第六章-金屬基復合材料的制備課件

第六章金屬基復合材料的制備主要內(nèi)容：第一節(jié)概述第二節(jié)金屬基復合材料的基體和增強體第三節(jié)金屬基復合材料的制備技術第四節(jié)金屬基納米復合材料制備技術第六章金屬基復合材料的制備主要內(nèi)容：1第一節(jié)概述

一、復合材料的定義和分類1、復合材料的定義復合材料：是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料通過先進的材料制備技術組合而成的性能優(yōu)異的新材料。一般定義的復合材料需滿足的條件（P97）第一節(jié)概述

一、復合材料的定義和分類1、復合材料的定義2一般來說，復合材料由基體和增強材料組成。增強材料是復合材料的主要承力組分．特別是拉伸強度、彎曲強度利沖擊強度等力學性能主要由增強材料承擔；基體的作用是將增強材料黏合成一個整體，起到均衡應力和傳遞應力的作用，使增強材料的性能得到充分發(fā)揮，從而產(chǎn)生一種復合效應，使復合材料的性能大大優(yōu)于單一材料的性能。復合材料的性能主要取決于：①基體的性能；②增強材料的性能；③基體與增強材料之間的界面性能。一般來說，復合材料由基體和增強材料組成。增強材料是復合材料的32、復合材料的分類由于基體材料和增強材料不同，增強材料形態(tài)不同，復合方式及復合效果不同，其分類方法很多。(1)按用途分類分為結(jié)構(gòu)復合材料和功能復合材料。(2)按基體材料的類型分：樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料。2、復合材料的分類4(3)按增強材料類型分類：無機非金屬增強復合材料，如碳纖維增強復合材料、硼碳纖維增強復合材料等；金屬增強復合材料，如鎢絲增強高溫合金復合材料、鐵絲增強樹脂基復合材料等；有機纖維增強復合材料，如芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料等。(4)按增強材料形態(tài)及分布方式分類分為顆粒增強復合材料、連續(xù)纖維增強復合材料（包括單向纖維、二向織物層合等）、短纖維增強復合材料、晶須增強復合材料、薄片增強復合材料等.(3)按增強材料類型分類：無機非金屬增強復合材料，如碳纖維53、金屬基復合材料（MMC）的特點與分類（MMC，metalmatrixcomposite）金屬基復合材料是以金屬及合金為基體的復合材料。金屬基復合材料的特點：金屬基復合材料既保持了金屬本身的特性，又具有復合材料的綜合特性。通過不同基體和增強物的優(yōu)化組合，可獲得各種高性能的復合材料，具有各種特殊性能和優(yōu)異的綜合性能。3、金屬基復合材料（MMC）的特點與分類（MMC，metal6金屬基復合材料的分類(1)按基體材料類型分類有鋁基、鎂基、鋅基、銅基、鉛基、鎳基、耐熱金屬基、金屬間化合物基等復合材料。為了提高材料的比強度和比剛度，通常以密度較低的輕金屬及其合金為主，即鋁、鎂、鈦及其合金。以鋁或鎂為基體的復合材料性能相近，但鎂基材料的加工工藝更復雜，而且抗腐蝕性能很差，所以目前以研制鋁基材料為主。(2)按增強材料類型分類分為連續(xù)纖維增強金屬基復合材料；非連續(xù)纖維增強金屬基復合材料（包括顆粒、短纖維、晶須增強金屬基復合材料）；自生增強金屬基復合材料（包括反應自生和定向自生、大變形）；層板金屬基復合材料。金屬基復合材料的分類74、金屬基復合材料的性能特點與應用性能特點：（1）與金屬材料相比，具有更高的比強度、比模量；加入30%~50%的高性能纖維作為復合材料的主要承載體，復合材料的比強度、比模量成倍地高于基體合金的比強度和比模量。4、金屬基復合材料的性能特點與應用性能特點：8第六章-金屬基復合材料的制備課件9（2）導熱、導電性能好；（3）線脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好；（4）高溫性能好，使用溫度范圍大（5）耐磨性好（6）疲勞性能和斷裂韌性良好（7）不吸潮、不老化、氣密性好（8）二次加工性較好（2）導熱、導電性能好；10金屬基復合材料的缺點：與樹脂基復合材料相比，生產(chǎn)成形工藝要困難得多，很容易形成脆性界面層；與金屬材料相比，伸長率、斷面收縮率和斷裂韌性都很低，還有一個容易分層問題。金屬基復合材料的缺點：11金屬基復合材料的應用：航空、航天、先進武器、電子、汽車等領域。