金属基复合材料
合集下载
金属基复合材料
四、挤压铸造法
挤压铸造法是制造金属基复合材料较理 想的途径，此工艺先将增强体制成预成型 体，放入固定模型内预热至一定温度，浇 人金属熔体，将模具压下并加压，迅速冷 却得到所需的复合材料。
挤压铸造法特点：可以制备出增强相非常 高体积分数（40 %~50 %）的金属基复合 材料，由于在高压下凝固，既改善了金属 熔体的浸润性，又消除了气孔等缺陷，因 此，挤压铸造法是制造金属基复合材料质 量较好，可以一次成型。
六、熔体浸渗法
熔体浸渗工艺包括压力浸渗和无压浸渗。 当前是利用惰性气体和机械装置作为压力 媒体将金属熔体浸渗进多气孔的陶瓷预制 块中，可制备体积分数高达50 %的复合材 料，随后采用稀释的方法降低体积分数。
三、原位生成法
原位生成法指增强材料在复合材料制造 过程中，并在基体中自己生成和生长的方 法，增强材料以共晶的形式从基体中凝固 析出，也可与加入的相应元素发生反应、 或者合金熔体中的某种组分与加入的元素 或化合物之间的反应生成。前者得到定向 凝固共晶复合材料，后者得到反应自生成 复合材料。
原位生成复合材料的特点：增强体是 从金属基体中原位形核、长大的热力学稳 定相，因此，增强体表面无污染，界面结 合强度高。而且，原位反应产生的增强相 颗粒尺寸细小、分布均匀，基体与增强材 料间相容性好，界面润湿性好，不生成有 害的反应物，不须对增强体进行合成、预 处理和加入等工序，因此，采用该技术制 备的复合材料的综合性能比较高，生产工 艺简单，成本较低。
一、搅拌铸造法
搅拌铸造法制备金属基复合材料起源于 1968年，由S.Ray在熔化的铝液中加入氧化 铝，并通过搅拌含有陶瓷粉末的熔化状态 的铝合金而来的。
搅拌铸造法的特点是：工艺简单，操作 方便，可以生产大体积的复合材料（可到 达500 kg），设备投入少，生产成本低， 适宜大规模生产。但加入的增强相体积分 数受到制，一般不超过20 %，并且搅拌后 产生的负压使复合材料很容易吸气而形成 气孔，同时增强颗粒与基体合金的密度不 同易造成颗粒沉积和微细颗粒的团聚等现 象。
金属基复合材料
现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。
传统的单一材料已经很难满足这种需要。
因此，人们将注意力转向复合材料，复合材料是指由两种或两种以上成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。
其以最大限度的发挥各种材料的特长，并赋予单一材料所不具备的优良性能，复合材料的性能还具有可设计性的重要特征。
作为复合材料重要分支的金属基复合材料（MMCs），发展于20世纪50年代末期或60年代初期。
现代材料方面不但要求强度高，还要求其重量要轻，尤其是在航空航天领域。
金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。
1.金属基复合材料的分类金属基复合材料（Metal matrix Composite，简称MMCs）是以陶瓷（连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒）为增强材料，金属（如铝、镁、钛、镍、铁、桐等）为基体材料而制备的。
金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。
前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等)；后者需显微观察分辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。
根据用途分类：（1）结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。
用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。
（2）功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。
强调具有电、热、磁等功能特性。
（3）智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。
根据复合材料基体可划分为铝基、镁基、钢基、钛基、高温合金基、金属间化合物基及耐热金属基复合材料等。
按按增强体分类划分为颗粒增强金属基复合材料、层状增强金属基复合材料和纤维增强金属基复合材料。
2.金属基复合材料的性能特点与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度，而与高分子基复合材料相比，它又具有优良的导电性而耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。
金属基复合材料(MMC)
3．熔渗
将增强材料制成多孔预制体，置基体金属熔 体的上方或内部，利用毛细力的使熔体作用渗 入预制中。也可将预制体和基体金属坯料装入 一可通入流动氮气的加热炉中。通过加热，基 体金属熔化，自发渗透入网络状增强材料预制 体中
三、喷涂与喷射沉积
