金屬基導電復合材料的研究PPT課件

1、 若與傳統(tǒng)的金屬材料相比，金屬基復合材料重量輕、強度和剛度高、耐磨損。但金屬基復合材料造價較高，有些制備工藝較為復雜。金屬基復合材料分為纖維增強型（包括短纖維和氈）、顆粒和晶須增強型、定向凝固共晶型和層狀型（交替疊層型）。 主流第1頁/共36頁1、纖維增強金屬基復合材料 由纖維增強的金屬、合金或金屬間化合物。它是在50年代末開始研究和發(fā)展起來的一種金屬基復合材料。在纖維增強金屬基復合材料中常用的增強基有：硼纖維、碳（石墨）纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、鎢絲、鉬絲、鋼絲等。常用的基體有：鋁、鎂、鈦、銅、鉛及其合金與高溫合金。其中以鋁基復合材料的研究與發(fā)展最為迅速，技術(shù)比較成熟，應用也較廣泛。第2

2、頁/共36頁 纖維增強金屬基復合材料的性能取決于纖維和基體金屬的類型和性能，纖維的含量與分布、纖維與基體金屬間界面的結(jié)構(gòu)和性能，以及制備工藝過程。纖維增強金屬基復合材料的制備工藝與性能列于表5-9中。第3頁/共36頁第4頁/共36頁 各種纖維增強金屬基復合材料具有不同的綜合性能，用于不同的領(lǐng)域。 鋁鎂和鎂基復合材料主要用于航天、航空領(lǐng)域作為高性能的結(jié)構(gòu)材料。 鈦基和高溫合金基復合材料主要用于發(fā)動機零件。 銅、鉛、基復合材料主要用于電子和能源領(lǐng)域，作為特殊的導體和電極材料。第5頁/共36頁 碳（石墨）/鋁、碳（石墨）/鎂復合材料具有高的比強度和比模量，又具有接近于零的熱膨脹系數(shù)和良好的尺寸穩(wěn)定性

3、，已成功的用于人造衛(wèi)星支架、L頻帶平面天線、空間望遠鏡和照相機的鏡筒、紅外反射鏡、人造衛(wèi)星拋物面天線等。第6頁/共36頁 硼/鋁復合材料是應用最早的纖維增強金屬基復合材料，具有很高的比強度和比模量，可作主承力構(gòu)間。硼/鋁復合材料管柱用于航天飛機機艙框架結(jié)構(gòu)，243根硼/鋁組成的航天飛機機艙框架結(jié)構(gòu)比用鋁制重量減輕44%。硼/鋁復合材料也用于航天和先進武器系統(tǒng)，例如做成B1飛機的垂直尾翼、發(fā)動機風扇葉片、導彈構(gòu)件，還用于核能裝置和核燃料的儲運設(shè)備等。第7頁/共36頁 鎢絲增強高溫合金、鎢絲增強銅、碳化硅纖維增強Ti3Al、TiAl、Ni3Al等金屬間化合物在燃氣輪機耐熱零件、火箭發(fā)動機發(fā)面的運用

4、是金屬基復合材料研究的重要方向之一。這些高溫金屬基復合材料具有良好的高溫強度、抗蠕變性、抗沖擊、耐熱疲勞等性能，用作燃氣輪機葉片、轉(zhuǎn)動軸等高溫零件，能明顯提高發(fā)動機的效率。纖維增強金屬基復合材料，由于具有良好的導熱、導電性能和低的熱膨脹系數(shù)，在電子工業(yè)中用作大功率大規(guī)模集成電路元件基板，熱膨脹系數(shù)與硅材料相當，可避免熱應力造成的硅片損傷和器件失效，提高集成電路元件的可靠性。第8頁/共36頁 碳/銅復合材料具有優(yōu)良的導電性和耐燒蝕性，做成的單級慣性電極電刷課通過1000A/cm2的大電流，在粒子束武器中有重要作用。碳/鉛復合材料可用作核潛艇大型蓄電池極板。第9頁/共36頁 纖維增強金屬基復合材料

