金属基复合材料课件

1、1,金属基复合材料,2,随着现代科学技术的飞速发展，人们对材科的要求越来越高。 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。 金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。,一、金属基复合材料概述,3,金属基复合材料(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,金属基复合材料的例子可追溯到古文明时期。在土耳其发现的公元前7000年的铜锥子，它是经过反复拓平与锤打研制成的。在这个过程个，非金属夹杂物被拉长。 弥散强化金属材料：始于1924年，Schmit关于铝氧化铝粉末烧结，导致上世纪50及60年代的广泛研究。 沉淀强化的理论开始于30年代，并在以后的几十年里得到了发展。,6,金属基复合材料真正的起步是在20世纪5

2、0年代末或60年代初。 美国国家航空和宇航局(NASA)成功地制备出W丝增强的Cu基复合材料，成为金属基复合材料研究和开发的标志性起点。 随后，对纤维金属基复合材料的研究在20世纪60年代迅速发展起来。那时，主要的力量集中在以钨和硼纤维增强的铝和铜为基的系统。在这种复合材料里，基体的主要功能在于把载荷传递和分配给纤维。增强体的体积分数一般都很高(约40-80)，得出的轴向性能都很好，因而基体的组织与强度似乎是次要的。,7,关于连续纤维增强的复合材料的研究在70年代里有点滑坡，主要归咎干该材料的昂贵价格和受生产制造的限制。 涡轮发动机的各个部件对于高温高效性材料的不断需求，触发了对金属基复合材科特别是钛基材料的广泛兴趣的复苏。,8,由于金属基复合材料具有极高的比强度、比刚度，以及高温强度，首先在航空航天上得到应用，今后也将在航空航天领域占据重要位置。 随后，在汽车、体育用品等领域也得到了应用，特别是晶须增强复合材料和颗粒增强复合材料在日本的民用领域得到较好的应用。,9,金属基复合材料的研究重点： 1）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能； 2）增强相/基体的界面优化、界面设

3、计； 3）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和降低成本； 4）新型增强剂的研究开发； 5）复合材料的扩大应用。,10,二、金属基复合材料种类和性能,金属基复合材料的分类 按增强材料分类： 颗粒、晶须增强金属基复合材料 层状复合材料 纤维增强金属基复合材料,11,颗粒增强复合材料，是指弥散的硬质增强项的体积超过20%的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。 颗粒直径和颗粒间距一般大于1m。,用粉末冶金做的颗粒增强金属基复合材料,层状复合材料，是指在韧性和成形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。 层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。 由于薄片增强的强度不如纤维增强相的高，因此层状结构符合材料的强度收到了限制。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势。,12,13,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）可以使用在较高温的工作环境之下。 常用的基体金属材料有铝合金、钛合金

4、和镁合金。,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。,MMC的SEM照片,14,按基体材料分类：,铝基复合材料 镍基复合材料 镁基复合材料 钛基复合材料 高温合金基复合材料 金属间化合物基复合材料,15,16,17,18,19,20,21,按用途分类： 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。 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 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。,高比强度、比模量 良好导热、导电性能 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 良好的高温性能 良好的耐磨性能 良好的断裂韧性和抗疲劳性能 不吸潮、不老化、气密性好,22,二、金属基复合材料种类和性能,23,三、金属基复合材料的制备工艺,1、金属基复合材料制备工艺的选择原则： 1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合

5、； 2）界面的形成机制，界面产物的控制及界面设计； 3）增强剂在基体中的均匀分布； 4 ）制备工艺方法及参数的选择和优化； 5）制备成本的控制和降低，工业化应用的前景。,24,25,金属基复合材料制备工艺的分类： 1）固态法：真空热压扩散结合、超塑性成型 / 扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。 2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。 3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。 4）原位生长法。,26,连续增强相金属基复合材料的制备工艺,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,碳纤维 硼纤维 SiC纤维 Al2O3纤维 ,27,不连续增强相金属基复合材料的制备工艺,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,颗粒,晶须,短纤维,28,29,1） 固态法,30,1） 固态法 - 粉末冶金法,31,粉末冶金法,一、粉料制备与压制成型 粉末混料均匀并加入适当的助剂，再进行压制成型，粉粒间的原子通过固相扩散和机械

