金屬基復合材料的部分應用-李豐

課程：金屬基復合材料教師：崔巖教授組員：李豐、劉園園班級：機研-14主講：李豐金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用and其他工業(yè)的應用0102金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇目錄其他工業(yè)的應用篇1、內燃機方面2、制動系統(tǒng)3、傳動系統(tǒng)4、其他應用1、電力行業(yè)2、體育用品3、電子和光學儀器4、其他領域汽車工業(yè)應用金屬基復合材料的應用金屬基復合材料用于汽車工業(yè)主要是顆粒增強和短纖維增強的鋁基、鎂基、鈦合金等有色合金基復合材料。由于鋁合金、鎂合金等是傳統(tǒng)的輕質材料，隨著汽車輕量化進程的不斷推進和科學技術的日益進步，將來在汽車工業(yè)中采用鋁合金、鎂合金的要求越來越高，要求其具有良好的耐磨、抗腐蝕、耐熱和尺寸穩(wěn)定性，并且要求質量更輕，強度、剛度更高。金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·內燃機方面活塞01、活塞是汽車發(fā)動機中傳遞能量的一個非常重要的構件02、工作條件：高溫高壓及高應力狀態(tài)，并與活塞環(huán)、氣缸壁之間不斷產(chǎn)生摩擦，潤滑條件不充分，工作條件極其惡劣。03、傳統(tǒng)材料：鋁硅合金/鑄鐵活塞環(huán)活塞活塞銷金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·內燃機方面活塞04、隨著發(fā)動機向大功率、高速度、低能耗的方向發(fā)展,對活塞材料提出了越來越高的要求。日本豐田汽車公司5%氧化鋁短纖維局部增強鋁合金活塞質輕，耐磨性好（磨損減少1/5），高溫強度高，熱穩(wěn)定性和導熱性好，壽命提高。（與鋁合金活塞相比）美國的活塞制造廠家陶瓷纖維增強鑲環(huán)重量減輕，滿足性能要求，可消除由于熱循環(huán)應力，塑性變形和蠕變引起的熱疲勞裂紋，提高發(fā)動機效率。（與高鎳鑄鐵鑲環(huán)活塞相比）日本馬自達多孔性鎳泡沫體增強SL3.5L直噴式渦輪增壓柴油機活塞的第一道環(huán)槽部分發(fā)動機功率提高了10%，磨損減少了20%，重量減輕10%。（與鑲奧氏體鑄鐵圈活塞相比）美國AtlanticRichfield公司真空熱壓碳化硅顆?；蚓ы氃鰪姷匿X基復合材料活塞耐熱性，耐磨性和強度非常好（裝機試車試驗）活塞鑲環(huán)部分應用實例金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·內燃機方面活塞1986年日本豐田汽車公司生產(chǎn)的陶瓷纖維增強復合材料月產(chǎn)量可達28000多件，年產(chǎn)量相當于35萬件，并在市場上已知公開銷售這種活塞。日本Art金屬制造公司于1986年投產(chǎn)了一條缸徑在200mm以下的發(fā)動機復合材料活塞專用生產(chǎn)線，當年月產(chǎn)量10萬只，供應豐田公司，并努力向世界范圍擴展。市場供應日本豐田汽車豐田汽車活塞配件金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·內燃機方面缸體及缸套01、用MMC生產(chǎn)內燃式發(fā)動機缸體具有很大的技術意義,因為這一部件的世界年銷售量很大,MMC用于這一部件的突破預示它作為大工業(yè)主體材料時代的到來。02、性能要求：由于氣缸承受高溫載荷，需要具備抗磨損、耐擦傷、耐疲勞和抗蠕變等各種性能。發(fā)動機缸體發(fā)動機缸套金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·內燃機方面缸體及缸套03、實驗表明采用含量為10%~20%氧化鋁或碳化硅非連續(xù)增強鋁基復合材料涂層制造缸套，可減少質量3~4.5Kg，并可提高發(fā)動機工作效率，改善熱傳導，提高缸體剛性和尺寸穩(wěn)定性，減少摩擦。

鑄鐵發(fā)動機氣缸體/套金屬基復合材料氣缸體/套

