第五章-金屬基復合材料

第五章金屬(jīnshǔ)基復合材料MMC科學是一門較新的材料科學。它的發(fā)展與航空航天、電子、汽車(qìchē)及先進武器系統(tǒng)的迅速發(fā)展對材料提出日益增高的性能要求密切相關(guān)。航天裝置越來越大，結(jié)構(gòu)的效率變得更為重要。這就要求采用高比強度、高比模量的輕質(zhì)材料。與傳統(tǒng)金屬材料相比，MMC具有高比強度、比剛度；與RMC相比，具有優(yōu)良的導電性與導熱性；與陶瓷材料性比，又有較高的韌性和較高的抗沖擊性能。共三十六頁5.1MMC的種類和基本(jīběn)性能5.1.1MMC分類(fēnlèi)1）按基體分類鋁基、鎳基、鈦基、鎂基……2）按增強材料分類顆粒增強、層狀MMC、纖維增強MMC。3）按用途分類結(jié)構(gòu)MMC、功能MMC。共三十六頁5.1.2MMC的性能(xìngnéng)特征MMC的性能取決于所選組分的特性、含量、分布等。通過優(yōu)化組合可以具有金屬特性，又有較好綜合性能的MMC。歸納起來MMC有以下(yǐxià)性能特點：高比強度、高比模量導熱、導電性能熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好良好的高溫性能耐磨性好良好的斷裂韌性和抗疲勞性能不吸潮、不老化、氣密性好共三十六頁

1）高比(ɡāobǐ)強度、高比(ɡāobǐ)模量高強度、高模量、低密度的增強纖維的加入，使MMC的比強度和比模量成倍地提高。例如：鋁合金的比強度為1.4e6cm、比模量為2.8e8cm；而石墨(shímò)/鋁合金的比強度為3.6e6cm、比模量達到10.5e8cm。共三十六頁

2）導熱(dǎorè)、導電性能良好的導熱性可有效傳熱，減少構(gòu)件受熱后產(chǎn)生的溫度梯度和迅速散熱，這對尺寸的穩(wěn)定性要求較高的構(gòu)件和高集成度電子器件尤為重要。良好的導電性可防止飛行器構(gòu)件產(chǎn)生靜電聚集的問題(wèntí)。MMC中金屬基體含量一般>60%（vf），所以仍保持金屬所具有的良好導熱和導電性。共三十六頁

3）熱膨脹系數(shù)(péngzhàngxìshù)小、尺寸穩(wěn)定性好MMC所用增強物如碳纖維、SiC纖維、B纖維，均具有(jùyǒu)很小的熱膨脹系數(shù)，又有很高的模量，特別是高模量、超高模量石墨纖維具有(jùyǒu)負的熱膨脹系數(shù)。加入適當含量增強物，并合理設(shè)計纖維鋪層可使ＭＭＣ的熱膨脹系數(shù)明顯下降，甚至可以實現(xiàn)ＭＭＣ的零膨脹。共三十六頁４）良好(liánghǎo)的高溫性能金屬(jīnshǔ)基體的高溫性能比聚合物高很多，加上增強材料主要為無機物，在高溫下具有很高的強度和模量，因此ＭＭＣ比基體金屬(jīnshǔ)具有更高的高溫性能。例如：石墨／鋁復合材料在５００℃高溫下，仍具有６００ＭＰａ的高溫強度；而鋁基體在３００℃強度已下降到１００ＭＰａ以下。共三十六頁

5）耐磨性好高耐磨性材料在汽車、機械工業(yè)中具有重要應(yīng)用前景(qiánjǐng)。如汽車發(fā)動機、剎車盤、活塞等。ＭＭＣ中加入了硬度高、耐磨的陶瓷纖維、晶須、顆粒，具有良好的耐磨性。例如：ＳｉＣ顆粒增強鋁基復合材料的耐磨性比鋁高出２倍以上，甚至比鑄鐵的耐磨性還好。共三十六頁