喷涂沉积主要应用于纤维增强金属基复合材 料的须制层的制备，也可以获得复合层状复合 材料的坯料。喷射沉积则主要用于制备颗粒增 强金属基复合材料。喷射与喷涂沉积工艺的最 大特点是增强材料与基体金属的润湿性要求低； 增强材料与熔融金属基体的接触时间短，界面 反应量少。喷涂沉积制备纤维增强金属基复合 材料时，纤维的分布均匀，获得的薄单层纤维 增强预制层可以很容易地通过扩散结合工艺形 成复合材料结构形状和板材。喷涂与喷射沉积 工艺，可以与各种陶瓷纤维或颗粒复合，即基 体金属的选择范围广。
高温性能优良。合金化后的耐热性显著提高，可以作为 高温结构材料使用，如航空发动机的压气机转子叶片等， 长期使用最高温度已达540℃
在大气和海水中有优异的耐蚀性．在硫酸、盐酸、硝酸 相氢氧化纳等介质中都很稳定
导电与导热性差.导热系数只有铜的1／l 7和铝的l／10， 比电阻为铜的25倍
常用钛合金的性能
第五章 金属基复合材料(MMC)
第一节 概 述
一、MMC的沿革与发展
二、MMC的分类
1、按增强材料形态分类 纤维增强金属基复合材料 颗粒和晶须增强金属基复合材料 2、按金属基体分类 铝基复合材料 钛基复合材料 镁基复合材料 高温合金复合材料 金属间化合物复合材料
第二节 金属基体
热压
在真空或保护气氛下直接放入热压模 或平板进行热压合热压工艺参数主要为： 热压温度、压力和时间
扩散结合的优缺点：
6 金属基复合材料
6.2.2金属基复合材料的基本性能
5. 耐磨性好 6. 良好的疲劳性能和断裂韧性 良好的界面结合状态可有效传递载荷, 阻止裂纹的扩展， 提高材料的断裂韧性. 7. 不吸潮， 不老化，气密性好
6.2.3 金属基体在复合材料中的作 用
1. 固结增强体 2. 传递和承受载荷 3. 赋予复合材料一定形状， 保证复合材 料具有一定的可加工性. 4. 复合材料的强度、 刚度、密度、耐高 温、 耐介质、 导电、导热等性能均与基 体的相应性质密切相关.
二、钛及钛合金
钛及其合金由于具有比强度高、耐热性好、耐 蚀性能优异等突出优点，自1952年正式作为结构材 料使用以来发展极为迅速，在航空工业和化学工业 中得到了广泛的应用。化学性质十分活泼，缺点是 在真空或惰性气体中进行生产，成本高，价格贵。
钛基复合材料
二、钛及钛合金
（一）纯钛 钛是一种银白色的金属，密度小，熔点高，高的 比强度和比刚度，较高的高温强度。钛的热膨胀系数 很小，热应力较小，导热性差，切削、磨削加工性能 较差。在空气中，容易形成薄而致密的惰性氧化膜， 在氧化性介质中的耐蚀性优良，在海水等介质中也具 有极高的耐蚀性；钛在不同浓度的酸（ HF 除外）以及 碱溶液和有机酸中，也具有良好的耐蚀性。 纯钛具有同素异构转变，在882.5℃以上直至熔点 具有体心立方晶格，称为β —Ti。在882.5℃以下具有 密排六方晶格，称为α —Ti。
（二）钛合金
钛合金分为α 型钛合金 β 型钛合金 α +β 型钛合金 以TA、TB和TC表示其牌号
三、铜及铜合金
在自然界中既以矿石的形式存在，又以纯金属的形 式存在。其应用以纯铜为主。铜及铜合金的产品中， 80%是以纯铜被加工成各种形状供应的。
（一）纯铜 呈紫红色，又称紫铜。属重金属范畴，无同素异构 转变，无磁性。最显著的特点是导电、导热性好，仅次于 银。 高的化学稳定性，在大气、淡水中具有良好的抗蚀 性，在海水中的抗蚀性较差。 纯铜具有立方面心结构，极优良的塑性，可进行冷热 压力加工。
金属基复合材料
பைடு நூலகம்
金属基复合材料的制备
（一）粉末冶金复合法 粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法等适合于分散强化型复合 材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。 粉末冶金复合法的工艺主要优点是：基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选 择强化颗粒的种类、尺寸，还可多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现颗粒均匀化。 缺点是：工艺复杂，成本高；制品形状、尺寸受限制；微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料 等。
（二）铸造凝固成型法 铸造凝固成型法是在基体金属处于熔融状态下进行复合。主要方法有搅拌铸造法、液相渗和法和共喷射 沉积法等。铸造凝固成型铸造复合材料具有工艺简单化、制品质量好等特点，工业应用较广泛。
1、原生铸造复合法 原生铸造复合法（也称液相接触反应合成技术Liquid Contact Reaction：LCR）是将生产强化颗粒的原料 加到熔融基体金属中，利用高温下的化学反应强化相，然后通过浇铸成形。这种工艺的特点是颗粒与基体材料之间的结合状态良 好，颗粒细小（0.25～1.5μm），均匀弥散，含量可高达40%，故能获得高性能复合材料。常用的元素粉末有钛、碳、硼等，化 合物粉末有Al2O3、TiO2、B2O3等。该方法可用于制备A1基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基复合材料，强化相可以是硼化 物、碳化物、氮化物等。 2、搅拌铸造法 搅拌铸造法也称掺和铸造法等，是在熔化金属中加入陶瓷颗粒，经均匀搅拌后浇入铸模中获得制品或二次加工 坯料，此法易于实现能大批量生成，成本较低。