發(fā)展歷程過共晶鋁硅合金氣缸體/套鋁合金氣缸體，鑄鐵氣缸套（重量減輕許多）（生產(chǎn)率低而生產(chǎn)成本高）（缸體內徑部位得到增強）金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·內燃機方面缸體及缸套日本本田公司12%氧化鋁短纖維和9%碳纖維增強的鋁基MMC（16氣門、排量2L的Preluda發(fā)動機缸體）減少質量，提高耐磨性，提高發(fā)動機輸出功率，降低油耗。（與鑄鐵缸套的鋁缸體相比）初代的本田Prelude的1.8L排量的EK型發(fā)動機日本本田氣缸體金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·內燃機方面01、連桿是發(fā)動機的運動件,減輕其重量就能降低發(fā)動機噪聲和振動;減小其摩擦損失,發(fā)動機燃油消耗率就能得到改善。發(fā)動機活塞連桿連桿金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·內燃機方面美國杜邦公司與克萊斯勒公司碳化硅纖維增強鋁鋰合金基汽車連桿密度小，強度好，膨脹系數(shù)低，其剛度、強度和疲勞極限都能夠滿足高性能汽車的材質要求，且使用這種連桿可以提高發(fā)動機的效率。日本本田研究開發(fā)中心不銹鋼增強鐵基合金連桿質量減少30%，應用于家庭轎車上，提高了發(fā)動機功率和燃油經(jīng)濟性。日本豐田汽車和美國杜邦公司連續(xù)氧化鋁纖維增強復合材料連桿（應用到FX-1實驗賽車上）比剛連桿重量減輕1/3，而且還可提高燃油利用率，減少發(fā)動機的震動，是發(fā)動機具有更快的反應特性。日本Mazda公司氧化鋁/鋁合金復合材料連桿重量輕，比鋼質連桿輕35%，抗拉強度和疲勞強度高，分別為560MPa和392MPa。而且線性膨脹系數(shù)小，可滿足兩岸工作時性能要求。豐田86漂移賽車發(fā)動機連桿金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·內燃機方面搖臂01、轎車發(fā)動機中的搖臂是主要的運動部件之一，因此減小它的質量對節(jié)省燃油，提高燃油效率，減少排放具有非常積極的意義，它的頭部要求有良好的耐磨性。發(fā)動機搖臂金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·內燃機方面搖臂02、日本采用鋁合金上鑲嵌硬質合金頭的技術，與鋼搖臂相比，既減小了質量，也滿足了耐磨的要求。而采用鋁基復合材料搖臂，質量將更小，優(yōu)異的耐磨性能可提高搖臂的工作效率和工作壽命，較小的質量可使搖臂的運動慣性減小，節(jié)省了燃油，提高了發(fā)動機的燃油效率，降低了排放。發(fā)動機搖臂金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·內燃機方面搖臂03、典型的金屬基復合材料——硬質合金硬質合金是指以一種或幾種難熔碳化物（如碳化鎢、碳化鈦等）的粉末為主要成分，加人起粘結作用的金屬鈷粉末，用粉末冶金法制得的材料。

04、硬質合金的性能特點硬質合金硬度極高，高于任何一種鋼，且熱硬性、耐磨性好，一般做成刀片，鑲在刀體上使用。脆性大。金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·內燃機方面搖臂硬質合金刀具金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·制動系統(tǒng)制動盤01、制動盤一直都是用鑄鐵或鍛鋼制造的,鑄鐵耐磨性好、熱穩(wěn)定性高,但密度很大,而對于制動盤往往希望能減小其質量,當然減小質量的同時還必須具有很高的耐磨性,輕合金材料(如鋁合金)顯然是無法勝任的,也就使得用鋁基MMC作替代材料非常具有吸引力。制動盤金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·制動系統(tǒng)制動盤1995年福特和豐田公司開始使用Duralcan公司鑄造的20%SiC顆粒增強鋁基MMC制動盤研究表明,將非連續(xù)增強鋁基復合材料(DRA)用于制動盤,可以減小質量50%~60%,鑄鐵制動盤約5.4Kg，而DRA制動盤只有2.5Kg，減少了慣性力，提高了燃料效率，提高了加速度，縮短了制動距離。