第7章 金属基复合材料的凝固
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复合材料 第七章 复合材料的复合原则及界面
45
另外，对于成分和相结构也很难作出全 面的分析。 因此，这今为止，对复合材料界面的认 识还是很不充分的，不能以一个通用的模型 来建立完整的理论。 尽管存在很大的困难，但由于界面的重 要性，所以吸引着大量研究者致力于认识界 面的工作，以便掌根其规律。
46
第三节 复合材料的界面设计原则
界面粘结强度是衡量复合材料中增 强体与基体间界面结合状态的一个指标。 界面粘结强度对复合材料整体力学 性能的影响很大，界面粘结过高或过弱 都是不利的。
的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(4)散射和吸收效应
光波、声波、热弹
性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透 光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲 击性等。
28
(5)诱导效应
一种物质(通常是增强物)
的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与 之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改 变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的
14
(3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过 大，否则在热胀冷缩过程中会自动削弱它们 之间的结合强度。
(4)纤维与基体之间不能发生有害的化学
反应，特别是不发生强烈的反应，否则将引 起纤维性能降低而失去强化作用。
15
(5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必 须适宜。
一般而言，基体中纤维的体积含量越高， 其增强效果越显著； 纤维直径越细，则缺陷越小，纤维强度也 越高；
制备具有高冲击强度的避弹衣。
43
由于界面尺寸很小且不均匀、化学
成分及结构复杂、力学环境复杂、对于
界面的结合强度、界面的厚度、界面的 应力状态尚无直接的、准确的定量分析 方法；
44
所以，对于界面结合状态、形态、结 构以及它对复合材料性能的影响尚没有适
另外，对于成分和相结构也很难作出全 面的分析。 因此，这今为止，对复合材料界面的认 识还是很不充分的，不能以一个通用的模型 来建立完整的理论。 尽管存在很大的困难，但由于界面的重 要性，所以吸引着大量研究者致力于认识界 面的工作，以便掌根其规律。
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第三节 复合材料的界面设计原则
界面粘结强度是衡量复合材料中增 强体与基体间界面结合状态的一个指标。 界面粘结强度对复合材料整体力学 性能的影响很大，界面粘结过高或过弱 都是不利的。
的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(4)散射和吸收效应
光波、声波、热弹
性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透 光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲 击性等。
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(5)诱导效应
一种物质(通常是增强物)
的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与 之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改 变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的
14
(3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过 大，否则在热胀冷缩过程中会自动削弱它们 之间的结合强度。
(4)纤维与基体之间不能发生有害的化学
反应，特别是不发生强烈的反应，否则将引 起纤维性能降低而失去强化作用。
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(5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必 须适宜。
一般而言，基体中纤维的体积含量越高， 其增强效果越显著； 纤维直径越细，则缺陷越小，纤维强度也 越高；
制备具有高冲击强度的避弹衣。
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由于界面尺寸很小且不均匀、化学
成分及结构复杂、力学环境复杂、对于