6）良好(liánghǎo)的斷裂韌性和抗疲勞性能ＭＭＣ的斷裂韌性和抗疲勞性能取決于纖維等增強物與金屬基體的界面狀態(tài)、增強物的分布以及各組分本身的特性。適中的界面結(jié)合強度即可有效地傳遞荷載，又能阻止(zǔzhǐ)裂紋的擴展，提高斷裂韌性。例如：Ｃ／Ａｌ復合材料的疲勞強度與拉伸強度比約為０．７。共三十六頁7）不吸潮、不老化(lǎohuà)、氣密性好與聚合物相比，金屬性能穩(wěn)定(wěndìng)、組織致密，不會老化、分解、吸潮等，在太空中使用不會分解出低分子物質(zhì)污染儀器和環(huán)境。共三十六頁5.2MMC的制造(zhìzào)工藝MMC種類繁多，多數(shù)制造過程是將復合與成型過程合為一體。根據(jù)基體、增強物的物理、化學、幾何形狀的不同，應(yīng)選不同的制造工藝。分類：固態(tài)法、液態(tài)(yètài)法、自生成法及其他制備方法。共三十六頁5.2.1固態(tài)(gùtài)法工藝流程將金屬(jīnshǔ)粉末或金屬(jīnshǔ)箔與增強物（纖維、晶須、顆粒）按設(shè)計要求以一定的含量、分布、排布在一起；加熱、加壓擴散粘接：將金屬與增強物復合在一起，形成MMC。特點：整個工藝過程處于較低的溫度，金屬和增強物都處于固態(tài)；界面反應(yīng)不嚴重。類型：粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、拉拔法。共三十六頁5.2.2液態(tài)(yètài)金屬法方法：金屬基體處于熔融狀態(tài)下與固體增強物復合成材料的方法。工藝過程：液態(tài)金屬浸漬擠壓鑄造成型。特點：制備溫度高，易發(fā)生嚴重的界面反應(yīng)，有效控制界面反應(yīng)是液態(tài)法的關(guān)鍵。工藝類型：擠壓鑄造法、真空吸鑄、液態(tài)金屬浸漬法、真空壓力(yālì)浸漬法，攪拌復合法。共三十六頁5.2.3自生成(shēnɡchénɡ)法及其他制備法自生成法：在金屬內(nèi)部通過加入反應(yīng)物質(zhì)或通入反應(yīng)氣體在液態(tài)金屬內(nèi)部反應(yīng)，產(chǎn)生微小的固態(tài)相，如TiC、TiB2、Al2O3等微粒起增強作用。通過控制工藝參數(shù)獲得所需的增強物含量和分布。復合涂鍍法：將增強物懸浮于鍍液中，通過電鍍(diàndù)或化學鍍將金屬與顆粒同時沉積在基板或零件表面，形成復合材料層。等離子、熱噴鍍法：將金屬與增強物同時噴鍍到底板上形成復合材料。共三十六頁表5-1MMC主要(zhǔyào)制作方法及適用范圍共三十六頁5.3鋁基復合材料(fùhécáiliào)航空航天工業(yè)中需要(xūyào)大型的、質(zhì)量輕的結(jié)構(gòu)材料，尤其是需要(xūyào)比強度、比模量高的材料。鋁基MMC具備了比強度、比模量高的特性，已被廣泛地應(yīng)用于航空航天制品中。鋁基MMC主要有：顆粒（晶須）增強鋁基復合材料纖維增強鋁基復合材料共三十六頁5.3.1顆粒(kēlì)（晶須）增強鋁基MMC顆粒（晶須）增強鋁基MMC的性能好，且可用常規(guī)方法加工。增強顆粒價格低廉，某些晶須（如SiC)由于找到了便宜的原料和較為簡單的生產(chǎn)方法，成本大幅下降。因此，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前(mùqián)主要使用的有SiC、Al2O3顆粒（晶須）增強鋁基MMC。共三十六頁表5-2SIC顆粒和晶須增強(zēngqiáng)鋁基復合材料的性能基體增強物顆粒含量/%彈性模量/GPa屈服強度/MPa拉伸強度/MPa斷裂伸長/%PM5456-SiCwSiCwSiCpSiCp0820820718811981106259275380253324433503635459552]2372157PM2124-SiCwSiCwSiCpSiCp0820820739713091110---368435587669890--1893--共三十六頁

5.3.2纖維(xiānwéi)增強鋁基MMC按纖維長短分為長纖維增強、短纖維增強鋁基MMC。一、長纖維增強鋁基MMC長纖維對鋁的增強方式(fāngshì)：單向纖維增強、二維織物增強和三維織物增強。主要增強材料：BF、CF、SiCf、Al2O3f、不銹鋼絲等。