金屬基復合材料的應用：航空、航天、先進武器、電子、汽車等領域12第二節(jié)金屬基復合材料的基體和增強體一、金屬基復合材料的基體1、金屬基體的選擇原則首先，金屬基復合材料構(gòu)（零）件的使用性能要求是選擇金屬基體的最重要依據(jù)。其次，根據(jù)金屬基復合材料的組成特點，在基體材料的選擇原則上也有差別。對于連續(xù)纖維增強金屬基復合材料，不要求基體有很高的強度；對于非連續(xù)增強金屬基復合材料（顆粒、晶須、短纖維），基體承擔主要載荷，要求高強度。最后，需考慮金屬基體與增強材料的界面狀態(tài)和相容性。第二節(jié)金屬基復合材料的基體和增強體一、金屬基復合材料的基13結(jié)構(gòu)復合材料的金屬基體用于各種航空、航天、汽車、先進武器等結(jié)構(gòu)件的復合材料一般都要求有高的比強度和比剛度，有高的結(jié)構(gòu)效率，因此，大多選用鋁及鋁合金和鎂及鎂合金作為基體。鋁、鎂復合材料只能在低于450℃使用。在發(fā)動機、特別是燃氣輪機中需要的是耐熱結(jié)構(gòu)材料，要求復合材料零件在高溫下連續(xù)安全工作，工作溫度在650~1200℃左右，復合材料應有良好的抗氧化、抗蠕變、耐疲勞和良好的高溫力學性能。鈦合金基復合材料可用到650℃，而鎳、鈷基復合材料可用到1200℃以下，正在研究發(fā)展中的金屬間化合物基復合材料可在更高溫度下使用。結(jié)構(gòu)復合材料的金屬基體14基體與增強體的界面狀態(tài)和相容性在金屬基復合材料制備過程中，金屬基體與增強體在高溫復合過程中會發(fā)生不同程度的界面反應，生成脆性反應產(chǎn)物，基體金屬中含有的不同類型的合金元素也會與增強體發(fā)生不同程度的反應，生成各類反應產(chǎn)物，這些產(chǎn)物往往對性能有害，這也就是常說的基體與增強體的化學相容性不好，需在選用基體合金時充分考慮，盡可能選擇既有利于基體與增強體潤濕復合，又有利于形成合適的、穩(wěn)定的界面的合金元素?；w與增強體的界面狀態(tài)和相容性15二、金屬基復合材料的增強體對于金屬基復合材料，由于制備、加工溫度高，大部分加工工藝在基體金屬熔融態(tài)進行，為了避免基體與增強體的界面反應、溶解，并使其有良好的濕潤性，增強材料不僅要有良好的力學性能（高強度、高模量），而且要有高的熔點、高的化學穩(wěn)定性和良好的高溫性能穩(wěn)定性。某些常用的樹脂基復合材料的增強材料，如玻璃纖維、各種有機纖維等不適合于作為金屬基復合材料增強體。就金屬基復合材料的增強材料而言，主要是陶瓷材料和高熔點金屬材料。二、金屬基復合材料的增強體16纖維增強體主要有碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等；晶須增強體主要有SiC、Al2O3晶須等；顆粒增強體主要有碳化物（如SiC、TiC、NbC等）、碳化物（如SiC、TiC、NbC等）、氧化物（如Al2O3等）、氮化物（如Si3N4、AlN等）、硼化物（如TiB2等）纖維增強體主要有碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等；17第六章-金屬基復合材料的制備課件18增強體的表面處理方法目的：提高增強體（如纖維）與金屬間的潤濕性或者抑制其高溫時的界面反應。以改善潤濕性為主要目的的表面處理的原理是去除增強體表面雜質(zhì)（如吸附的氣體及雜質(zhì)、表面氧化膜等）、提高表面粗糙度、改變表面成分使之產(chǎn)生反應性潤濕或溶解潤濕，以及提高增強體的表面能。增強體的表面處理方法19潤濕性（或浸潤性）概念潤濕：是指液體在分子力的作用下沿固體表面流散的現(xiàn)象。表示潤濕性程度的參數(shù)——接觸角θ(也稱潤濕角)接觸角：是氣-液界面通過液體與固-液界面所夾的角。接觸角是三個張力共同作用達平衡的結(jié)果θθθ<90o,潤濕性好θ>90o,潤濕性差潤濕性（或浸潤性）概念θθθ<90o,潤濕性好θ>90o,潤20潔凈增強體表面方法主要有物理清洗（如超聲清洗、真空處理、高溫加熱、真空加熱）和化學清洗等；提高表面粗糙度的方法主要有機械、電化學、腐蝕等；改變表面化學成分產(chǎn)生反應性潤濕或溶解潤濕的主要方法有表面金屬化處理、高溫氧化等，如將SiC在高溫下氧化，使表面生成一薄層SiO2可顯著改善SiC/Al的潤濕性，碳纖維表面進行Mg、Sn、Na、Ti等處理可顯著改善Cf/Al的潤濕性；提高增強體的表面能的的方法主要是對增強體表面進行涂覆處理，如碳纖維表面涂覆TiN、TiB，硼纖維表面涂覆B4C等。