界面的结合强度、界面的厚度、界面的 应力状态尚无直接的、准确的定量分析 方法；
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所以，对于界面结合状态、形态、结 构以及它对复合材料性能的影响尚没有适
第7章复合材料力学的几个专题课件
σmax σ
l<l0
l=l0
作用在短纤维上的平均拉应力为
L >l0
l/2
1l l0
fd lf,m a 1 x1 ll0
l l0
β为图中l0/2线段上的面积与（σf,max乘以l0/2积）之比值。 当基体为理想塑性材料时，纤维上的拉应力从末端为零线形增大，则β=1/2，因此
• 对于纵向弹性模量，也可使用混合定律。
2.非连续金属基复合材料的强度
• 混合定律应用于短纤维（包括晶须）时， 应考虑长度对直径比L/d和基体抗剪强度。
• 短纤维长度不同时，最终表达式不同。
– 若纤维长度L小于临界长度Lc，则纤维的最大应 力达不到纤维的平均强度，纤维不会断裂，破 坏是由于界面或基体破坏所造成的。
Hale Waihona Puke 7.2.2 短纤维复合材料强度预测
• 复合材料力学行为的核心：基体与增强体 进行载荷分配。
• 混合定律： 外加载荷等于基体和增强体按体积平均载 荷的总和。
Aff (1f)M
1.连续纤维增强金属基复合材料的强度
• 主要靠连续纤维承受外加载荷 • 金属基体作为传递和分散载荷的媒体 • 纤维增强金属基复合材料的破坏，主要是由
– 若纤维长度L大于临界长度Lc，纤维的应力达到 平均强度时，材料开始断裂。
• 短纤维的增强作用不如连续纤维有效，因 此短纤维的f’比连续纤维的高。
3.颗粒增强金属基复合材料的强度 • 强化机制是弥散强化 • 复合材料破坏从颗粒界面开始，表现为界
面破坏或颗粒脱落
• 切应力导致颗粒破坏，引起材料变型
单向复合材料及铝合金的S-N曲线 1-Kevlar-49/环氧；2-硼纤维/环氧；3-S玻璃纤维/环
材料科学与材料世界第7章金属和合金的凝固
第七章 金 属 和 合 金 的 凝 固
7.1纯金属的凝固 7.1.1液态金属的结构 7.1.2纯金属的凝固过程 7.1.3凝固的热力学条件 7.1.4晶核的形成 7.1.5晶核的长大 7.2合金的凝固
7.2.1平衡分配系数 7.2.2平衡凝固 7.2.3非平衡凝固
7.2.4固溶体合金凝固时溶质的再分配 7.2.5合金凝固中的成分过冷 7.3铸锭的组织与缺陷 7.3.1铸锭三晶区 7.3.2铸锭的缺陷
材料科学基础
第七章
● r> rk时，晶胚的生长导致系统自由能的降低，晶胚自动长大。 该晶胚可以成为晶核。 该临界尺寸rk称为晶核的 临界半径， 该晶核称为 临界晶核
● r> rk时，晶胚的生长导致系统自由能升高，晶胚自动消失。
由：dΔG/dr = 0，得晶核的临界半径：
形核率：
材料科学基础
第七章
材料科学基础
第七章
下图所示为液态纯金属在缓慢冷却过程中温度-时间关系曲线，即 冷却曲线。由图可见，液态金属在理论凝固温度Tm（金属的熔点） 处，并未开始凝固。只有冷却至Tm温度以下某个温度（Tn）才开 始凝固。通常将这种实际开始凝固温度低于理论开始凝固温度的 现象称为“过冷”，并把理论凝固温度Tm与实际凝固温度Tn之差 ΔT称为过冷度（ΔT＝Tm－Tn）。
液态金属中局部规则排列微区和随机高致密区都是很不稳定 的，它们大小不一，处于时聚时散，此起彼伏的状态。这种很 不稳定的现象称为“结构起伏”或“相起伏”。均匀的液态金 属凝固过程中结晶的核心就是在结构起伏的基础上形成的，故 这些结构起伏又称为“晶胚”。
7.1.2纯金属的凝固过程
材料科学基础
第七章
液态金属的凝固过程包括晶核形成和晶核长大两个过程 。
7.1纯金属的凝固 7.1.1液态金属的结构 7.1.2纯金属的凝固过程 7.1.3凝固的热力学条件 7.1.4晶核的形成 7.1.5晶核的长大 7.2合金的凝固
7.2.1平衡分配系数 7.2.2平衡凝固 7.2.3非平衡凝固
7.2.4固溶体合金凝固时溶质的再分配 7.2.5合金凝固中的成分过冷 7.3铸锭的组织与缺陷 7.3.1铸锭三晶区 7.3.2铸锭的缺陷
材料科学基础
第七章
● r> rk时，晶胚的生长导致系统自由能的降低，晶胚自动长大。 该晶胚可以成为晶核。 该临界尺寸rk称为晶核的 临界半径， 该晶核称为 临界晶核
● r> rk时，晶胚的生长导致系统自由能升高，晶胚自动消失。
由：dΔG/dr = 0，得晶核的临界半径：
形核率：
材料科学基础
第七章
材料科学基础
第七章
下图所示为液态纯金属在缓慢冷却过程中温度-时间关系曲线，即 冷却曲线。由图可见，液态金属在理论凝固温度Tm（金属的熔点） 处，并未开始凝固。只有冷却至Tm温度以下某个温度（Tn）才开 始凝固。通常将这种实际开始凝固温度低于理论开始凝固温度的 现象称为“过冷”，并把理论凝固温度Tm与实际凝固温度Tn之差 ΔT称为过冷度（ΔT＝Tm－Tn）。
液态金属中局部规则排列微区和随机高致密区都是很不稳定 的，它们大小不一，处于时聚时散，此起彼伏的状态。这种很 不稳定的现象称为“结构起伏”或“相起伏”。均匀的液态金 属凝固过程中结晶的核心就是在结构起伏的基础上形成的，故 这些结构起伏又称为“晶胚”。