表5-3Bf/Al復合材料的室溫拉伸性能共三十六頁二、短纖維增強(zēngqiáng)鋁基MMC特點：與長纖維相比，短纖維增強鋁基復合材料具有增強體來源廣、價格低、成形性好等優(yōu)點，可采用傳統(tǒng)的金屬成型工藝方法如鑄、鍛、擠、軋等，而且材料性能(xìngnéng)是各向同性的。短纖維增強材料：氧化鋁、硅酸鋁、碳化硅等表5-4氧化鋁短纖維增強鋁基MMC的性能共三十六頁5.3.3鋁基MMC的應(yīng)用(yìngyòng)一、纖維增強鋁基MMC：比強度、比模量高，尺寸穩(wěn)定性，但價格昂貴。目前主要應(yīng)用于航天飛機、人造衛(wèi)星(rénzàowèixīng)、空間站等的結(jié)構(gòu)材料。Bf/Al：應(yīng)用最早的鋁基MMC，美國和前蘇聯(lián)的航天器中用作機身框架及支柱和起落架拉桿等。C（石墨）/Al：尺寸穩(wěn)定性好。用作衛(wèi)星拋物線天線骨架，如哈勃望遠鏡中用瀝青基C/Al作波導桿。SiC/Al：主要用作飛機、導彈、發(fā)動機的高性能結(jié)構(gòu)件，如飛機的Z型加強板、噴漆戰(zhàn)斗機垂直尾翼平衡器、導彈彈體等。Al2O3f/Al：最成功的例子，制造柴油發(fā)動機的活塞。共三十六頁二、晶須和顆粒(kēlì)增強鋁基MMC的應(yīng)用類型：SiC晶須和顆粒、氧化鋁短纖維、硅酸鋁短纖維增強鋁基MMC。SiC晶須增強鋁基MMC：導彈平衡翼和制導元件，航天器的結(jié)構(gòu)部件和發(fā)動機部件，戰(zhàn)術(shù)坦克反射鏡部件，輕型坦克履帶，汽車零件—活塞、連桿、汽缸、氣門頂桿、凸輪隨動機等。SiC顆粒增強鋁基MMC：衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)的支架、結(jié)構(gòu)連接件、管材、型材，飛機起落架，汽車部件—驅(qū)動軸、剎車盤、發(fā)動機缸套、襯套和活塞鑲?cè)Φ?。氧化鋁短纖維、硅酸鋁短纖維增強MMC：主要用于制造汽車發(fā)動機零件(línɡjiàn)，如活塞鑲?cè)?、傳動齒輪。共三十六頁5.4鈦基復合材料(fùhécáiliào)（TMC）特性：鈦合金：密度4.3～5.1，模量80～130GPa，有較高的比強度和比剛度，鈦的熔點高，強度能保持到高溫（使用溫度<800℃)，抗氧化和抗化學腐蝕性能好。TMC：比鈦合金更高的比強度、比模量，極佳的耐疲勞、抗蠕變性能，優(yōu)異的高溫性能和耐腐蝕性能，并克服了鈦合金耐磨性和彈性模量低等缺點(quēdiǎn)。類型：顆粒增強、連續(xù)纖維增強鈦基MMC。相容性問題：幾乎所有增強體與活性Ti基體發(fā)生界面反應(yīng)形成一種或多種化合物。因為所有TMC在制造和熱加工過程中，都要經(jīng)歷800～1200℃的高溫暴露，不可避免地發(fā)生界面反應(yīng)。界面反應(yīng)退化問題：采用對增強纖維涂層處理。共三十六頁

5.4.1顆粒(kēlì)增強TMC特點：加工制造工藝比較經(jīng)濟、簡便。常用工藝—精密鑄造、粉末冶金、鍛造、擠壓、軋制等都可以用用于加工TMC。性能：鈦和鈦合金中加入顆粒增強(zēngqiáng)劑后，TMC的硬度、耐磨性能、剛度、耐高溫性能得到明顯改善，而塑性、斷裂韌性和耐疲勞強度有所下降，室溫拉伸強度與基體相近或低于基體。