潔凈增強體表面方法主要有物理清洗（如超聲清洗、真空處理、高溫21以改善化學相容性為目的的表面處理原理是在增強體與基體間建立一屏障，抑制兩側(cè)原子的直接接觸、阻礙原子擴散，抑制有害界面反應的進行，其有效途徑是表面涂覆，具體的方法主要有干法的CVD法和PVD法，濕法的電鍍法和非電鍍法，還有等離子噴涂、火焰噴涂和電弧噴涂等噴涂法。以改善化學相容性為目的的表面處理原理是在增強體與基體間建立一22基礎理論方面實際應用方面界面設計與控制、性能的穩(wěn)定性和可靠性、壽命預測、設計理論與設計方法等。價格性能的穩(wěn)定性和可靠性認識三、金屬基復合材料目前存在的主要問題基礎理論方面界面設計與控制、價格三、金屬基復合材料目前存在的23第三節(jié)金屬基復合材料的制備技術一、金屬基復合材料制備技術的選擇1、制備技術選用的原則①制造過程中要使增強物按設計要求在金屬基體中均勻分布。如連續(xù)纖維的分布及方向，一定的體積分數(shù)等，顆粒、晶須、短纖維等均勻分布于基體中。②制造過程不造成增強物和金屬基體原有性能的下降，特別是避免高性能連續(xù)纖維的損傷，使增強物和金屬的優(yōu)良性能得以疊加和互補。③制造過程中應避免各種不利的反應發(fā)生，如基體金屬的氧化、基體金屬與增強物之間的界面反應等。要求通過合理選擇工藝參數(shù)獲得合適的界面結(jié)構(gòu)和性能，使增強物的性能和增強效得以充分發(fā)揮，以及金屬基復合材料組織性能的穩(wěn)定。④制造方法應適合于批量生產(chǎn)，盡可能直接制成接近最終形狀尺寸的金屬基復合材料的零件。第三節(jié)金屬基復合材料的制備技術一、金屬基復合材料制備技術242、金屬基復合材料制造的難點及解決的途徑（1）主要困難a．金屬基復合材料在高溫制造時將發(fā)生嚴重的界面反應、氧化反應等有害的化學反應。嚴格控制界面反應是制備高性能金屬基復合材料的關鍵。b.金屬基體與增強體之間浸潤性差，甚至不浸潤。c.將增強體按設計要求的含量、分布、方向均勻地分布在金屬基體中。（2）解決途徑a．增強體的表面處理b.加入合適的合金元素，優(yōu)化基體合金成分。

金屬基復合材料中基體和增強材料的性能各異，使其復合加工較為困難，這也是金屬基復合材料品種較少、價格較貴的主要原因。2、金屬基復合材料制造的難點及解決的途徑（1）主要困難253、金屬基復合材料制備工藝分類金屬基復合材料的制備方法分為以下三大類。（1）固態(tài)法基體處于固態(tài)下制造金屬基復合材料的方法。在整個制造過程中，溫度控制在基體合金的液相線和固相線之間。使整個反應控制在較低溫度，盡量避免金屬基體和增強材料之間的界面反應。3、金屬基復合材料制備工藝分類金屬基復合材料的制備方法分為以26先將金屬粉末或金屬箔與增強體(纖維、晶須、顆粒等)以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再經(jīng)加熱、加壓，將金屬基體與增強體復合粘結(jié)在一起形成復合材料。包括粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、擠壓法、拉拔法、爆炸焊接法等。先將金屬粉末或金屬箔與增強體(纖維、晶須、顆粒等)以一定的含27（2）液態(tài)法基體處于熔融狀態(tài)下制造金屬基復合材料的方法。液態(tài)法的關鍵是有效控制界面反應。為了減少高溫下基體和增強材料之間的界面反應，提高基體對增強材料的浸潤性，通常采用加壓滲透、增強材料表面處理、基體中添加合金元素等方法。液態(tài)法包括真空壓力浸漬法、擠壓鑄造法、真空吸鑄、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、共噴沉積法、熱噴涂法等。液態(tài)法可用來直接制造復合材料零件，也可用來制造復合板、復合帶、錠坯等作為二次加工成零件的原料。（2）液態(tài)法28（3）反應自生成法在基體金屬內(nèi)部通過加入合金元素，或通入反應氣體，在液態(tài)金屬內(nèi)部反應，產(chǎn)生微小的固態(tài)增強相，一般是金屬間化合物TiC、TiB2、Al2O3等微粒起增強作用。反應自生成法制備的復合材料中的增強體不是外加的而是在高溫下金屬基體中不同元素反應生成的化合物，與合金有良好的相容性。（3）反應自生成法29粉末冶金法粉末冶金成型主要包括混合、成型、燒結(jié)三個過程，既可適用于連續(xù)、長纖維增強，又可用于短纖維、顆?；蚓ы氃鰪姷慕饘倩鶑秃喜牧?。