7.1.2纯金属的凝固过程
材料科学基础
第七章
液态金属的凝固过程包括晶核形成和晶核长大两个过程 。
金属基复合材料非平衡凝固过程的研究
金属基复合材料非平衡凝固过程的研究金属基复合材料，这听起来像是科幻小说里才有的东西，其实离我们并不远。
想象一下，咱们平时用的手机壳、汽车发动机、甚至航天器的外壳，背后都离不开金属基复合材料的身影。
它不光是金属，里面还夹杂着其他材料，像是陶瓷、碳纤维、或者其他些啥东西。
这些不同的材料看似各自独立，但它们在一起能发挥出一种神奇的效果——强度高、耐腐蚀、耐高温。
简直就是“金刚不坏之身”的代表！但你要知道，搞这些高大上的材料可不简单。
要让它们发挥最佳效果，尤其是在“凝固”这一过程中，事情就复杂了。
凝固，对于金属来说，就是从液态变成固态的过程。
嗯，听起来简单吧？实际操作起来就不那么容易了，特别是当不同材料之间的相互作用复杂起来时。
这种非平衡凝固过程，可能就像是拿着调料桶胡乱撒盐，最后出来的味道也许好，也许差，谁知道呢。
金属基复合材料的非平衡凝固过程就像一个大厨做菜，火候掌握得好，菜肴鲜美；火候掌握不好，可能就炸锅了。
在凝固过程中，如果温度下降得太快，金属中的晶粒就会不均匀，导致材料的性能大打折扣。
你想象一下，这就好比你把一碗热腾腾的汤直接放进冰箱，汤里的脂肪和水分就会分层，结果汤一凉，喝着也就不那么舒服了。
同样的道理，金属基复合材料的凝固，如果没有控制好温度，金属中的不同组分也会出现分层，影响材料的性能。
更有意思的是，这个非平衡凝固的过程并不像你想的那样简单。
不同金属、不同成分，甚至微小的温度差异都能影响最终的凝固结果。
比如说，某些金属元素在液态时，可能比较喜欢和其他元素“亲近”，而一旦温度降低，它们就开始“疏远”，结果形成的固态结构就不如预期的那样坚固耐用。
这就像是你和朋友约好一起去爬山，结果到了山脚下，你和你的朋友因为一点小矛盾分道扬镳，结果山顶上啥也没看到，白跑一趟。
这个非平衡凝固过程不仅仅是在金属内部发生变化，表面也可能发生一系列微妙的变化。
比如表面温度降得比内部快，导致表面和内部的成分差异更大，这种差异就可能让金属的强度和耐腐蚀性都大打折扣。
金属基复合材料(MMC)制备工艺课件
VS
详细描述
机械合金化法是一种制备金属基复合材料 的有效方法。在球磨机中，将金属粉末与 增强相（如碳纳米管、陶瓷颗粒等）混合 ，在高能球磨过程中，金属粉末与增强相 在剧烈的机械力作用下发生合金化及复合 。该方法具有制备工艺简单、成本低、可 批量生产的优点。
扩散焊接法
总结词
通过在高温和压力作用下，使金属基体与增 强相之间发生相互扩散，实现冶金结合。
用于制备高尔夫球杆、滑 雪板等轻质、高强度的运 动器材。
05 喷射沉积法制备mmc
喷射沉积法的原理
喷射沉积法是一种制备金属基复合材料 的方法，其原理是将两种或多种材料通 过高速喷射流混合，并在快速凝固条件
下形成复合材料。
在喷射沉积过程中，各种材料的颗粒或 液体在高速运动中相互碰撞、混合和分
散，形成均匀的复合材料。
为了获得均匀分布的增强相， 需要采用合适的分散剂和分散
工艺。
常用的分散剂包括表面活性剂 、偶联剂、高分子聚合物等。
分散工艺可以采用球磨、超声 波振动、搅拌等方式。
压制与烧结
压制是将混合分散后的粉末压制成一 定形状和尺寸的预制件。
烧结是使预制件在高温下致密化的过 程，通过物质迁移和组织转变来实现 。
除了上述两种方法外，还有化学沉积法、物理气相沉 积法、熔融浸渗法等方法制备金属基复合材料。
详细描述
化学沉积法是通过化学反应在金属基体上沉积增强相 ，实现复合。物理气相沉积法是利用物理过程，在金 属基体上沉积增强相，制备金属基复合材料。熔融浸 渗法是将增强相（如碳纤维、陶瓷颗粒等）与金属基 体混合，经过熔融、浸渗后冷却固化，制备出金属基 复合材料。这些方法各有特点，适用范围也不同，可 根据实际需求选择合适的制备方法。
一张图看懂金属基复合材料
金属基复合材料（Metal Matrix Composite， MMC）一般是以金属或合金为基体，以颗粒、 晶须或纤维形式的第二相组成的复合材料。
金属基复合材料的特点
高比强度、 比模量 良好的导热、
... 导电性能
不吸潮、不老 化、气密性好
热膨胀系数小、 尺寸稳定性好
良好的断裂韧性 和抗疲劳性能
机械结合
浸润与溶解结合 化学反应结合
主要依靠增强剂的粗 糙表面的机械“锚固”
力结合。
如相互溶解严重，也 可能发生溶解后析出 现象，严重损伤增强 剂，降低复合材料的
性能。
大多数金属基复合 材料的基体与增强 相之间的界面处存 在着化学势梯度。 只要存在着有利的 动力学条件，就可 能发生相互扩散和
化学反应。
0190 全球金属基复合材料的产量分析
2015年全球金属基复合材料的产量为 6,673.8吨，预计2020年金属基复合材料的 产量为8,859.1吨。年复增长率为5.8%。
全球金属基复合材料产量分析/吨
4,500.00 4,000.00 3,500.00 3,000.00 2,500.00 2,000.00 1,500.00 1,000.00
金属基复合材料分类
增强体
颗粒增强金属基 复合材料
短纤维、晶须增强金 属基复合材料
长纤维强金属基复合 材料
层状复合材料
...