5、在汽車、體育、紡織等工業(yè)中應用也正在迅速發(fā)展。特別是在汽車工業(yè)中用纖維增強金屬基復合材料在內(nèi)燃機活塞、連桿、活塞銷等發(fā)動機零件，有效地減輕云固定部件的重量，提高發(fā)動機的效率和使用壽命。用氧化鋁、硅酸鋁纖維增強的鋁活塞是金屬基復合材料在民用工業(yè)中應用最成功的實例。由于在鋁合金中加入氧化鋁短纖維而有效地提高了合金的高溫強度。耐磨性和減少熱膨脹系數(shù)，使發(fā)動機效率提高5%，壽命提高5倍以上。第10頁/共36頁2、顆粒增強金屬基復合材料 定義：以一種或多種金屬、非金屬或陶瓷的顆粒作增強體，彌散于金屬基體中所制成的一種金屬基復合材料。 特點：制備工藝比較容易，成本低，并可用熱壓、熱擠壓、熱軋等常規(guī)熱加工工

6、藝加工成型，增強相在基體內(nèi)彌散分布具有各向同性，適于復雜應力狀態(tài)下使用。第11頁/共36頁 、基體材料 基體材料是金屬基復合材料的主要組成部分，起固結(jié)增強顆粒、傳遞和承受各種載荷的作用。金屬基體材料的性能對所制備的金屬基復合材料的性能起著非常重要的作用，其密度、強度、塑性、耐蝕耐熱性能、導電導熱性能等均影響復合材料的整體性能。第12頁/共36頁 、增強顆粒 增強顆粒也是金屬基復合材料的重要組成部分之一，其作用是提高金屬基體的強度、剛度、耐磨損等性能。隨著顆粒增強復合材料的發(fā)展，新的增強顆粒不斷現(xiàn)。 在了解各種增強顆粒的性能、結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)如下所述的原則選定增強顆粒： 最主要第13頁/共36

7、頁 顆粒的硬度、剛度要高，用于增強復合材料耐磨損耐沖擊性能。根據(jù) Richardon 1的觀點，要提高耐磨材料的耐磨性，必須設(shè)法使材料表面硬度 Hu 與磨料硬度 Ha 的比值超過轉(zhuǎn)折點，即 Hu / Ha 0.8。 增強顆粒與基體材料的高溫潤濕性應盡可能好一些，根據(jù)顆粒間的毛細作用原理2，潤濕角越小，鑄滲深度越大，鐵液的滲透能力越強，均越有利于形成結(jié)合致密、沒有氣孔和裂紋的優(yōu)質(zhì)復合材料。第14頁/共36頁 增強顆粒應具有良好的化學穩(wěn)定性，在復合材料的制備和使用過程中其組織結(jié)構(gòu)和性能不發(fā)生明顯的變化或退化。 增強顆粒的粒度要適宜，太大或太小都有可能產(chǎn)生不利影響。顆粒粒度太大，影響鑄件尺寸精度和表

8、面光潔度； 顆粒粒度太小，比表面積大會導致溶解嚴重下降而降低顆粒體積含量3顆粒的增強效果，也不利于形成復合良好、表面完整的復合材料。第15頁/共36頁 、界面 復合材料的性能受界面結(jié)合狀況的影響很大，界面結(jié)合主要取決于金屬基與陶瓷增強相之間的化學結(jié)合和晶格匹配4。化學結(jié)合與晶格匹配越好，界面能越低，潤濕性越好，在不產(chǎn)生脆性界面相的條件下，復合材料的力學性能越好。第16頁/共36頁 顆粒增強鋁基復合材料是比較成熟的金屬基復合材料。其中碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，由于碳化硅顆粒與鋁偶良好的界面結(jié)合強度，鋁基經(jīng)碳化硅顆粒增強后能顯著提高彈性模量、抗拉強度、高溫強度和耐磨性，采用常規(guī)粉末冶金法或鑄造法