粉末冶金法工藝的關鍵是合金粉末和增強物（顆粒或晶須）混合均勻。粉末冶金法粉末冶金成型主要包括混合、成型、燒結(jié)三個過程，既可30粉末冶金法的主要優(yōu)點：增強體與基體合金粉末有較寬的選擇范圍，顆粒的體積分數(shù)可以任意調(diào)整；并可不受到顆粒的尺寸與形狀限制；可以實現(xiàn)制件的少無切削或近凈成型。不足之處：制造工序繁多，工藝復雜，制造成本較高，內(nèi)部組織不均勻，存在明顯的增強相富集區(qū)和貧乏區(qū)，不易制備形狀復雜、尺寸大的制件。粉末冶金法的主要優(yōu)點：增強體與基體合金粉末有較寬的選擇范圍，31擴散粘結(jié)法擴散粘結(jié)是一種在加壓狀態(tài)下，通過固態(tài)焊接工藝，使同類或不同類金屬在高溫下互擴散而粘結(jié)在一起。擴散粘結(jié)法擴散粘結(jié)是一種在加壓狀態(tài)下，通過固態(tài)焊接工藝，使同32真空壓力浸漬法真空壓力浸漬法是在真空和高壓惰性氣體共同作用下，將液態(tài)金屬壓入增強材料制成的預制件孔隙中，制備金屬基復合材料制品的方法。兼?zhèn)湔婵战n和壓力浸漬的優(yōu)點。真空壓力浸漬法主要在真空壓力浸漬爐中進行，金屬熔體進入預制件有三種方式：底部壓入式、頂部注入式和頂部壓入式。真空壓力浸漬法真空壓力浸漬法是在真空和高壓惰性氣體共同作用下33第六章-金屬基復合材料的制備課件34真空壓力浸漬法的工藝過程：先將增強材料預制件放入模具，基體金屬裝入坩堝；然后將裝有預制件的模具和裝入基體金屬的坩堝分別放入浸漬爐的預熱爐和熔化爐內(nèi)，密封和緊固爐體，將預制件模具和爐腔抽真空；當爐腔內(nèi)達到預定真空度后開始通電加熱預制件和熔化金屬基體?？刂萍訜徇^程使預制件和熔融基體達到預定溫度，保溫一定時間，提升坩堝，使模具升液管插入金屬熔體，通入高壓惰性氣體，在真空和惰性氣體高壓的共同作用下，液態(tài)金屬浸入預制件中形成復合材料。降下坩堝，接通冷卻系統(tǒng)，待完全凝固后，即可從模具中取出復合材料零件或坯料。真空壓力浸漬法的工藝過程：35真空壓力浸漬法工藝過程的關鍵是預制件的制備和工藝參數(shù)的控制。主要工藝參數(shù)：熔體溫度、預制件預熱溫度、壓力、冷卻速率等。真空壓力浸漬法工藝過程的關鍵是預制件的制備和工藝參數(shù)的控制。36共噴沉積法是制造各種顆粒增強金屬基復合材料的有效方法。共噴沉積法就是運用特殊的噴嘴，將液態(tài)金屬基體通過惰性氣體流的作用后霧化成細小的液態(tài)金屬流，將增強相顆粒加入到霧化的金屬流中，與金屬液滴混合在一起并沉積在襯底上，凝固形成金屬基復合材料的方法。可直接制成錠坯、板坯、管子等。共噴沉積法是制造各種顆粒增強金屬基復合材料的有效方法。可直接37共噴沉積法的過程:基體金屬熔化；液態(tài)金屬霧化；顆粒噴射加入及金屬霧化流與顆粒混合；沉積和凝固。液態(tài)金屬霧化是關鍵工藝，液態(tài)全屬霧化液滴的大小和尺寸分布、液滴的冷卻速率影響復合材料的最后性能。其它工藝參數(shù)：熔融金屬溫度、惰性氣體壓力、流量和速度、顆粒加入速率、沉積底板溫度等。共噴沉積法的過程:38擠壓鑄造法擠壓鑄造法是大批量、高效率生產(chǎn)短纖維、晶須、顆粒增強金屬基復合材料零件的方法。擠壓鑄造是通過壓機將液態(tài)金屬壓入增強材料預制件中制造復合材料的方法。工藝過程：先將增強材料按照設計要求制成一定形狀的預制件，經(jīng)干燥預熱后放入同樣預熱的模具中，澆鑄入熔融金屬，用壓頭加壓，使液態(tài)金屬浸滲入預制件，并在壓力下凝固。擠壓鑄造法擠壓鑄造法是大批量、高效率生產(chǎn)短纖維、晶須、顆粒增39擠壓鑄造中，預制件的制造是其中的關鍵。擠壓鑄造中，預制件的制造是其中的關鍵。40液態(tài)金屬攪拌鑄造法金屬攪拌鑄造法是一種適合于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)顆粒增強金屬基復合材料的主要方法。工藝過程：將增強物顆粒直接加入金屬熔體中，通過對處于熔化或半熔化狀態(tài)的金屬液進行強烈的機械攪拌，使顆粒均勻分散，然后澆鑄成型制成復合材料制品的方法。液態(tài)金屬攪拌鑄造法金屬攪拌鑄造法是一種適合于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)顆粒41液態(tài)金屬攪拌法生產(chǎn)顆粒增強金屬基復合材料的主要困難和解決途徑。兩個主要困難：一是顆粒如何與金屬熔體均勻混合，并防止團聚；二是強烈攪拌容易造成金屬熔體氧化和大量吸氣。