基体
铝基复合材料 铜基复合材料 镁基复合材料 钛基复合材料 镍基复合材料
...
结构复 合材料
功能复 合材料
金属复合材 料
来源：金属基复合材料-赵玉涛-2007，机械工业出版社
金属基复合材料的制备工艺主要有四大类： （1）固态法：(2) 液态法： (3) 喷射与喷 涂沉积法； (4) 原位复合法。
金属基复合材料的特点
高比强度、 比模量 良好的导热、
... 导电性能
不吸潮、不老 化、气密性好
热膨胀系数小、 尺寸稳定性好
良好的断裂韧性 和抗疲劳性能
机械结合
浸润与溶解结合 化学反应结合
主要依靠增强剂的粗 糙表面的机械“锚固”
力结合。
如相互溶解严重，也 可能发生溶解后析出 现象，严重损伤增强 剂，降低复合材料的
性能。
大多数金属基复合 材料的基体与增强 相之间的界面处存 在着化学势梯度。 只要存在着有利的 动力学条件，就可 能发生相互扩散和
化学反应。
0190 全球金属基复合材料的产量分析
2015年全球金属基复合材料的产量为 6,673.8吨，预计2020年金属基复合材料的 产量为8,859.1吨。年复增长率为5.8%。
全球金属基复合材料产量分析/吨
4,500.00 4,000.00 3,500.00 3,000.00 2,500.00 2,000.00 1,500.00 1,000.00
金属基复合材料分类
增强体
颗粒增强金属基 复合材料
短纤维、晶须增强金 属基复合材料
长纤维强金属基复合 材料
层状复合材料
...
基体
铝基复合材料 铜基复合材料 镁基复合材料 钛基复合材料 镍基复合材料
...
结构复 合材料
功能复 合材料
金属复合材 料
来源：金属基复合材料-赵玉涛-2007，机械工业出版社
金属基复合材料的制备工艺主要有四大类： （1）固态法：(2) 液态法： (3) 喷射与喷 涂沉积法； (4) 原位复合法。
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。
金属基复合材料制备
金属基复合材料制备金属基复合材料是指以金属作为基体，并添加一种或多种金属、非金属或有机物作为增强相，经一系列工艺制备而成的一种新型材料。
金属基复合材料具有金属的导电、导热、强度高等优点，同时又能克服金属材料的缺点，比如低的自重和高的成本。
因此，金属基复合材料具有广泛的应用前景，并被广泛运用于航空航天、汽车制造等领域。
一种常见的制备方法是粉末冶金法。
这种方法首先需要制备金属和增强相的可压粉末，然后通过压制、烧结等工艺将其烧结成块状材料。
具体操作步骤如下：1.混合：将金属和增强相的粉末按一定比例混合均匀，可以使用球磨机等设备进行混合。
2.压制：将混合好的粉末放入模具中，并施加一定的压力，压制成所需形状的绿体。
压制的压力和时间要根据材料的性质进行适当的控制。
3.烧结：将压制好的绿体置于高温炉中进行烧结。
在烧结过程中，金属和增强相之间会发生扩散反应，从而形成金属基复合材料的相。
另一种常见的制备方法是熔体复合法。
这种方法利用金属的熔化性质，在熔融状态下将增强相加入金属中，并通过一系列工艺制备所需的金属基复合材料。
具体操作步骤如下：1.准备金属和增强相：首先需要准备金属和增强相的原材料，可以选择适当的金属粉末、非金属粉末或有机物。
2.混合：将金属和增强相的原材料混合均匀，可以使用球磨机等设备进行混合。
混合时，可以根据需要添加一些助熔剂或增塑剂。
3.加热熔融：将混合好的原材料置于高温炉中进行加热，使其达到熔融状态。
加热温度和时间要根据材料的熔点和熔化性质进行适当的控制。
4.凝固：将熔融状态的金属和增强相冷却至固态，并形成金属基复合材料的块状。
除了上述制备方法，还有其他制备方法，比如穿梭法、叠层法等。
这些制备方法在不同的材料和需求下有不同的适用性。
金属基复合材料制备中需要注意的一些问题包括原材料的选择、混合均匀性、压制参数的选择、烧结温度的控制等。
此外，制备中还需要对所得到的材料进行性能测试和微观结构观察，以进一步确认制备的成功与否，并对其性能进行评估。
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2014-6-10 32/95
2、浸渗过程动力学 浸渗深度：
式中，为金属液密度， g 为重力加速度，H为初始液面 高，la为金属液表面张力， 为金属液润湿角， R为等 效半径，为动力粘度。
2014-6-10
33/95
假设金属为中锰钢。中锰钢存在一结晶温度区间, 这样上式中金属液的流动时间t 可分为两个阶段, 即金属液从浇注温度T浇冷却到液相线温度TL的时 间t1和金属液从TL冷却到固相连成网络、金属液 停止流动温度T停的时间t2。
两纤维平行接触，所需压力：
2014-6-10
19/95
两接触纤维轴线间有夹角，金属液渗入该夹角所 需压力为:
2014-6-10
20/95
（4）复合材料的凝固模式 基体组织细化： ① 压力下凝固，组织细化； ② 纤维的存在，异质生核； ③ 纤维的存在，约束生长。
2014-6-10
21/95
2014-6-10