6、咬合作用，使制件结合为具有一定强度的整体。 二、烧结 将压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为基体金属熔点的2/33/4倍。由于高温下不同种类原子的扩散，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的再结晶，使粉末颗粒相互结合。,32,粉末冶金法制造金属基复合材料的工艺流程,33,1） 固态法 - 粉末冶金法,34,1） 固态法 - 粉末冶金法,35,常用的粉末冶金材料 （1）粉末冶金减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。 （2）粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有3060的体积孔隙度，孔径1100微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。 （3）粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。,36,（4）粉末冶金工模具材料。包括 硬质合金 、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，

7、使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。 （5）粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。 （6）粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、 金属陶瓷 、弥散强化和纤维强化材料等。用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。,37,1） 固态法 - 固态扩散法,将固态的纤维和金属适当的组合，在加压、加热条件下，使他们相互扩散结合成复合材料的方法。,38,1） 固态法 - 固态扩散法,39,热压法制备金属基复合材料工艺简图,40,1） 固态法 - 固态扩散法,41,1） 固态法 - 固态扩散法,42,汽车发动机用粉末烧结钢零件,43,汽车变速器系统用粉末烧结钢件:,44,在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型。 主要工艺因素有熔融金属的温度、模具预热温度、压力和加压速度等。,2） 液态法(1) 压铸法（Squeeze Casting）,45,2） 液态法(2)真空压力浸渍法,46,3) 喷射沉积法（Spray Co-deposition

8、）,在高速惰性气体射流的作用下，液态金属形成“雾化锥”；同时通过一个或多个喷嘴向“雾化锥”喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在一基板（收集器）上沉积并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。,喷射成型法示意图,47,3) 喷射沉积法（Spray Co-deposition）,48,以制备AlN/Al复合材料为例，将增强剂预制体放入同样形状的陶瓷槽中，铝合金坯料放在预制体上。 在流动氮气的气氛下，加热至800 1000C时，铝合金熔化并自发渗入预制体内，氮气与铝反应生成AlN。控制氮气流量、温度和渗透速度，可控制AlN的生成量。 AlN起到提高复合材料刚度、降低热膨胀系数的作用，但强度较低。这是一个低成本的制备工艺。,49,4、原位（In situ）生长（复合）法,增强相从基体中直接生成，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强相之间的润湿和界面反应等问题，基体与增强相结合良好，较好的解决了界面相容性问题。,50,三、金属基复合材料的界面和界面设计,1、金属基复合材料的界面,51,第一类界面：界面微观是平整的，而且只有分子层厚度。界面除了原组成物质外，基本不含其它物质。 第二类界面：基体

9、与增强相经过扩散 渗透相互溶解而形成界面。这类界面往往在增强相周围，如纤维周围，形成溶解扩散层。 第三类界面：界面处有微米和亚微米级的界面反应物质层。有时并不是一个完整的界面层，而是在界面上存在着界面反应产物。,52,2、金属基复合材料的界面结合,在金属基复合材料中，需要在增强相和基体界面上建立一定的结合力。在不同的界面结合受载时，如结合太弱，纤维大量拔出，强度低；结合太强，纤维受损，材料脆断，既降低强度，又降低塑性。只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高塑性。,53,金属基复合材料的界面结合形式,（1）机械结合：第一类界面。主要依靠增强剂的粗糙表面的机械“锚固”力结合。 （2）浸润与溶解结合：第二类界面。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。如采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料以及碳纤维/镍基复合材料在600C下碳在镍中先溶解后析出的现象等。 （3）化学反应结合：第三类界面。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。,54,3、金属基复合材料的界面优化以及界面设计,改善增强剂与基体的润湿性以及控制界面反应的速度和反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或界面层的产生，进一步进行复合材料的界面设计，是金属基复合材料界面研究的重要内容。 从界面优化的观点来看，增强剂与基体的在润湿后又能发生适当的界面反应，达到化学结合，有利于增强界面结合，提高复合材料的性能。,55,界面优化以及界面设计一般有以下几种途径：,1 增强剂的表面改性处理 （1）改善增强剂的力学性能（保护层）； （2）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿层）； （3）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应（阻挡层）； （4）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数等的不同以及热应力集中等因素所造成的物理相容性差的现象（过渡层、匹配层）。 常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有：PVD、CVD、电化学、溶胶-凝胶法等。,56,2 金属基体改性（添加微量合金元素）,在金属基体中添加某些微量合金元素以改善增强剂与基体的润湿性或有效控制界面反应。 （1）控制界面反应

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