用359/20%（體積百分比）SiCp鋁基復合材料制成的制動盤，制動試驗和5000Km試車證明DRA制動盤還可降低噪聲，磨損不大于鑄鐵制動盤，且由于DRA制動盤有極好的導熱性，因此，它能使摩擦面上的熱量很快失散。美國FORD公司研制成制動盤產(chǎn)品，所用材料為20%(體積分數(shù))SiCp/A356，批量用于高級轎車(LincolnTownCar)的后輪上Lotus公司將鋁基復合材料應用于Elise(一種低排量運動轎車)的前后輪制動盤上Lanxide公司生產(chǎn)的顆粒增強鋁基復合材料汽車制動盤已于1996年投入生產(chǎn)德國、日本等研制的鋁基復合材料高速列車制動盤，已在火車、地鐵、城郊列車等線路上應用LotusElise跑車金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·制動系統(tǒng)制動盤制動盤性能對比C/C復合材料作為剎車盤02、我國中南大學的黃伯云院士制備C/C復合材料已經(jīng)應用了剎車盤。金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·傳動系統(tǒng)離合器/傳動軸01、汽車靠離合器摩擦盤來傳遞動力,離合器的使用壽命,主要取決于從動盤摩擦片的耐磨性,鋁基復合材料的耐磨性,導熱性好,可用它來做離合器摩擦片。02、汽車傳動軸是由管材制造的,它將動力傳遞到減速器,工作時要求有極高的動力穩(wěn)定性和抗扭曲能力,發(fā)生動力學不穩(wěn)定的臨界轉速w取決于軸尺寸和管材的剛度和密度。離合器傳動軸金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·傳動系統(tǒng)離合器/傳動軸標致公司用碳纖維來增加傳動軸的剛性福特和Ibdge

Vam公司利用20%~30%的碳化硅增強鋁基材料達到以上同樣效果。Dural公司用攪拌熔鑄法制備高剛度的氧化鋁增強鋁基復合材料，與鋼傳動軸相比，不穩(wěn)定臨界速度提高14%03、MMCs管材由MMSc鑄錠無縫接擠壓法制造。金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·其他應用其他應用01、MMC用于制造汽車零件的實例還有很多,例如用石墨纖維增強的MMC制造推桿、缸蓋、凸輪軸支架、進氣門、彈簧座、活塞環(huán)等多種汽車零件。石墨-鋁基MMC在中等載荷和油潤滑條件下可以代替銅基和錫基軸承合金制作軸承,其質量減小,耐磨性又好?？梢灶A期,今后MMC在汽車生產(chǎn)中的應用范圍一定會不斷擴大。軸承缸蓋彈簧座其他工業(yè)應用金屬基復合材料的應用金屬基復合材料還用于制造高爾夫球桿頭,自行車鏈輪以及醫(yī)療上的假肢等等。近年來,金屬基復合材料在電力行業(yè)、體育用品、電子與光學儀器及其他領域均有應用，其應用范圍將不斷擴大，在未來一段時間內將有顯著的發(fā)展趨勢。高爾夫球桿自行車鏈輪金屬基復合材料的應用其他工業(yè)的應用篇·電力行業(yè)電力行業(yè)01、為支撐傳統(tǒng)的高架輸電用鋼芯鋁絞線的質量,需要造昂貴的輸電塔,這促使人們開發(fā)高強、低密度導線。據(jù)報道,3M公司開發(fā)的氧化鋁纖維增強鋁基MMCs(Al/Saffil)導線,用于取代現(xiàn)有鋁絞線的鋼芯,經(jīng)測試比強度提高2~3倍,電導提高4倍,熱膨脹降低一半,腐蝕性也降低。雖然新型MMCs導線的價格較貴,但是可以降低建造支撐塔成本的15%~20%,并且可以提高輸電能力并降低電耗。02、法國的EDF公司和美國的3M公司聯(lián)合研制的一種新型纖維增強鋁基復合材料導線，因其導電性好，環(huán)境適應性好，耐腐蝕特點在電力傳輸方面應用前景良好。電線金屬基復合材料的應用其他工業(yè)的應用篇·電力行業(yè)電力行業(yè)Saffil纖維增強鋁基輸電線纜（a）、輸電塔（b）各種輸電導線金屬基復合材料的應用其他工業(yè)的應用篇·體育用品體育用品01、自從1979年第一個碳纖維復合材料網(wǎng)球拍在臺灣誕生以來,幾乎所有的體育器件(如釣魚桿、高爾夫球桿、自行車、滑雪板)都在更換材料,即采用高強度、高模量又低密度的復合材料代替原先的木材和金屬材料。