该方法在铝基复合材料的制备方面应用较广，但其主要缺点是基体金属与强化颗 粒的组合受限制。原因有两方面：①强化颗粒与熔体基本金属之间容易产生化学反应；②强化颗粒不易均匀分散在铝合金一类的 合金熔体中，这是由于陶瓷颗粒与铝合金的润滑性较差，另一个问题是陶瓷颗粒容易与溶质原子一起在枝晶间产生偏析。 3、半固态复合铸造法 半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。通常金属凝固时，初生晶以枝晶方式长大，固相率达 0.2%左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌则使树枝晶网 络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中，这种颗粒状非枝晶的微组织在固相率达 0.5%～0.6%仍具有一 定的流变性。液固相共存的半固态合金因具有流变性，可以进行流变铸造；半固态浆液同时具有触变性，可将流变铸锭重新加热 到固、液相变点软化，由于压铸时浇口处及型壁的剪切作用，可恢复流变性而充满铸型。强化颗粒或短纤维强化材料加入到受强 烈搅拌的半固态合金中，由于半固态浆液球状碎晶粒对添加颗粒的分散和捕捉作用，既防止颗粒的凝聚和偏析，又使颗粒在浆液 中均匀分布，改善了润湿性并促进界面的结合。 4、含浸凝固法（MI技术） 含浸凝固法是一种将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体含浸于熔融基体金属之中，让基体 金属浸透预成型体后，使其凝固以制备复合材料的方法。有加压含浸和非加压含浸两种方法。含浸法适合于强化相与熔融基体金 属之间润湿性很差的复合材料的制备。强化相含量可高达30%～80%；强化相与熔融金属之间的反应得到抑止，不易产生偏折。 但用颗粒作强化相时，预成形体的制备较困难，通常采用晶须、短纤维制备预成形体。熔体金属不易浸透至预成形体的内部，大 尺寸复合材料的制备较困难。
金属基复合材料的制备
（一）粉末冶金复合法 粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法等适合于分散强化型复合 材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。 粉末冶金复合法的工艺主要优点是：基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选 择强化颗粒的种类、尺寸，还可多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现颗粒均匀化。 缺点是：工艺复杂，成本高；制品形状、尺寸受限制；微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料 等。
（二）铸造凝固成型法 铸造凝固成型法是在基体金属处于熔融状态下进行复合。主要方法有搅拌铸造法、液相渗和法和共喷射 沉积法等。铸造凝固成型铸造复合材料具有工艺简单化、制品质量好等特点，工业应用较广泛。
1、原生铸造复合法 原生铸造复合法（也称液相接触反应合成技术Liquid Contact Reaction：LCR）是将生产强化颗粒的原料 加到熔融基体金属中，利用高温下的化学反应强化相，然后通过浇铸成形。这种工艺的特点是颗粒与基体材料之间的结合状态良 好，颗粒细小（0.25～1.5μm），均匀弥散，含量可高达40%，故能获得高性能复合材料。常用的元素粉末有钛、碳、硼等，化 合物粉末有Al2O3、TiO2、B2O3等。该方法可用于制备A1基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基复合材料，强化相可以是硼化 物、碳化物、氮化物等。 2、搅拌铸造法 搅拌铸造法也称掺和铸造法等，是在熔化金属中加入陶瓷颗粒，经均匀搅拌后浇入铸模中获得制品或二次加工 坯料，此法易于实现能大批量生成，成本较低。该方法在铝基复合材料的制备方面应用较广，但其主要缺点是基体金属与强化颗 粒的组合受限制。原因有两方面：①强化颗粒与熔体基本金属之间容易产生化学反应；②强化颗粒不易均匀分散在铝合金一类的 合金熔体中，这是由于陶瓷颗粒与铝合金的润滑性较差，另一个问题是陶瓷颗粒容易与溶质原子一起在枝晶间产生偏析。 3、半固态复合铸造法 半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。通常金属凝固时，初生晶以枝晶方式长大，固相率达 0.2%左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌则使树枝晶网 络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中，这种颗粒状非枝晶的微组织在固相率达 0.5%～0.6%仍具有一 定的流变性。液固相共存的半固态合金因具有流变性，可以进行流变铸造；半固态浆液同时具有触变性，可将流变铸锭重新加热 到固、液相变点软化，由于压铸时浇口处及型壁的剪切作用，可恢复流变性而充满铸型。