解決途徑：①在金屬熔體中添加合金元素改善增強顆粒與金屬熔體的浸潤性；②顆粒增強物表面處理；③復合過程的氣氛控制；④有效的機械攪拌。液態(tài)金屬攪拌法生產(chǎn)顆粒增強金屬基復合材料的主要困難和解決途徑42反應自生成法增強材料是由加入基體中的相應元素之間的反應、合金熔體中的某種組分與加入的元素或化合物之間反應生成的。反應自生成法主要用于制造金屬間化合物復合材料，有固態(tài)和液態(tài)自生成兩種方法。與傳統(tǒng)的外生復合材料相比，該法的優(yōu)點：①自生增強相在基體中熱力學上是穩(wěn)定的，這樣在高溫使用時性能降低少；②增強相與基體的界面清潔，界面結(jié)合力強；③自生增強粒子尺寸細小、在基體中分布均勻，力學性能好。反應自生成法增強材料是由加入基體中的相應元素之間的反應、合金43第四節(jié)金屬基納米復合材料制備技術金屬材料一般具有良好的塑性和延展性，同時具有多種相變特性。（1）快速凝固與大變形結(jié)合法基本原理：將一定成分的合金通過快速凝固的方法獲得含有細小第二相的粉末，然后通過一定溫度下變形獲得納米增強相的金屬基復合材料。例：Al-Ni-Mn系（代表組成為Al83Ni3Mn3Zr1）：先利用氬氣噴霧法制成粒徑小于72μm的球形粉末，再通過真空脫氣、封裝，最后在400℃左右以擠壓比大于10擠壓成直徑20~100mm的材料。該材料組織為30~50nm的Al3Ni和直徑約10nm的Al11Mn2均勻分散于Al的母相中的納米復合相。第二相的體積分數(shù)約為30%~40%。第四節(jié)金屬基納米復合材料制備技術金屬材料一般具有良好的塑44第六章-金屬基復合材料的制備課件45第六章-金屬基復合材料的制備課件46第六章-金屬基復合材料的制備課件47第六章-金屬基復合材料的制備課件48第六章-金屬基復合材料的制備課件49本章參考資料1.于化順，金屬基復合材料及其制備技術[M]，北京：化學工業(yè)出版社，2006本章參考資料50第六章金屬基復合材料的制備主要內(nèi)容：第一節(jié)概述第二節(jié)金屬基復合材料的基體和增強體第三節(jié)金屬基復合材料的制備技術第四節(jié)金屬基納米復合材料制備技術第六章金屬基復合材料的制備主要內(nèi)容：51第一節(jié)概述

一、復合材料的定義和分類1、復合材料的定義復合材料：是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料通過先進的材料制備技術組合而成的性能優(yōu)異的新材料。一般定義的復合材料需滿足的條件（P97）第一節(jié)概述

一、復合材料的定義和分類1、復合材料的定義52一般來說，復合材料由基體和增強材料組成。增強材料是復合材料的主要承力組分．特別是拉伸強度、彎曲強度利沖擊強度等力學性能主要由增強材料承擔；基體的作用是將增強材料黏合成一個整體，起到均衡應力和傳遞應力的作用，使增強材料的性能得到充分發(fā)揮，從而產(chǎn)生一種復合效應，使復合材料的性能大大優(yōu)于單一材料的性能。復合材料的性能主要取決于：①基體的性能；②增強材料的性能；③基體與增強材料之間的界面性能。一般來說，復合材料由基體和增強材料組成。增強材料是復合材料的532、復合材料的分類由于基體材料和增強材料不同，增強材料形態(tài)不同，復合方式及復合效果不同，其分類方法很多。(1)按用途分類分為結(jié)構(gòu)復合材料和功能復合材料。(2)按基體材料的類型分：樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料。2、復合材料的分類54(3)按增強材料類型分類：無機非金屬增強復合材料，如碳纖維增強復合材料、硼碳纖維增強復合材料等；金屬增強復合材料，如鎢絲增強高溫合金復合材料、鐵絲增強樹脂基復合材料等；有機纖維增強復合材料，如芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料等。(4)按增強材料形態(tài)及分布方式分類分為顆粒增強復合材料、連續(xù)纖維增強復合材料（包括單向纖維、二向織物層合等）、短纖維增強復合材料、晶須增強復合材料、薄片增強復合材料等.(3)按增強材料類型分類：無機非金屬增強復合材料，如碳纖維553、金屬基復合材料（MMC）的特點與分類（MMC，metalmatrixcomposite）金屬基復合材料是以金屬及合金為基體的復合材料。金屬基復合材料的特點：金屬基復合材料既保持了金屬本身的特性，又具有復合材料的綜合特性。