11/95
第二节 金属基人工复合材料的凝固
常用的金属基复合材料制备工艺
2014-6-10
12/95
1、短纤维增强金属基复合材料的凝固
① ② ③ ④
采用挤压浸渗法制备。 复合材料的加压浸渗可分四 个步骤： 金属液所受压力逐渐升高并 开始浸渗预制块； 金属液在预制块中流动； 金属液在高压下进一步填充 预制块微小孔隙； 渗入预制块中的金属液在压 力下凝固形成复合材料。
将上式中的对数项按级数展开，并略去高次项， 可得金属液浸渗时间为：
2014-6-10
34/95
金属液浸渗深度为：
可见，影响浸渗深度h 的因素很多，主要有两方 面: （1）颗粒粒径及传热特性。随着颗粒粒径增大， h值相应增大；颗粒的换热系数越大，越不利于 金属液的浸渗；颗粒温度越高， 越有利金属液的 浸渗。
近代： 复合材料的发展始于20世纪40年代。
第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂复 合材料被美国空军用于制造飞机构件。
50年代得到了迅速发展。 我国：从1958年开始发展复合材料
2014-6-10
5/95
首先在航空航天技术和军事上应用。如 导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中。
同时，复合材料也成为发展高技术的关键 材料。 另外，还广泛应用于汽车工业、化工、纺 织、精密仪器、造船、建筑、电子、桥梁、 医疗、体育运动器材等领域。
2014-6-10
40/95
影响复合层厚度的因素： ①金属液浇注温度； ②离心力大小； ③粒子预热温度； ④铸型预热温度。
2014-6-10
41/95
（3）离心铸造梯度复合材料
功能梯度材料是指两种或多种材 料复合成组分和结构呈连续梯度 变化的一种新型复合材料；它要 求功能、性能随内部位置的变化 而变化，实现功能梯度的材料。 自然界有许多梯度材料的例子， 如竹子、贝壳、骨骼等。
2014-6-10
43/95
功能梯度材料的概念最早是由日 本科学家平井敏雄于 1984年首先 提出的，目的是要解决航空、航 天等高技术领域出现的苛刻条件 下使用的材料问题。
如航天飞机推进系统中超音速燃
烧冲压式发动机, 其燃烧室壁一侧接触高达2000℃的 燃烧气体，承受超高温，而另一侧则接触 -200℃ 的 液氢燃料，承受超低温。从而产生极大热应力。一
2014-6-10 30/95
3、铸渗表面复合材料
铸造表面复合材料是铸造金属基复合材料的一个 重要组成部分。 它把高硬度、高熔点、高弹性模量、耐磨、耐蚀 的陶瓷颗粒或纤维复合在不同性能的金属表面， 既可使整个构件具有满足工况要求的强韧性，又 可使构件表面一定厚度范围内具有高的耐磨、耐 蚀性,并能延长使用寿命。 重力铸造法，也称铸渗法，是铸造表面复合材料 的主要制作方法之一。 铸渗法主要有涂刷法和膏剂法。这两种方法均需 要加入有机或无机粘结剂和熔剂。
2014-6-10
16/95
（2）金属液在预制块中流动
当金属液开始向预制块中流动后，随浸渗 距离的增加, 所受阻力也增大。
2014-6-10
17/95
浸渗压为：
2014-6-10
18/95
（3）纤维间微小缝隙的进一步填充 浸渗过程中, 金属液总是优先填充预制块内较大的 孔隙。 而纤维接触或接近处的微小缝隙, 因曲率半径小, 填充难度大, 需待整个预制块的大孔隙都充满, 浸 渗压进一步提高, 方可实现进一步填充。
13/95
2014-6-10
2014-6-10
14/95
（1）临界浸渗压：临界浸渗压指金属液开始浸渗 预制块时所需的压力。 对预制块来说, 短纤维呈三维随机取向分布。空隙 呈不规则形状, 其等价毛细管半径为：
2014-6-1015/95来自 临界浸渗压为：
外加压力（抵消大气压力）只有高于Pc, 金 属液才能渗入预制块。当 其他参数一定时, 随Vf增大， 临界浸渗压增大。
2014-6-10
6/95
例： 波音757的机翼和机身复合材料整流包皮、直升 飞机中能量吸收结构部件等。 F117隐形飞机－－全复合材料 体育器材――鱼竿等，金牌有科学家的一半
各国在发展高技术计划中对先进复合材料 都给予优先考虑。 为增强我国综合国力，我国已把先进复合 材料作为发展高技术领域的关键新材料， 被列为国家高技术研究发展计划纲要重要 内容。
37/95
2014-6-10
（1）离心偏聚法 1976年，B. P. Krisnan等首次将石墨粒子采 用搅拌法加入铝合金液，然后将混合金属 液浇入垂直离心铸造机的水玻璃砂型中， 获得了内表层富集石墨粒子、外表层不含 石墨粒子的复合材料管件。
2014-6-10
38/95
影响颗粒分布的因素
2014-6-10 42/95
• 越王勾践剑深埋地下2400多年，1965年冬出 土时依旧寒光逼人，锋利无比。 • 1977年12月，复旦大学与中科院等对剑进行了 无损检测。
• 主要成分是铜、锡及少量的铝、铁、镍、硫。
• 剑的各个部位铜和锡的比例不一。剑脊含铜较 多，韧性好，不易折断；刃部含锡高，硬度大， 使剑非常锋利；花纹处含硫高，硫化铜可防锈 蚀。形成了良好的成分梯度。