强化颗粒或短纤维强化材料加入到受强 烈搅拌的半固态合金中，由于半固态浆液球状碎晶粒对添加颗粒的分散和捕捉作用，既防止颗粒的凝聚和偏析，又使颗粒在浆液 中均匀分布，改善了润湿性并促进界面的结合。 4、含浸凝固法（MI技术） 含浸凝固法是一种将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体含浸于熔融基体金属之中，让基体 金属浸透预成型体后，使其凝固以制备复合材料的方法。有加压含浸和非加压含浸两种方法。含浸法适合于强化相与熔融基体金 属之间润湿性很差的复合材料的制备。强化相含量可高达30%～80%；强化相与熔融金属之间的反应得到抑止，不易产生偏折。 但用颗粒作强化相时，预成形体的制备较困难，通常采用晶须、短纤维制备预成形体。熔体金属不易浸透至预成形体的内部，大 尺寸复合材料的制备较困难。
金属基复合材料
金属基复合材料颗粒增强前言金属基复合材料(MMC)是多功能复合材料的一种。
它是一类以金属或合金为基体,以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒状组分为增强相的非均质混合物,其共同点是具有连续的金属基体[1]。
金属基复合材料集高比模量、高比强度、良好的导热导电性、可控的热膨胀系数以及良好的高温性能于一体,成为当代发展迅速的重要先进材料之一.目MMCs按基体不同可分为黑色金属基(如钢、铁)和有色金属基(如铝、镁、钛、镍等)两大类.按照增强相的形态不同又可分为分散强化型、颗粒增强型和纤维增强型三大类.分散强化型MMCs强化相的平均尺寸小于0.1μm,强化相的容积比Vf只有千分之几,通过强化相阻止基体中位错运动而强化基体.颗粒增强型MMCs颗粒平均尺寸在1μm以上,Vf最大可达90%,靠颗粒自身强度强化,基体作用是把颗粒组合在一起.纤维增强型MMCs是利用纤维(或金属细线)的极高强度来增强金属,纤维可以是长纤维,也可以是短纤维或者是晶须,纤维直径从3μm到150μm(晶须直径小于1μm),长度与直径比在100以上.目前,MMCs中的增强相已有多种,重要的有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、SiC纤维、SiC晶须;颗粒型的有SiC、碳化硼、图化钛等;丝状的有钨、铍、硼、钢等.[2]前在MMCs中仍以SiC和Al2O3颗粒增强铝为主,其次为短纤维增强和连续纤维增强的MMCs。
颗粒增强型MMCs以其高耐磨、高强度、低成本等优点受到广泛关注。
目前已具备批量生产条件,具有良好的发展及应用前景[3]。
1 金属基复合材料的沿革与发展现代金属基复合材料是从20 世纪60 年代初发展起来的。
60 年代初分别以美苏为首的两大阵营在宇宙空间开展的竞争推动了航空航天技术的发展，促进了定向凝固复合材料、难熔金属丝增强高温合金材料的研究与开发。
由于硼纤维的研制成功，并应用于环氧树脂基复合材料，因此出现了硼纤维增强铝基复合材料，并得到成功的应用。
第五章 金属基复合材料
• 用于集电和电触头的金属基复合材料有：碳（石墨）纤
维或颗粒、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金等 金属基复合材Βιβλιοθήκη 。三、金属基复合材料的性能特征
金属基复合材料的性能取决于所选的金属或合金基体和 增强体的特性、含量、分布等。通过优化组合可以既发挥 金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等综 合性能。其主要的性能特点有： 高比强度、比模量 良好的断裂韧性和抗疲劳性能 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 良好的导电、导热性能 良好的高温性能 良好的耐磨性与阻尼性 性能再现性及可加工性好 不吸潮、不老化、气密性好
合金以及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合
金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。
汽车发动机：要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强
度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产，因此选用铝合金作基 体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。如碳 化硅/铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维/铝复合材料可制作发动机活
•
Cgr/Al基复合材料在500℃高温下，仍具有600MPa的强 度，而铝基体在300℃时强度已下降到100MPa以下； Wf/耐热合金，在1100℃/100h下持久强度为207MPa， 而基体耐热合金在同样条件下的持久强度只有48MPa.
•
•
硼纤维增强铝在近400 ℃温度下仍有较好的高温比强度。
第四章
金属基复合材料
（Metallic Matrix Composites）
主要内容
一、基本概念和分类
二、金属基体