表5-5TiC和SiC顆粒增強TMC的力學性能共三十六頁5.4.2連續(xù)(liánxù)纖維增強TMC特點(tèdiǎn)：具有較高的工作溫度600～1000℃），高抗腐蝕性和抗損傷性。但比重較高（工業(yè)純鈦密度4.51），制造困難和成本高。力學性能：縱向強度和彈性模量提高很大，但橫向性能較低。表5-6連續(xù)纖維增強TMC的力學性能共三十六頁5.4.3TMC的應(yīng)用(yìngyòng)利用TMC的耐高溫性能，制造耐高溫構(gòu)件。美國(měiɡuó)SiC纖維增強TMC用于航天飛機的機翼、機身的蒙皮、支撐梁及加強筋；導彈尾翼、汽車發(fā)動機氣門閥、連桿等。共三十六頁5.5鎂基復合材料(fùhécáiliào)特點：鎂、鎂合金及其鎂基復合材料的密度一般小于1.8，僅為鋁或鋁基復合材料的66%左右，是密度最小的MMC之一，而且具有更高的比強度、比剛度以及優(yōu)良的力學(lìxué)和物理性能。鎂基MMC常用基體合金：純鎂強度較低，不適合用作MMC，一般需添加合金元素以合金化。主要合金元素有Al、Zn、Li、Ag、Zr、Mn、Ni和稀土金屬等共三十六頁5.5.1鎂基MMC的增強(zēngqiáng)體基本要求：與基體有良好(liánghǎo)的物理、化學相容性，盡量避免增強體與基體之間的界面反應(yīng)，浸潤性好。常用的增強體：C纖維、Ti纖維、B纖維，SiC晶須和顆粒、B4C顆粒等。Al2O3與Mg反應(yīng)生成MgO會降低與基體之間的結(jié)合強度，所以鎂基MMC中很少用Al2O3短纖維、晶須、顆粒。C與純鎂不反應(yīng)，但與鎂合金中的Al、Li等反應(yīng)，可生成碳化鋁、碳化鋰等化合物，嚴重損傷C纖維，需在C纖維表面進行涂層保護。研究表明：SiC、B4C纖維、晶須、顆粒是鎂基MMC的合適增強體。共三十六頁5.5.2鎂基MMC的性能(xìngnéng)顆粒增強鎂基MMC的抗拉強度與基體差不多，但耐磨性和耐溫性提高。晶須增強鎂基MMC的抗拉強度和模量都有所提高。表5-7SiC（晶須、顆粒）增強鎂基MMC的力學性能纖維增強鎂基MMC的抗拉強度(qiángdù)和彎曲強度(qiángdù)提高很多。表5-8連續(xù)B纖維增強鎂基MMC的力學性能共三十六頁5.5.3鎂基MMC的制備(zhìbèi)表5-9幾種(jǐzhǒnɡ)主要鎂合金基MMC制備方法制備工藝增強體類型優(yōu)點缺點擠壓鑄造短纖維、晶須、顆粒工藝簡單，成本低，易于批量生產(chǎn)；鑄造缺陷少；界面結(jié)合良好；MMC的性能力學性能較高難以直接制備形狀復雜的零件；Vf有一定限制粉末冶金顆粒增強體分布均勻；Vf可任意調(diào)整設(shè)備復雜；小批量成本高；不安全攪拌鑄造晶須、顆粒設(shè)備簡單；生產(chǎn)效率高鑄造氣孔較多；顆粒分布不均勻噴射沉積短纖維、晶須、顆粒基體合金晶粒度??；近無界面反應(yīng)MMC的致密度不高；強度不高共三十六頁5.5.4鎂基MMC的應(yīng)用(yìngyòng)汽車(qìchē)制造：方向盤減震軸、活塞環(huán)、支架、變速箱外殼等；通訊電子：手機、便攜式電腦等的外殼機械工業(yè)：SiC晶須增強鎂基MMC用于制造齒輪，SiC顆粒增強鎂基MMC耐磨性好可用于制造油泵的殼體、止推板、安全閥等。共三十六頁5.6鎳基復合材料(fùhécáiliào)優(yōu)點：耐高溫性能好，鎳基合金在是金屬中耐高溫最好的材料，可在1000℃以上長期使用。密度（5.869g/cm3)。缺點：制備困難，鎳基合金具有高熔點（NiAl合金熔點1640℃），纖維和基體之間反應(yīng)(fǎnyìng)的可能性增加。表5-10TiC/Ni3Al復合材料拉伸性能主要增強體：Al2O3和SiC顆粒、晶須、纖維，TiC和TiB2