2014-6-10
31/95
金属液浸渗颗粒层动力学分析
1、颗粒层等效毛细半径
颗粒层可看成多孔体，其孔隙错综复杂，四通八 达。要研究金属液浸渗颗粒层的过程,必须对颗粒 层进行简化。设颗粒层内有若干垂直于铸型底面 的毛细管道，其等效半径为R，颗粒占颗粒层的 体积分数为Vf。则：
可见, 颗粒层等效毛细半径与颗粒体积分数有关。 体积分数越大，等效毛细半径越小。
47/95
Cu
功能梯度材料的元素 分布及电镜组织
Mo
钼 铜 电 子 探 针 分 析 FGM -
Cu
Mo Mo/Cu FGM材料
2014-6-10
48/95
1987年，日本科学技术厅提出了一项“关于开发缓和热应力 的梯度功能材料的基础技术研究计划”。 功能梯度材料的出现引起了世界其他国家材料工作者的极大 兴趣。
－动物骨骼： 无机磷酸盐和蛋白质胶原的复合体 人类使用、效仿的材料 ：
半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今
漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年 敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里圆木表面的披麻覆 漆
2014-6-10 3/95
牛粪+黄泥—复合材料：粮囤内层，防 漏，防虫，强化
2014-6-10
4/95
第七章 金属基复合材 料的凝固
2014-6-10
1/95
材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料
各有千秋
扬长避短
克服单一材料的缺点
产生原来单一材料本身所没有的新性能
复合材料
2014-6-10
2/95
第一节 概论
发展过程：古代－近代－先进复合材料
天然复合材料：
－贝壳、树木和竹子： 纤维素和木质素的复合体
ZA22合金常压铸态组 织
ZA22合金高压铸态组 织
ZA22/Al2O3复合材料组织
2014-6-10 22/95
2014-6-10
23/95
2、颗粒增强金属基复合材料的凝固
搅拌铸造法
2014-6-10
24/95
大多数复合材料中 颗粒分布不均匀
陶瓷颗粒在基体中是 否均匀分布取决于颗 粒与凝固界面的相互 作用
2014-6-10
8/95
复合材料结构示意图
a)层叠复合 b)连续纤维复合 c)细粒复合 d)短切纤维复合
2014-6-10 9/95
2014-6-10
10/95
目前状况
玻璃钢和树脂基复合材料：非常成熟，广泛应 用； 金属基复合材料：开发阶段，某些结构件的关 键部位；
陶瓷基复合材料及功能复合材料等：尚处于研 究阶段，有不少科学技术问题有待解决。
材料从陶瓷到金属，其耐热 性逐渐降低，强度缓慢升高。
热应力在材料两端很小，在
材料中部达到峰值，因而有
效地缓和了热应力。
耐 超 热 性 能
陶瓷 金属
力 学 性 能
热应力缓和作用
2014-6-10 46/95
扫 描 电 镜 观 察
金属/陶瓷功能梯 度材料
Sn
Al2O3
维 氏 硬 度 压 痕
2014-6-10
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般材料显然满足不了这一要求。
44/95
2、浸渗过程动力学 浸渗深度：
式中，为金属液密度， g 为重力加速度，H为初始液面 高，la为金属液表面张力， 为金属液润湿角， R为等 效半径，为动力粘度。
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假设金属为中锰钢。中锰钢存在一结晶温度区间, 这样上式中金属液的流动时间t 可分为两个阶段, 即金属液从浇注温度T浇冷却到液相线温度TL的时 间t1和金属液从TL冷却到固相连成网络、金属液 停止流动温度T停的时间t2。
两纤维平行接触，所需压力：
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两接触纤维轴线间有夹角，金属液渗入该夹角所 需压力为:
2014-6-10
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（4）复合材料的凝固模式 基体组织细化： ① 压力下凝固，组织细化； ② 纤维的存在，异质生核； ③ 纤维的存在，约束生长。
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第二节 金属基人工复合材料的凝固
常用的金属基复合材料制备工艺
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1、短纤维增强金属基复合材料的凝固
① ② ③ ④
采用挤压浸渗法制备。 复合材料的加压浸渗可分四 个步骤： 金属液所受压力逐渐升高并 开始浸渗预制块； 金属液在预制块中流动； 金属液在高压下进一步填充 预制块微小孔隙； 渗入预制块中的金属液在压 力下凝固形成复合材料。
