钛基复合材料的性能特点及应用
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。
金属基复合材料性能及其在耐压壳体设计中的应用
深海潜水器耐压壳体是潜水器的主要组成部分，其性 能、结构形式对于潜水器性能有着决定性的影响。必须满 足潜水器重量、抗压、抗腐蚀等要求，保障潜水人员与设 备的安全。所以保证耐压壳体的强度与稳定性是其设计的 重点，而如何选择强度高、抗腐蚀性能强的材料则成为提 升耐压壳体质量的关键。考虑在一定水深压力下，耐压壳 体能够不因外力而产生结构性的损坏。在相关研究中从耐 压壳体材料的比强度、比刚度、可设计性、可装配性、可 生产性、经济性和重量排水比等方面进行评价 [2]。例如目 前常用的耐压壳体材料包括钢、铝、钛、玻璃等。钢的屈 服强度与比强度较高，所以在浅海耐压壳体的制造中应用 较为广泛。而在深海，则需要具备更优质抗压能力的钛合 金材料，钛合金材料强度、密度都具优势，所以是最佳的 耐压壳体材料，但钛合金材料的可焊接性不具备优势。
根据表 1 可知，铁基软磁材料样品具有很高的饱和 磁强度，在垂直磁场和平行磁场中，铁基软磁材料更容 易被磁化。在表 2 中，F r e q u e n c y 表示为样品的频率， μ2 表示为样品的有效磁导率。根据交流磁性能表可知， 铁基软磁材料的有效磁导率随着频率的增加而减少，最 后在频率 20 时大体就可以维持在稳定区间。 4 结论
作者简介：钱瑜（1983- ），女，江苏无锡，本科，工程师，研 究方向：磁性材料性能及测试。
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材料：实验与研究 信息记录材料 2021年6月 第22卷第6期
中必须要增强其抗压强度，减少海水腐蚀，选择具有高强度、 高韧性、比重轻、耐腐蚀的新型材料。例如目最常使用的 包括金属和非金属材料作为耐压壳体的设计与使用材料， 满足深海潜水器对高性能设备的要求，希望本文研究能够 为耐压壳体材料选用与设计提供一定参考与理论依据。 2 金属基复合材料分类与性能
金属基复合材料
压铸成型法的具体工艺
将包含有增强材料的金属 熔体倒入预热摸具中后，迅 速加压，压力约为70-100MPa， 使液态金属基复合材料在压 力下凝固。 复合材料完全固化后顶出， 制得所需形状及尺寸的复合 材料的坯料或压铸件。
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压铸成型法的特点
压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要 有四个：①熔融金属的温度、 ②模具预热温度、 ③使用的 最大压力、 ④加压速度。 在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料， 一般压力不低于50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜， 一般为1-3cm/s。 对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为700-800℃，预 制件和模具预热温度一般可控制在500-800℃，并可相互补 偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。 采用压铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、 无气孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。 与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺设备简 单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。 32
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粉末冶金法的优点
① 热等静压或烧结温度低于金属熔点，由于高温引起的增 强材料与金属基体的界面反应少，减小了界面反应对复合材 料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的温度、 压力和时间等工艺参数来控制界面反应。 ② 可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与 基体金属粉末以任何比例混合，纤维含量最高可达75%，颗粒 含量可达50%以上，这是液态法无法达到的。 ③ 降低增强材料与基体互相湿润及密度差的要求，使颗粒 或晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中。 ④ 采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般 不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到 明显改善，提高复合材料的性能。 ⑤ 金属基复合材料可通过传统的金属加工方法进行二次加 21 工，得到所需形状的复合材料构件毛坯。
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。
钛合金在飞机上的应用_杨健