三、金属基复合材料的性能特征 四、金属基复合材料的界面及优化 五、金属基复合材料的制备工艺 六、铝基复合材料 七、镁基复合材料 八、钛基复合材料 九、镍基复合材料
金属基复合材料
蓝宝石晶须是迄今所发现的强度最高的固体形态，小直径的晶须强度较高且比粗的容易生长，所以在制造复合材料时被优先选用，为 了改善与金属的浸润性和便于制造需用金属涂层，厚度应小于0. 真空蒸发工艺能成功地把大量铝沉积到纤维上，但由于纤维与基体之间的剥离，用这种方法制得的复合材料强度相当低。 主要方法是将纤维夹在金属板之间进行加热，这种方法通常称为扩散结合。 1 蓝宝石晶须和蓝宝石杆 硼铝复合材料的增强纤维与基体 硼纤维具有一系列很突出的优点，它的比模量和比强度高、与固态铝和液态镁的化学相容性好、直径大，再现性好且价格适宜。 1）硼钛复合材料的界面组织结构
腐蚀、抗蠕变和耐疲劳等优异性能，主要用于制造高 温下工作的零部件。
（3）钛基复合材料 比任何其他的结构材料具有更高的比强度，且耐热性好
，抗蚀性能优异。
2.按增强体分类 （1）颗粒增强复合材料 （2）层状复合材料 （3）纤维增强复合材料 6.1.2 金属基复合材料中增强体的性质 连续纤维增强对金属基体的增强效果最好，对于纤维状增
除了上述制造工艺外，还有电沉积、金属粉末成型、铸造和 纤维缠绕配合等工艺。常用纤维缠绕加等离子喷涂基体这样 的工艺来制造平板和大直径圆环，具有极好的高温强度和耐 疲劳性能。
对表面磨损和腐蚀不敏感，具有良好的高温性能，但在 500℃以上暴露于氧气中，短时间纤维强度就会受损，可对 纤维表面进行涂层，如涂覆碳化硅层。
▪ （2）基体
▪ 基体应具有良好的综合性能：较高的断裂韧性，较强的阻止 纤维断裂处或劈裂处的裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性，较 高的强度等。对于高温下使用的复合材料，还要求基体具有 较好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能熔焊或钎焊。 应用最普遍的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合 材料。
强体，对其性能具有以下基本要求：
腐蚀、抗蠕变和耐疲劳等优异性能，主要用于制造高 温下工作的零部件。
（3）钛基复合材料 比任何其他的结构材料具有更高的比强度，且耐热性好
，抗蚀性能优异。
2.按增强体分类 （1）颗粒增强复合材料 （2）层状复合材料 （3）纤维增强复合材料 6.1.2 金属基复合材料中增强体的性质 连续纤维增强对金属基体的增强效果最好，对于纤维状增
除了上述制造工艺外，还有电沉积、金属粉末成型、铸造和 纤维缠绕配合等工艺。常用纤维缠绕加等离子喷涂基体这样 的工艺来制造平板和大直径圆环，具有极好的高温强度和耐 疲劳性能。
对表面磨损和腐蚀不敏感，具有良好的高温性能，但在 500℃以上暴露于氧气中，短时间纤维强度就会受损，可对 纤维表面进行涂层，如涂覆碳化硅层。
▪ （2）基体
▪ 基体应具有良好的综合性能：较高的断裂韧性，较强的阻止 纤维断裂处或劈裂处的裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性，较 高的强度等。对于高温下使用的复合材料，还要求基体具有 较好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能熔焊或钎焊。 应用最普遍的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合 材料。
强体，对其性能具有以下基本要求：
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
17
（3）、热膨胀系数小、尺寸稳定性好
金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗 粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的 模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热 膨胀系数。加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料 的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过 调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种 应用的要求。
在结构材料方面，不但要求强度高，还要求 其重量要轻，尤其是在航空航天领域。
3
▪ 金属基复合材料(Metal Matrix Composite, MMC)，这一术语包括很广的成分与结构， 共同点是有连续的金属基体（包括金属间 化合物基体）。
▪ 目的：
▪ 把基体的优越的塑性和成形性与增强体的承受 载荷能力及刚性结合起来。
▪ 把基体的高热传导性与增强体的低热膨胀系数 结合起来。
4
金属基复合材料相对于传统的金属材 料来说，具有较高的比强度与比刚度；
而与树脂基复合材料相比，它又具有 优良的导电性与耐热性；
与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性 和高冲击性能。