通過不同基體和增強物的優(yōu)化組合，可獲得各種高性能的復合材料，具有各種特殊性能和優(yōu)異的綜合性能。3、金屬基復合材料（MMC）的特點與分類（MMC，metal56金屬基復合材料的分類(1)按基體材料類型分類有鋁基、鎂基、鋅基、銅基、鉛基、鎳基、耐熱金屬基、金屬間化合物基等復合材料。為了提高材料的比強度和比剛度，通常以密度較低的輕金屬及其合金為主，即鋁、鎂、鈦及其合金。以鋁或鎂為基體的復合材料性能相近，但鎂基材料的加工工藝更復雜，而且抗腐蝕性能很差，所以目前以研制鋁基材料為主。(2)按增強材料類型分類分為連續(xù)纖維增強金屬基復合材料；非連續(xù)纖維增強金屬基復合材料（包括顆粒、短纖維、晶須增強金屬基復合材料）；自生增強金屬基復合材料（包括反應自生和定向自生、大變形）；層板金屬基復合材料。金屬基復合材料的分類574、金屬基復合材料的性能特點與應用性能特點：（1）與金屬材料相比，具有更高的比強度、比模量；加入30%~50%的高性能纖維作為復合材料的主要承載體，復合材料的比強度、比模量成倍地高于基體合金的比強度和比模量。4、金屬基復合材料的性能特點與應用性能特點：58第六章-金屬基復合材料的制備課件59（2）導熱、導電性能好；（3）線脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好；（4）高溫性能好，使用溫度范圍大（5）耐磨性好（6）疲勞性能和斷裂韌性良好（7）不吸潮、不老化、氣密性好（8）二次加工性較好（2）導熱、導電性能好；60金屬基復合材料的缺點：與樹脂基復合材料相比，生產(chǎn)成形工藝要困難得多，很容易形成脆性界面層；與金屬材料相比，伸長率、斷面收縮率和斷裂韌性都很低，還有一個容易分層問題。金屬基復合材料的缺點：61金屬基復合材料的應用：航空、航天、先進武器、電子、汽車等領域。金屬基復合材料的應用：航空、航天、先進武器、電子、汽車等領域62第二節(jié)金屬基復合材料的基體和增強體一、金屬基復合材料的基體1、金屬基體的選擇原則首先，金屬基復合材料構(gòu)（零）件的使用性能要求是選擇金屬基體的最重要依據(jù)。其次，根據(jù)金屬基復合材料的組成特點，在基體材料的選擇原則上也有差別。對于連續(xù)纖維增強金屬基復合材料，不要求基體有很高的強度；對于非連續(xù)增強金屬基復合材料（顆粒、晶須、短纖維），基體承擔主要載荷，要求高強度。最后，需考慮金屬基體與增強材料的界面狀態(tài)和相容性。第二節(jié)金屬基復合材料的基體和增強體一、金屬基復合材料的基63結(jié)構(gòu)復合材料的金屬基體用于各種航空、航天、汽車、先進武器等結(jié)構(gòu)件的復合材料一般都要求有高的比強度和比剛度，有高的結(jié)構(gòu)效率，因此，大多選用鋁及鋁合金和鎂及鎂合金作為基體。鋁、鎂復合材料只能在低于450℃使用。在發(fā)動機、特別是燃氣輪機中需要的是耐熱結(jié)構(gòu)材料，要求復合材料零件在高溫下連續(xù)安全工作，工作溫度在650~1200℃左右，復合材料應有良好的抗氧化、抗蠕變、耐疲勞和良好的高溫力學性能。鈦合金基復合材料可用到650℃，而鎳、鈷基復合材料可用到1200℃以下，正在研究發(fā)展中的金屬間化合物基復合材料可在更高溫度下使用。結(jié)構(gòu)復合材料的金屬基體64基體與增強體的界面狀態(tài)和相容性在金屬基復合材料制備過程中，金屬基體與增強體在高溫復合過程中會發(fā)生不同程度的界面反應，生成脆性反應產(chǎn)物，基體金屬中含有的不同類型的合金元素也會與增強體發(fā)生不同程度的反應，生成各類反應產(chǎn)物，這些產(chǎn)物往往對性能有害，這也就是常說的基體與增強體的化學相容性不好，需在選用基體合金時充分考慮，盡可能選擇既有利于基體與增強體潤濕復合，又有利于形成合適的、穩(wěn)定的界面的合金元素。基體與增強體的界面狀態(tài)和相容性65二、金屬基復合材料的增強體對于金屬基復合材料，由于制備、加工溫度高，大部分加工工藝在基體金屬熔融態(tài)進行，為了避免基體與增強體的界面反應、溶解，并使其有良好的濕潤性，增強材料不僅要有良好的力學性能（高強度、高模量），而且要有高的熔點、高的化學穩(wěn)定性和良好的高溫性能穩(wěn)定性。某些常用的樹脂基復合材料的增強材料，如玻璃纖維、各種有機纖維等不適合于作為金屬基復合材料增強體。就金屬基復合材料的增強材料而言，主要是陶瓷材料和高熔點金屬材料。