NEW OBSERVATION新观察航空制造技术２００６年第１１期当今要求航空材料具有质轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、抗氧化和加工成形性好等良好的综合性能，既要保证飞机机体和发动机零件在受力、高温、腐蚀和其他作用条件下有较强的工作能力，又要使飞机达到高的技术品质。
钛合金由于比强度高、耐腐蚀、耐热等良好的综合性能和结构效益高而被广泛用于航空领域，多用于制造航空发动机中要求强度高与耐热性好的重要零部件和飞机机体结构件，尤其适用于大马赫数飞行的飞机。
随着航空工业的进一步发展，钛合金在飞机上的使用将越来越多。
随着飞机更新换代的加速，对飞机性能要求不断提高，而飞机性能的改进首先需要从材料入手，既要选用先进材料来降低机体重量，又要考虑材料的可靠性和经济性。
基于这样的背景需求，铝合金在飞机上应用的主导地位开始被削弱，逐渐被满足高性能要求的新材料所代替，其中，钛合金为飞机设计者所青睐。
机承力构件。
通过添加Ｓｉ元素使该合金在中温保持较高强度，优于Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ。
该合金板材可在室温下进行超塑性成形，是Ｆ－２２战斗机的主要材料，用于制造飞机下部龙骨翼弦锻件。
固溶时效后拉伸强度可达１２００ＭＰａ，屈服强度１１００ＭＰａ，拉伸及压缩模量比Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ高８％，裂纹扩展速率与高纯Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金相当，固溶处理后的成形性比退火态好，成为最佳选用材料。
Ｔｉ－１０Ｖ－２Ｆｅ－３Ａｉ（ＴＢ６）是２０世纪７０年代后期发展的一种高强、高韧近β型钛合金。
该合金具有比强度高、断裂韧性好、淬透面积大、各向异性小、锻造性能好和抗腐蚀能力强等优点，兼有亚稳β钛合金的诸多优点而不丧失α－β钛合金的固溶特性，能满足损伤容限设计需要和高结构效益、高可靠性及低成本要求，最高工作温度３２０℃。
该合金主要产品有棒材、锻件、厚板和型材，用于制造飞机机身、机翼和起落架结构钛合金锻件，包括梁、框、短舱接头、襟翼滑轨等。
在不考虑刚度的情况下，用该目前，国内外军民机上应用的典型钛合金有：Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ（ＴＣ４）是２０世纪６０年代初期研制的一种中等强度α－β型钛合金，具用优良的综合性能，誉称万能合金，是最早最广泛用于飞机结构的通用钛合金，包括板材、棒材和锻铸件等。
一张图看懂金属基复合材料
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。
复合材料第十三章-金属基复合材料
颗粒 晶须 短纤维
铝合金—固态、液态、原位生长、喷射成型法 镁合金—液态法 钛合金—固态、液态法、原位生长法 高温合金—原位生长法 金属间化合物—粉末冶金、原位生长法
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积层复合材料：由两层或多层不同的层板组成的材 料，根据需要选择不同的层板（金属、非金属）， 使积层复合材料具有多种优异的性能。 混杂复合材料：一种增强体和两种基体；
功能型金属基复合材料： 例如：半导体器件底板受热容易翘曲，使硅片上产生 微裂纹；采用铜和碳纤维复合后，刚性提高，同时调 节了膨胀系数。
大型蓄电池的铅板重、刚性差、容易翘曲；采用铅 和碳纤维复合后，强度和模量提高，同时不容易翘曲。
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增强体的作用： 连续纤维或长纤维增强：
以高性能的纤维为增强体，金属或其合金作为基 体。纤维为承受复合的主要组元，纤维的加入大大改 善了材料的力学性能，也提高了耐热性能。
常用的纤维：硼纤维、碳（石墨）纤维、碳化硅、 氧化硅纤维等。
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3
连续增强相金属基复合材料的制备工艺
碳纤维 硼纤维 SiC纤维 氧化铝纤维
铝合金——固态、液态法 镁合金—— 固态、液态法 钛合金—— 固态法 高温合金——固态法 金属间化合物——固态法
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非连续型纤维：短纤维、晶须、颗粒等为增强体。复 合材料的力学性能不及连续纤维增强金属基体复合材 料，但价格便宜。
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主要控制工艺参数 ① 金属基体熔体的温度应使熔体达到30%~50%固态； ② 搅拌速度应不产生湍流以防止空气裹入，并使熔体中 枝晶破碎形成固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗 粒的加入。
由于浇注时金属基复合材料是处于半固态，直接浇注成型 或压铸成型所得的铸件几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密。
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
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