5
二、金属基复合材料的分类及性能
金属基复合材料是以金属或合金为基体，以高性能的 第二相为增强体的复合材料。 金属基复合材料品种繁多，有各种分类方式，归纳为以 下3种：
➢按增强体类型分
颗粒增强金属基复合材料 层状增强复合材料 纤维（长短及晶须）增强金属基复合材料
6
（1）、颗粒增强金属基复合材料
颗粒增强复合材料是指增强相为弥散分布的颗粒 体，颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1微米。
在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而 基体的作用则在于传递载荷。颗粒增强复合材料的 强度通常取决于增强颗粒的直径和体积分数，同时 还与基体性质，颗粒与基体的界面及颗粒排列的形 状密切相关。
如石墨纤维增强铝基复合材料在500℃高温下，仍具有 600MPa的高温强度，而铝基体在300℃强度已下降到 100MPa以下。又如钨纤维增强耐热合金，在1100℃， 100h高温持久强度为207MPa，而基体合金的高温持久强 度只有48MPa。
8
(3)、纤维（长短及晶须）增强复合材 料
金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同 可分为长纤维、短纤维和晶须，它们均属于一维 增强体。因此，由纤维增强的复合材料均表现出 明显的各向异性特征。
短纤维和晶须在基体中为随机分布，因而性能 在宏观上表现为各向同性。
9
纤维增强金属基复合材料
• 金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合 材料（MMC）金属基复合材料的性能特点
（1）、高比强度、比模量
在金属基体中加入适量的高强度，高模量，低密 度的纤维，晶须及颗粒等增强体，显著提高了复合 材料的比强度，比刚度和比模量。
在金属中加入高性能，低密度的增强体，可使复 合材料的比强度，比模量成倍增加。采用高比强度 ，高比模量的金属基复合材料制成的构件相对密度 轻，强度高，刚性好，是航空，航天领域中的理想 材料。
16
（2）、导热导电性能
虽然有的增强体为绝缘体，但在复合材料中占 很小份额，基体导电及导热性并未被完全阻断， 金属基复合材料仍具有良好的导电与导热性。
为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已 研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金 刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的热导率比纯 铝、铜还高，用它们制成的集成电路底板和封装 件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路的 可靠性。
7
(2)、层状增强复合材料
层状复合材料是指在韧性和成型性较好的金属 基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片 层状增强物的复合材料。
由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此 层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，在 增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模 量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材料 相比具有明显的优越性。
➢功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高 阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主
要特性。化学性能包括抗氧化性和耐腐蚀性等，
用于电子、仪器、汽车等工业。 ➢智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、
自修复等特性。
应当注意，功能复合材料和智能复合材料容 易混淆。
14
MMC的性能特征
MMC的性能取决于所选组分的特性、含量、分布等。 通过优化组合可以具有金属特性，又有较好综合性能的 MMC。归纳起来MMC有以下性能特点： • 高比强度、高比模量 • 导热、导电性能 • 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 • 良好的高温性能 • 耐磨性好 • 良好的断裂韧性和抗疲劳性能 • 不吸潮、不老化、气密性好
例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量 达到48％时，复合材料的热膨胀系数为零，在温度变化 时使用这种复合材料做成的零件不发生变形。
18
（4）、良好的高温性能
由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强材料 主要是无机物，在高温下又都具有很高的高温强度和模 量，因此金属基复合材料比基体金属具有更高的高温性 能。