9、即可制備，它是當前金屬基復合材料中應用最廣、最早能實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的品種。第17頁/共36頁 碳化硅顆粒增強鋁的密度僅為鋼的1/3，為鈦合金的2/3而與鋁合金相近。它的強度比中碳鋼好，與鈦合金相近而比鋁合金略高。模量略高于鈦合金比鋁合金搞很多。其價格與鋁合金大致相當，而僅為鈦合金的1/5。目前已經(jīng)小批量用于汽車工業(yè)和機械工業(yè)中?？蓱糜诨鸺蛯棙?gòu)件、紅外及激光制導系統(tǒng)構(gòu)件、超輕空間望遠鏡、精密航空電子器件封裝材料、坦克履帶板等。第18頁/共36頁3、晶須增強金屬基復合材料 定義：以晶須為增強體，以金屬為基體所形成的一種金屬基復合材料。 （晶須： 性能特點：充分利用基體的強韌性和晶須的高強度、

10、高耐熱性、高耐磨性、高絕緣性能，使其具有傳統(tǒng)金屬材料所無法比擬的優(yōu)異性能。晶須的制備工藝復雜，成本極高，大大限制了其應用領(lǐng)域5-7。第19頁/共36頁 制備特點：可以進行二次加工，一般采用熱擠壓、熱軋制和熱旋壓等方法。 二次加工可以消除復合材料中的孔洞，提高晶須分布的 均勻性，從而能提高強度并明顯改善材料的塑性。 近年來，為了獲得具有優(yōu)異力學性能，且成本較低的晶須，國內(nèi)外重點開展了硼酸鹽晶須的制備及其在鎂、鋁基等復合材料中的應用研究7。晶須增強金屬基復合材料已經(jīng)在航太航空、汽車、體育器械及紡織等部門得到應用。第20頁/共36頁4、定向凝固共晶復合材料 定義：是一種自生纖維（或片層）增強的金屬基

11、復合材料。它的纖維或片層是合金熔煉體定向凝固時和基體同時生長的。 特點：a、它是由結(jié)晶所獲，兩相間界面結(jié)合較強。 b、它是在高溫下接近平衡條件下緩慢生長而成，兩相間處于化學平衡狀態(tài)，相界面試保持半共格的低能界面8,所以在高溫下比較穩(wěn)定，能保持其結(jié)構(gòu)和性能。第21頁/共36頁 C、纖維分布比較均勻。 d、可避免由于物理壓制過程中對纖維的損傷。 應用：1960年定向凝固技術(shù)開始用于制備復合材料，采用定向凝固法能生產(chǎn)出具有特殊物理性能和力學性能的金屬基復合材料。定向共晶復合材料的兩相具有不同的電、磁、熱等物理性能以及由規(guī)則排列引起的各向異性，是這類材料可用作電磁材料、電子材料等。第22頁/共36頁

12、80年代定向凝固共晶合金出現(xiàn)了咦NiAl、 Ni3Al為基體的新型合金。同時，用NbC、TaC纖維強化的定向共晶高溫合金已逐步向?qū)嵱没A段過渡。1977年，美國成功地進行了NiTaCl3定向共晶合金制造的低壓渦輪實心葉片發(fā)動機剎車，80年代后期，美國有采用NiTaCl4B定向共晶合金制作高壓渦輪空心冷卻葉片。因而，定性凝固共晶復合材料具有潛力，有待于進一步研究開發(fā)。第23頁/共36頁5、層狀金屬基復合材料 定義：在金屬基體外包覆以金屬、聚合物或陶瓷而制成的材料，又稱交替疊層型金屬復合材料。 層狀金屬基復合材料的使用歷史悠久，在古代就已使用鋼材和鐵制成利而韌的刀劍。應用最多的是金屬/金屬層狀材料