将上式中的对数项按级数展开，并略去高次项， 可得金属液浸渗时间为：
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金属液浸渗深度为：
可见，影响浸渗深度h 的因素很多，主要有两方 面: （1）颗粒粒径及传热特性。随着颗粒粒径增大， h值相应增大；颗粒的换热系数越大，越不利于 金属液的浸渗；颗粒温度越高， 越有利金属液的 浸渗。
近代： 复合材料的发展始于20世纪40年代。
第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂复 合材料被美国空军用于制造飞机构件。
50年代得到了迅速发展。 我国：从1958年开始发展复合材料
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首先在航空航天技术和军事上应用。如 导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中。
同时，复合材料也成为发展高技术的关键 材料。 另外，还广泛应用于汽车工业、化工、纺 织、精密仪器、造船、建筑、电子、桥梁、 医疗、体育运动器材等领域。
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影响复合层厚度的因素： ①金属液浇注温度； ②离心力大小； ③粒子预热温度； ④铸型预热温度。
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（3）离心铸造梯度复合材料
功能梯度材料是指两种或多种材 料复合成组分和结构呈连续梯度 变化的一种新型复合材料；它要 求功能、性能随内部位置的变化 而变化，实现功能梯度的材料。 自然界有许多梯度材料的例子， 如竹子、贝壳、骨骼等。
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功能梯度材料的概念最早是由日 本科学家平井敏雄于 1984年首先 提出的，目的是要解决航空、航 天等高技术领域出现的苛刻条件 下使用的材料问题。
如航天飞机推进系统中超音速燃
烧冲压式发动机, 其燃烧室壁一侧接触高达2000℃的 燃烧气体，承受超高温，而另一侧则接触 -200℃ 的 液氢燃料，承受超低温。从而产生极大热应力。一
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3、铸渗表面复合材料
铸造表面复合材料是铸造金属基复合材料的一个 重要组成部分。 它把高硬度、高熔点、高弹性模量、耐磨、耐蚀 的陶瓷颗粒或纤维复合在不同性能的金属表面， 既可使整个构件具有满足工况要求的强韧性，又 可使构件表面一定厚度范围内具有高的耐磨、耐 蚀性,并能延长使用寿命。 重力铸造法，也称铸渗法，是铸造表面复合材料 的主要制作方法之一。 铸渗法主要有涂刷法和膏剂法。这两种方法均需 要加入有机或无机粘结剂和熔剂。
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（2）金属液在预制块中流动
当金属液开始向预制块中流动后，随浸渗 距离的增加, 所受阻力也增大。
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浸渗压为：
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（3）纤维间微小缝隙的进一步填充 浸渗过程中, 金属液总是优先填充预制块内较大的 孔隙。 而纤维接触或接近处的微小缝隙, 因曲率半径小, 填充难度大, 需待整个预制块的大孔隙都充满, 浸 渗压进一步提高, 方可实现进一步填充。
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（1）临界浸渗压：临界浸渗压指金属液开始浸渗 预制块时所需的压力。 对预制块来说, 短纤维呈三维随机取向分布。空隙 呈不规则形状, 其等价毛细管半径为：
2014-6-1015/95来自 临界浸渗压为：
外加压力（抵消大气压力）只有高于Pc, 金 属液才能渗入预制块。当 其他参数一定时, 随Vf增大， 临界浸渗压增大。
2014-6-10
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例： 波音757的机翼和机身复合材料整流包皮、直升 飞机中能量吸收结构部件等。 F117隐形飞机－－全复合材料 体育器材――鱼竿等，金牌有科学家的一半
各国在发展高技术计划中对先进复合材料 都给予优先考虑。 为增强我国综合国力，我国已把先进复合 材料作为发展高技术领域的关键新材料， 被列为国家高技术研究发展计划纲要重要 内容。
37/95
2014-6-10
（1）离心偏聚法 1976年，B. P. Krisnan等首次将石墨粒子采 用搅拌法加入铝合金液，然后将混合金属 液浇入垂直离心铸造机的水玻璃砂型中， 获得了内表层富集石墨粒子、外表层不含 石墨粒子的复合材料管件。