二、金屬基復合材料的增強體66纖維增強體主要有碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等；晶須增強體主要有SiC、Al2O3晶須等；顆粒增強體主要有碳化物（如SiC、TiC、NbC等）、碳化物（如SiC、TiC、NbC等）、氧化物（如Al2O3等）、氮化物（如Si3N4、AlN等）、硼化物（如TiB2等）纖維增強體主要有碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等；67第六章-金屬基復合材料的制備課件68增強體的表面處理方法目的：提高增強體（如纖維）與金屬間的潤濕性或者抑制其高溫時的界面反應。以改善潤濕性為主要目的的表面處理的原理是去除增強體表面雜質(zhì)（如吸附的氣體及雜質(zhì)、表面氧化膜等）、提高表面粗糙度、改變表面成分使之產(chǎn)生反應性潤濕或溶解潤濕，以及提高增強體的表面能。增強體的表面處理方法69潤濕性（或浸潤性）概念潤濕：是指液體在分子力的作用下沿固體表面流散的現(xiàn)象。表示潤濕性程度的參數(shù)——接觸角θ(也稱潤濕角)接觸角：是氣-液界面通過液體與固-液界面所夾的角。接觸角是三個張力共同作用達平衡的結(jié)果θθθ<90o,潤濕性好θ>90o,潤濕性差潤濕性（或浸潤性）概念θθθ<90o,潤濕性好θ>90o,潤70潔凈增強體表面方法主要有物理清洗（如超聲清洗、真空處理、高溫加熱、真空加熱）和化學清洗等；提高表面粗糙度的方法主要有機械、電化學、腐蝕等；改變表面化學成分產(chǎn)生反應性潤濕或溶解潤濕的主要方法有表面金屬化處理、高溫氧化等，如將SiC在高溫下氧化，使表面生成一薄層SiO2可顯著改善SiC/Al的潤濕性，碳纖維表面進行Mg、Sn、Na、Ti等處理可顯著改善Cf/Al的潤濕性；提高增強體的表面能的的方法主要是對增強體表面進行涂覆處理，如碳纖維表面涂覆TiN、TiB，硼纖維表面涂覆B4C等。潔凈增強體表面方法主要有物理清洗（如超聲清洗、真空處理、高溫71以改善化學相容性為目的的表面處理原理是在增強體與基體間建立一屏障，抑制兩側(cè)原子的直接接觸、阻礙原子擴散，抑制有害界面反應的進行，其有效途徑是表面涂覆，具體的方法主要有干法的CVD法和PVD法，濕法的電鍍法和非電鍍法，還有等離子噴涂、火焰噴涂和電弧噴涂等噴涂法。以改善化學相容性為目的的表面處理原理是在增強體與基體間建立一72基礎理論方面實際應用方面界面設計與控制、性能的穩(wěn)定性和可靠性、壽命預測、設計理論與設計方法等。價格性能的穩(wěn)定性和可靠性認識三、金屬基復合材料目前存在的主要問題基礎理論方面界面設計與控制、價格三、金屬基復合材料目前存在的73第三節(jié)金屬基復合材料的制備技術一、金屬基復合材料制備技術的選擇1、制備技術選用的原則①制造過程中要使增強物按設計要求在金屬基體中均勻分布。如連續(xù)纖維的分布及方向，一定的體積分數(shù)等，顆粒、晶須、短纖維等均勻分布于基體中。②制造過程不造成增強物和金屬基體原有性能的下降，特別是避免高性能連續(xù)纖維的損傷，使增強物和金屬的優(yōu)良性能得以疊加和互補。③制造過程中應避免各種不利的反應發(fā)生，如基體金屬的氧化、基體金屬與增強物之間的界面反應等。要求通過合理選擇工藝參數(shù)獲得合適的界面結(jié)構(gòu)和性能，使增強物的性能和增強效得以充分發(fā)揮，以及金屬基復合材料組織性能的穩(wěn)定。④制造方法應適合于批量生產(chǎn)，盡可能直接制成接近最終形狀尺寸的金屬基復合材料的零件。第三節(jié)金屬基復合材料的制備技術一、金屬基復合材料制備技術742、金屬基復合材料制造的難點及解決的途徑（1）主要困難a．金屬基復合材料在高溫制造時將發(fā)生嚴重的界面反應、氧化反應等有害的化學反應。嚴格控制界面反應是制備高性能金屬基復合材料的關鍵。b.金屬基體與增強體之間浸潤性差，甚至不浸潤。c.將增強體按設計要求的含量、分布、方向均勻地分布在金屬基體中。（2）解決途徑a．增強體的表面處理b.加入合適的合金元素，優(yōu)化基體合金成分。