13、，表5-10中列有各種金屬材料的肯能組合。第24頁/共36頁第25頁/共36頁第26頁/共36頁 制備：層狀金屬基復合材料的制備方法有涂飾法和包覆法。 涂飾法是將第二種組分材料覆蓋在金屬基體上并形成一層連續(xù)的薄膜，通常使用的方法有電鍍、熱浸、噴涂和化學氣相沉淀等。 包覆法是將熔化的材料或固體材料黏結(jié)在金屬基表面，采用的方法有軋制、熱壓、鑄造、擠壓、爆炸復合、釬焊和焊接等。第27頁/共36頁 應用：層狀金屬基復合材料在現(xiàn)代工業(yè)中應用十分廣泛，如下所述。 在航空工業(yè)中用作飛機蒙的鋁包覆硬鋁（稱三夾板），其中間層鋁合金提供所需的高力學性能，兩層純鋁外層具有穩(wěn)定的耐腐蝕性能，保護了不耐腐蝕的鋁合金。第

14、28頁/共36頁 鈦、鉭有優(yōu)異的耐蝕性能，被用于化工設(shè)備，但由于鈦和鉭的價格是不銹鋼的數(shù)倍，而使其應用受到限制。用軋合法或爆炸復合法將鈦包覆在鋼板上制成鈦包鋼復合板，或?qū)g包覆在銅板上制成鉭包銅復板。這種復合板的包覆層提供了優(yōu)異的耐蝕性能，基體金屬提供了足夠的力學性能，又能大幅度降低成本。第29頁/共36頁 輕型汽車軸瓦使用的鋁基鋼帶是由純鋁帶、鋁合金帶、純鋁帶三層金屬冷軋復合，然后再與鋼帶冷軋而成的金屬復合帶。這種層狀鋁基鋼帶中的鋼背能夠給軸瓦提供足夠的強度與剛度，既彌補了鋁合金的不足，又能充分發(fā)揮鋁合金軸瓦的固有性能。第30頁/共36頁 美國除了紀念硬幣外的大小硬幣都是用層狀金屬基復合材料

15、制成的。這種材料是由銅層和外包兩層較薄的銅鎳合金（75%銅和25%鎳）組成，其體積比例為：1/6:4/6:1/6。外層銅鎳合金提供了所需的外觀、耐磨損和耐蝕性能，內(nèi)層銅保證了所要求的密度。第31頁/共36頁 許多接點材料是由銀、鉑、鉑族金屬包覆鋼、青銅或鎳而制成的。恒溫元件由兩層或多層膨脹系數(shù)不同的組份制成，溫度變化時材料的曲率也隨之變化。高膨脹組分有黃銅、蒙乃爾合金、奧氏體鎳-鉻-鐵和鎳-錳-鐵、鎳-鉬-鐵合金和鎂-鎳-銅合金等。低膨脹組分有鎳-鐵合金（即因瓦恒范鎳鋼）。第32頁/共36頁 近年來，國家確定優(yōu)先發(fā)展：復合材料制備工藝及其成套設(shè)備。 近期產(chǎn)業(yè)的重點是：建設(shè)鋁-不銹鋼、鋁-鋼、鈦

16、-鋼、銅-鋼帶液-固相復合工藝生產(chǎn)，鋼-不銹鋼復合產(chǎn)線；開發(fā)顆粒增強鋁基復合材料規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)、半固態(tài)成型技術(shù)、連續(xù)包覆復合高速鋼材料及制品，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。第33頁/共36頁 1T W 克萊因，P J 威瑟斯著 （ 余永寧，房志剛譯） 金屬基復合材料導論M 北京： 冶金工業(yè)出版社，1996： 6，278-280. 2王恩澤 鑄滲法制備顆粒增強耐熱鋼基表面復合材料的研究D 西安： 西安交通大學，1998 3 王華明 鑄件表面復合合金層組織與性能的研究D 西安：西安交通大學，1986 4 K Sugknuma Ann Rer MaterJ Sci，1988，（ 18） ： 47-73第34頁/共36頁 5Suganuma K, Fujita T, Suzuki N, et al Aluminum composites reinforced with a new alumin