋁復合材料還具有高的導電件和導熱性、塑性和韌性、耐鋁復合材料還具有高的導

9、電件和導熱性、塑性和韌性、耐磨性、可涂復性、連接性、成型性和可熱處理性及不可燃性。磨性、可涂復性、連接性、成型性和可熱處理性及不可燃性。高溫性能和抗?jié)衲芰τ诠こ探Y(jié)構(gòu)的耐久性也常常是重要的。高溫性能和抗?jié)衲芰τ诠こ探Y(jié)構(gòu)的耐久性也常常是重要的。19硼硼鋁復合材料的研究的主要內(nèi)容：鋁復合材料的研究的主要內(nèi)容： (1)研制強度高、剛性大、重量輕的構(gòu)件，這在航研制強度高、剛性大、重量輕的構(gòu)件，這在航空航天領(lǐng)域中顯得尤為重要?？蘸教祛I(lǐng)域中顯得尤為重要。 (2)改進大型構(gòu)件的制造技術(shù)，研制可靠耐用的材改進大型構(gòu)件的制造技術(shù)，研制可靠耐用的材料及構(gòu)件。料及構(gòu)件。 (3)改進硼改進硼鋁復合材料的制造應(yīng)用技術(shù)

10、，促使其鋁復合材料的制造應(yīng)用技術(shù)，促使其成本盡可能降低。成本盡可能降低。20 對增強纖維的主要要求是比模量高、比強度高、性能重復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。性好、價格低以及易于制造成復合材料。玻璃纖維玻璃纖維強度較高價格低廉，但它的模量低易與鋁起反應(yīng)。強度較高價格低廉，但它的模量低易與鋁起反應(yīng)。氧化鋁纖維氧化鋁纖維的比模量和比強度較低且價格昂貴。的比模量和比強度較低且價格昂貴。碳化硅纖維碳化硅纖維與鋁的反應(yīng)比硼小，并已作為硼纖維的涂層使與鋁的反應(yīng)比硼小，并已作為硼纖維的涂層使用但其密度比硼高用但其密度比硼高30、且強度較低。、且強度較低

11、。 - 鈦合金鈦合金Ti-6Al-4V的冷拉絲材和沉淀硬化鋼的冷拉絲材和沉淀硬化鋼“火箭火箭”絲絲NS355，內(nèi)于密度大而在比強度和比模量上難以與硼相比。內(nèi)于密度大而在比強度和比模量上難以與硼相比。纖維增強鋁基復合材料纖維增強鋁基復合材料21 硼纖維硼纖維是用化學氣相沉積法由鎢底絲上用氫還原三氯化硼制是用化學氣相沉積法由鎢底絲上用氫還原三氯化硼制成的。將鎢絲電阻加熱到成的。將鎢絲電阻加熱到11001300并連續(xù)拉過反應(yīng)器以獲得并連續(xù)拉過反應(yīng)器以獲得一定厚度的硼沉積層這樣便在鎢絲上沉積了顆粒狀的無定形硼。一定厚度的硼沉積層這樣便在鎢絲上沉積了顆粒狀的無定形硼。 目前大量供應(yīng)的纖維有目前大量供應(yīng)的

12、纖維有100um和和140um兩種直徑，有的纖維兩種直徑，有的纖維帶有帶有2um厚的厚的，其目的是為了改進纖維的抗氧化性能。，其目的是為了改進纖維的抗氧化性能。140um硼纖維的室溫密度為硼纖維的室溫密度為2.55gcm3。22 硼纖維選擇鋁合金作為基體是出于鋁合金具有良好的硼纖維選擇鋁合金作為基體是出于鋁合金具有良好的綜合性能。綜合性能。較高的斷裂韌性較高的斷裂韌性，較強的阻止在纖維斷裂或劈裂處的，較強的阻止在纖維斷裂或劈裂處的裂紋擴展能力；裂紋擴展能力；較強的抗腐蝕性較強的抗腐蝕性，較高的強度較高的強度。 23 碳纖維增強鋁合金碳纖維增強鋁合金a.擴散結(jié)合, 熱壓法( 固相法) 在擴散結(jié)合

13、法中, 通過纖維前處理首先制作中間原料,然后 將這些中間原料重疊起來, 在真空中加熱, 可得纖維增強金屬, 該方法利用了金屬的塑性變形和自身擴散作用, 可得質(zhì)量較好 的碳纖維增強鋁合金復合材料24b.擠壓鑄造 擠壓鑄造 將纖維的預成型體 放入金屬模中, 適當加熱, 加壓 浸入熔化的基體金屬, 在高壓下 令其凝固, 從而得到形狀復雜的 復合材料, 此法周期短, 能制造 纖維增強金屬的機械零件, 生產(chǎn) 效率很高。在此法中, 金屬熔化, 如溫度條件選擇不妥, 熔化的基 體金屬有時會損傷纖維。 擠壓鑄造法在三種方法中是一 種最具有發(fā)展?jié)摿Φ墓に嚪椒?5c.液態(tài)金屬浸漬法該法先需要將太纖維預制成型，再將

14、鋁合金加熱融化，再將碳纖維預制體浸入鋁液，再凝固從而得到復合材料。該法如果工藝溫度過高，融化的基體鋁合金也會損傷碳纖維，從而降低材料的性能。26 鋁基復合材料具有高導熱、密度小、成本低等綜合優(yōu)勢，是金屬基材料中的重要品類，在國際國內(nèi)范圍內(nèi)有廣泛研究并應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。鋁基復合材料包含纖維增強和顆粒增強兩大類。其中顆粒增強鋁基復合材料成本低、性能穩(wěn)定且易實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，成為鋁基復合材料研究和應(yīng)用的熱點方向。以鋁合金為基體的復合材料有鋁碳化硅和硅鋁等，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子信息、殼體封裝和現(xiàn)代交通等廣泛領(lǐng)域鋁基復合材料的應(yīng)用鋁基復合材料的應(yīng)用27應(yīng)用行業(yè)鋁碳化硅、硅鋁等鋁基復合材料因其高導熱、合適

15、的膨脹系數(shù)等優(yōu)良特性可制成基板及熱沉材料，用于光電子封裝、微波封裝外殼、功率模塊基板、微電子基板、熱沉和蓋板、平板混合電路外殼等部件，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子光學、體育用品、集成電路、功率模塊、微處理器蓋板及散熱板等領(lǐng)域。汽車領(lǐng)域：鋁硅顆粒增強鋁基復合材料制備汽車零部件，如發(fā)動機活塞、發(fā)動機活塞和齒輪箱、剎車轉(zhuǎn)子、剎車活塞、剎車墊板、卡鉗、汽車驅(qū)動軸、搖臂等、汽車制動盤等零部件，能有效減輕重量、降低噪音、提升耐磨性能實現(xiàn)轎車輕量化。航天領(lǐng)域：鋁基復合材料可代替鈦合金制造飛機攝相鏡方向架、衛(wèi)星反動輪和方向架的支撐架等，在美國、美國等地成功地用于哈勃太空望遠鏡的高增益天線懸架、導彈零部件(彈體、尾翼、彈