11
按基体材料分类：
➢铝基复合材料 ➢镁基复合材料 ➢钛基复合材料 ➢金属间化合物基复合材料
目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较 为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等 工业中应用。
12
➢按用途分 （1）、结构复合材料 （2）、功能复合材料 （3）、智能复合材料
13
➢结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳 定性、耐热性等是其主要性能特点。用于制造 各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性 能结构件。
• 常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。 作为增强体的连续纤
维主要有硼纤维、 SiC和C纤维；Al2O3 纤维通常以短纤维的 形式用于MMC中。
10
金属基复合材料纤维选择要点 • 高强度、高模量。（明显高于金属基体） • 耐热性高 （如：KF不宜选用） • 价格低 （比较突出的制约因素） • 相容性好 （膨胀系数相近，高温惰性）
金属基复合材料
姓名： 学号： 班级：
目录
• 金属基复合材料概述 • 金属基复合材料的种类及性能 • 铝基复合材料 • 镁基复合材料 • 钛基复合材料 • 金属基复合材料成型工艺简介
2
一、金属基复合材料概述
金属基复合材料是指以金属及其合金为基体， 一种或几种金属或非金属为增强相，人工结合成 的复合材料。组成复合材料的各种分材料称为组 分材料，组分材料一般不发生作用，均保持各自 的特性独立存在。
（3）、热膨胀系数小、尺寸稳定性好
金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗 粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的 模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热 膨胀系数。加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料 的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过 调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种 应用的要求。
在结构材料方面，不但要求强度高，还要求 其重量要轻，尤其是在航空航天领域。
3
▪ 金属基复合材料(Metal Matrix Composite, MMC)，这一术语包括很广的成分与结构， 共同点是有连续的金属基体（包括金属间 化合物基体）。
▪ 目的：
▪ 把基体的优越的塑性和成形性与增强体的承受 载荷能力及刚性结合起来。
▪ 把基体的高热传导性与增强体的低热膨胀系数 结合起来。
4
金属基复合材料相对于传统的金属材 料来说，具有较高的比强度与比刚度；
而与树脂基复合材料相比，它又具有 优良的导电性与耐热性；
与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性 和高冲击性能。
5
二、金属基复合材料的分类及性能
金属基复合材料是以金属或合金为基体，以高性能的 第二相为增强体的复合材料。 金属基复合材料品种繁多，有各种分类方式，归纳为以 下3种：
➢按增强体类型分
颗粒增强金属基复合材料 层状增强复合材料 纤维（长短及晶须）增强金属基复合材料
6
（1）、颗粒增强金属基复合材料
颗粒增强复合材料是指增强相为弥散分布的颗粒 体，颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1微米。
在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而 基体的作用则在于传递载荷。颗粒增强复合材料的 强度通常取决于增强颗粒的直径和体积分数，同时 还与基体性质，颗粒与基体的界面及颗粒排列的形 状密切相关。
如石墨纤维增强铝基复合材料在500℃高温下，仍具有 600MPa的高温强度，而铝基体在300℃强度已下降到 100MPa以下。又如钨纤维增强耐热合金，在1100℃， 100h高温持久强度为207MPa，而基体合金的高温持久强 度只有48MPa。
8
(3)、纤维（长短及晶须）增强复合材 料
金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同 可分为长纤维、短纤维和晶须，它们均属于一维 增强体。因此，由纤维增强的复合材料均表现出 明显的各向异性特征。
短纤维和晶须在基体中为随机分布，因而性能 在宏观上表现为各向同性。
9
纤维增强金属基复合材料
• 金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合 材料（MMC）金属基复合材料的性能特点
（1）、高比强度、比模量