2014-6-10
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影响颗粒分布的因素
2014-6-10 42/95
• 越王勾践剑深埋地下2400多年，1965年冬出 土时依旧寒光逼人，锋利无比。 • 1977年12月，复旦大学与中科院等对剑进行了 无损检测。
• 主要成分是铜、锡及少量的铝、铁、镍、硫。
• 剑的各个部位铜和锡的比例不一。剑脊含铜较 多，韧性好，不易折断；刃部含锡高，硬度大， 使剑非常锋利；花纹处含硫高，硫化铜可防锈 蚀。形成了良好的成分梯度。
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金属液浸渗颗粒层动力学分析
1、颗粒层等效毛细半径
颗粒层可看成多孔体，其孔隙错综复杂，四通八 达。要研究金属液浸渗颗粒层的过程,必须对颗粒 层进行简化。设颗粒层内有若干垂直于铸型底面 的毛细管道，其等效半径为R，颗粒占颗粒层的 体积分数为Vf。则：
可见, 颗粒层等效毛细半径与颗粒体积分数有关。 体积分数越大，等效毛细半径越小。
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Cu
功能梯度材料的元素 分布及电镜组织
Mo
钼 铜 电 子 探 针 分 析 FGM -
Cu
Mo Mo/Cu FGM材料
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1987年，日本科学技术厅提出了一项“关于开发缓和热应力 的梯度功能材料的基础技术研究计划”。 功能梯度材料的出现引起了世界其他国家材料工作者的极大 兴趣。
－动物骨骼： 无机磷酸盐和蛋白质胶原的复合体 人类使用、效仿的材料 ：
半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今
漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年 敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里圆木表面的披麻覆 漆
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牛粪+黄泥—复合材料：粮囤内层，防 漏，防虫，强化
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第七章 金属基复合材 料的凝固
2014-6-10
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材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料
各有千秋
扬长避短
克服单一材料的缺点
产生原来单一材料本身所没有的新性能
复合材料
2014-6-10
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第一节 概论
发展过程：古代－近代－先进复合材料
天然复合材料：
－贝壳、树木和竹子： 纤维素和木质素的复合体
ZA22合金常压铸态组 织
ZA22合金高压铸态组 织
ZA22/Al2O3复合材料组织
2014-6-10 22/95
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2、颗粒增强金属基复合材料的凝固
搅拌铸造法
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大多数复合材料中 颗粒分布不均匀
陶瓷颗粒在基体中是 否均匀分布取决于颗 粒与凝固界面的相互 作用
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复合材料结构示意图
a)层叠复合 b)连续纤维复合 c)细粒复合 d)短切纤维复合
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目前状况
玻璃钢和树脂基复合材料：非常成熟，广泛应 用； 金属基复合材料：开发阶段，某些结构件的关 键部位；
陶瓷基复合材料及功能复合材料等：尚处于研 究阶段，有不少科学技术问题有待解决。
材料从陶瓷到金属，其耐热 性逐渐降低，强度缓慢升高。
热应力在材料两端很小，在
材料中部达到峰值，因而有
效地缓和了热应力。
耐 超 热 性 能
陶瓷 金属
力 学 性 能
热应力缓和作用
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扫 描 电 镜 观 察
金属/陶瓷功能梯 度材料
Sn
Al2O3
维 氏 硬 度 压 痕
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