金屬基復合材料中基體和增強材料的性能各異，使其復合加工較為困難，這也是金屬基復合材料品種較少、價格較貴的主要原因。2、金屬基復合材料制造的難點及解決的途徑（1）主要困難753、金屬基復合材料制備工藝分類金屬基復合材料的制備方法分為以下三大類。（1）固態(tài)法基體處于固態(tài)下制造金屬基復合材料的方法。在整個制造過程中，溫度控制在基體合金的液相線和固相線之間。使整個反應控制在較低溫度，盡量避免金屬基體和增強材料之間的界面反應。3、金屬基復合材料制備工藝分類金屬基復合材料的制備方法分為以76先將金屬粉末或金屬箔與增強體(纖維、晶須、顆粒等)以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再經(jīng)加熱、加壓，將金屬基體與增強體復合粘結(jié)在一起形成復合材料。包括粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、擠壓法、拉拔法、爆炸焊接法等。先將金屬粉末或金屬箔與增強體(纖維、晶須、顆粒等)以一定的含77（2）液態(tài)法基體處于熔融狀態(tài)下制造金屬基復合材料的方法。液態(tài)法的關鍵是有效控制界面反應。為了減少高溫下基體和增強材料之間的界面反應，提高基體對增強材料的浸潤性，通常采用加壓滲透、增強材料表面處理、基體中添加合金元素等方法。液態(tài)法包括真空壓力浸漬法、擠壓鑄造法、真空吸鑄、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、共噴沉積法、熱噴涂法等。液態(tài)法可用來直接制造復合材料零件，也可用來制造復合板、復合帶、錠坯等作為二次加工成零件的原料。（2）液態(tài)法78（3）反應自生成法在基體金屬內(nèi)部通過加入合金元素，或通入反應氣體，在液態(tài)金屬內(nèi)部反應，產(chǎn)生微小的固態(tài)增強相，一般是金屬間化合物TiC、TiB2、Al2O3等微粒起增強作用。反應自生成法制備的復合材料中的增強體不是外加的而是在高溫下金屬基體中不同元素反應生成的化合物，與合金有良好的相容性。（3）反應自生成法79粉末冶金法粉末冶金成型主要包括混合、成型、燒結(jié)三個過程，既可適用于連續(xù)、長纖維增強，又可用于短纖維、顆?；蚓ы氃鰪姷慕饘倩鶑秃喜牧?。粉末冶金法工藝的關鍵是合金粉末和增強物（顆粒或晶須）混合均勻。粉末冶金法粉末冶金成型主要包括混合、成型、燒結(jié)三個過程，既可80粉末冶金法的主要優(yōu)點：增強體與基體合金粉末有較寬的選擇范圍，顆粒的體積分數(shù)可以任意調(diào)整；并可不受到顆粒的尺寸與形狀限制；可以實現(xiàn)制件的少無切削或近凈成型。不足之處：制造工序繁多，工藝復雜，制造成本較高，內(nèi)部組織不均勻，存在明顯的增強相富集區(qū)和貧乏區(qū)，不易制備形狀復雜、尺寸大的制件。粉末冶金法的主要優(yōu)點：增強體與基體合金粉末有較寬的選擇范圍，81擴散粘結(jié)法擴散粘結(jié)是一種在加壓狀態(tài)下，通過固態(tài)焊接工藝，使同類或不同類金屬在高溫下互擴散而粘結(jié)在一起。擴散粘結(jié)法擴散粘結(jié)是一種在加壓狀態(tài)下，通過固態(tài)焊接工藝，使同82真空壓力浸漬法真空壓力浸漬法是在真空和高壓惰性氣體共同作用下，將液態(tài)金屬壓入增強材料制成的預制件孔隙中，制備金屬基復合材料制品的方法。兼?zhèn)湔婵战n和壓力浸漬的優(yōu)點。真空壓力浸漬法主要在真空壓力浸漬爐中進行，金屬熔體進入預制件有三種方式：底部壓入式、頂部注入式和頂部壓入式。真空壓力浸漬法真空壓力浸漬法是在真空和高壓惰性氣體共同作用下83第六章-金屬基復合材料的制備課件84真空壓力浸漬法的工藝過程：先將增強材料預制件放入模具，基體金屬裝入坩堝；然后將裝有預制件的模具和裝入基體金屬的坩堝分別放入浸漬爐的預熱爐和熔化爐內(nèi)，密封和緊固爐體，將預制件模具和爐腔抽真空；當爐腔內(nèi)達到預定真空度后開始通電加熱預制件和熔化金屬基體?？刂萍訜徇^程使預制件和熔融基體達到預定溫度，保溫一定時間，提升坩堝，使模具升液管插入金屬熔體，通入高壓惰性氣體，在真空和惰性氣體高壓的共同作用下，液態(tài)金屬浸入預制件中形成復合材料。降下坩堝，接通冷卻系統(tǒng)，待完全凝固后，即可從模具中取出復合材料零件或坯料。真空壓力浸漬法的工藝過程：85真空壓力浸漬法工藝過程的關鍵是預制件的制備和工藝參數(shù)的控制。主要工藝參數(shù)：熔體溫度、預制件預熱溫度、壓力、冷卻速率等。真空壓力浸漬法工藝過程的關鍵是預制件的制備和工藝參數(shù)的控制。86共噴沉積法是制造各種顆粒增強金屬基復合材料的有效方法。共噴沉積法就是運用特殊的噴嘴，將液態(tài)金屬基體通過惰性氣體流的作用后霧化成細小的液態(tài)金屬流，將增強相顆粒加入到