在金属基体中加入适量的高强度，高模量，低密 度的纤维，晶须及颗粒等增强体，显著提高了复合 材料的比强度，比刚度和比模量。
在金属中加入高性能，低密度的增强体，可使复 合材料的比强度，比模量成倍增加。采用高比强度 ，高比模量的金属基复合材料制成的构件相对密度 轻，强度高，刚性好，是航空，航天领域中的理想 材料。
16
（2）、导热导电性能
虽然有的增强体为绝缘体，但在复合材料中占 很小份额，基体导电及导热性并未被完全阻断， 金属基复合材料仍具有良好的导电与导热性。
为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已 研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金 刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的热导率比纯 铝、铜还高，用它们制成的集成电路底板和封装 件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路的 可靠性。
7
(2)、层状增强复合材料
层状复合材料是指在韧性和成型性较好的金属 基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片 层状增强物的复合材料。
由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此 层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，在 增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模 量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材料 相比具有明显的优越性。
➢功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高 阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主
要特性。化学性能包括抗氧化性和耐腐蚀性等，
用于电子、仪器、汽车等工业。 ➢智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、
自修复等特性。
应当注意，功能复合材料和智能复合材料容 易混淆。
14
MMC的性能特征
MMC的性能取决于所选组分的特性、含量、分布等。 通过优化组合可以具有金属特性，又有较好综合性能的 MMC。归纳起来MMC有以下性能特点： • 高比强度、高比模量 • 导热、导电性能 • 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 • 良好的高温性能 • 耐磨性好 • 良好的断裂韧性和抗疲劳性能 • 不吸潮、不老化、气密性好
例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量 达到48％时，复合材料的热膨胀系数为零，在温度变化 时使用这种复合材料做成的零件不发生变形。
18
（4）、良好的高温性能
由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强材料 主要是无机物，在高温下又都具有很高的高温强度和模 量，因此金属基复合材料比基体金属具有更高的高温性 能。
11
按基体材料分类：
➢铝基复合材料 ➢镁基复合材料 ➢钛基复合材料 ➢金属间化合物基复合材料
目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较 为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等 工业中应用。
12
➢按用途分 （1）、结构复合材料 （2）、功能复合材料 （3）、智能复合材料
13
➢结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳 定性、耐热性等是其主要性能特点。用于制造 各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性 能结构件。
• 常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。 作为增强体的连续纤
维主要有硼纤维、 SiC和C纤维；Al2O3 纤维通常以短纤维的 形式用于MMC中。
10
金属基复合材料纤维选择要点 • 高强度、高模量。（明显高于金属基体） • 耐热性高 （如：KF不宜选用） • 价格低 （比较突出的制约因素） • 相容性好 （膨胀系数相近，高温惰性）
金属基复合材料
姓名： 学号： 班级：
目录
• 金属基复合材料概述 • 金属基复合材料的种类及性能 • 铝基复合材料 • 镁基复合材料 • 钛基复合材料 • 金属基复合材料成型工艺简介
2
一、金属基复合材料概述
金属基复合材料是指以金属及其合金为基体， 一种或几种金属或非金属为增强相，人工结合成 的复合材料。组成复合材料的各种分材料称为组 分材料，组分材料一般不发生作用，均保持各自 的特性独立存在。