加拿大的lAcan公司已用碳化硅顆粒增強鋁基復合材料成功地制造了高爾夫球桿試制品以及網(wǎng)球拍等高級體育用品。滑雪板釣魚竿金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·體育用品02、Duralcan公司己研制的碳化硅鋁基復合材料,己用來制造自行車鏈齒輪,此種自行車鏈齒輪重量輕(只有127克)、剛度高、不易撓曲變形,性能明顯優(yōu)于鋁合金鏈齒輪,現(xiàn)己廣泛用于越野自行車賽車上。越野自行車體育用品金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·電子和光學儀器電子和光學儀器01、鋁基復合材料,特別是碳化硅增強鋁基復合材料,由于具有熱膨脹系數(shù)小、密度低、導熱性能好等優(yōu)點,適合于制造電子器材的襯裝材料、散熱片等電子器件。碳化硅增強的鋁基復合材料作為電子封裝材料己成為鋁基復合材料最重要的發(fā)展方向之一,最典型的材料是顆粒(碳化硅)增強鋁基復合材料,它的熱膨脹系數(shù)(CTE)完全可以與電子器件材料的熱膨脹相匹配,而且導電、導熱性能也非常好。02、BIM公司就是利用顆粒增強鋁基復合材料的上述性能優(yōu)點,在MCM,器件中使用該材料封裝和改進冷卻系統(tǒng)結構,使其工作時產(chǎn)生的熱量迅速擴散,提高了該元件的有效性。金屬基復合材料的應用汽車工業(yè)的應用篇·電子和光學儀器電子和光學儀器03、在精密儀器和光學儀器的應用研究方面,國外也進行了大量的工作。美國的亞利桑那大學研制了一種超輕望遠鏡,其支架和副鏡等也是鋁基復合材料制造的。此外,慣性導航系統(tǒng)的精密零件、旋轉掃描鏡、紅外觀測鏡、激光鏡、激光陀螺儀、反射鏡、鏡子底座和光學儀器托架等許多精密儀器和光學儀器,其制造材料也采用碳化硅顆粒增強鋁基復合材料顯微鏡望遠鏡金屬基復合材料的應用其他工業(yè)的應用篇·其他領域其他領域01、MMCs的其他領域的應用涵蓋制造業(yè)及基礎建設領域,既包括硬質合金、電鍍及燒結金剛石工具、Cu基及Ag基電觸頭材料等成熟市場,也包括TiC增強鐵基耐磨材料、B4C增強鋁基中子吸收材料等新興市場。這些新興市場的表現(xiàn)在很大程度上決定著MMCs的未來增長點。金屬基復合材料的應用其他工業(yè)的應用篇·其他領域其他領域02、鐵基復合材料的制備和應用是提高鋼鐵材料性能的重要研究方向。低密度、高剛度和高強度的增強體顆粒加入到鋼鐵基體中,在降低材料密度的同時,提高了它的彈性模量、硬度、耐磨性和高溫性能,可應用于切削、軋制、噴丸、沖壓、穿孔、拉拔、模壓成型等工業(yè)領域。目前應用最多的是TiC顆粒增強鐵基復合材料,例如注冊商標為Ferro-TiC,Alloy-TiC和Ferro-Titanit的鋼基硬質合金,用作抗磨材料和高溫結構材料,性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的工具鋼。超硬耐磨的TC增強鐵基復合材料金屬基復合材料的應用其他工業(yè)的應用篇·其他領域其他領域03、核能是世界各國應對能源和環(huán)境壓力的必然選擇。為確保安全,貯存及運輸高放射性廢核燃料的容器在核防護的同時還必須具有耐久可靠的機械性能。B4Cp/Al是一種新型MMCs,具有優(yōu)異的中子吸收性能,是唯一可用于廢核燃料貯存和運輸?shù)慕饘倩鶑秃喜牧?。目?已有BorTec,METAMIC和Talbor等多種B4Cp/Al材料獲得美國核能管理委員會(NRC)核準,可以用于制造核廢料貯存桶的中子吸收內膽、廢燃料棒貯存水池的隔板等。B4Cp/Al用于廢核燃料貯存（a）、貯存桶（b）金屬基復合材料的應用其他工業(yè)的應用篇·其他領域其他領域04、美國AlloyTechnologyInternational公司開發(fā)了熱等靜壓法制造TiC

復合材料。例如Cs-40是以含20%Cr的不銹鋼為基體,摻和45%(體積)TiC的復合材料,可以用于制造標準件、閥座和機械密封件。它在油中或惰性氣體下淬火,硬度達到HRC68,此類材料對食品加工所需要的環(huán)境具有良好的橫向破斷強度,可用作工具及承受很高的彎曲和拉伸應力的制品,最易切削加工,