第十章 金属基复合材料

汽车发动机 工作温度较高 气体腐蚀、耐磨、导热 工作温度450℃以下的
高温强度、抗
铝合金、镁合金
工作温度450～650℃ 不锈钢
工作温度800℃以上的 合金
更耐热的钛合金、
铁基和镍基耐热
（2）针对增强体类型 连续纤维增强型：纤维具有高强度和高模量， 连续纤维是主要承载体，基体应有良好的 塑性和纤维相容性。一般采用纯铝或低合 金防锈铝合金作基体。 非连续增强型：金属基体是主要承载体，基 体强度对材料有决定性影响，一般选择高 强度铝合金作基体。
玻璃纤维 ：
• 较高的强度，相对密度小，化学稳定性高， 耐热性好，价格低 。 • 缺点是脆性较大，耐磨性差，纤维表面光 滑而不易与其它物质结合。 • 玻璃纤维可制成长纤维和短纤维，也可以 织成布，制成毡。 其它纤维：氧化铝纤维、天然纤维、高分子 纤维
（2）晶须 • 晶须：直径只有0.2～1.0微米的针状单晶体， 长度约几十微米。 • 晶体缺陷很少，强度接近完整晶体的理论 值，可明显提高复合材料的强度和弹性模 量。 • 晶须包括金属晶须和陶瓷晶须。陶瓷晶须 比金属晶须强度高，相对密度低，弹性模 量高，耐热性好。
2.增强体材料 连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒 作用：提高材料强度、模量、高温强度、 耐磨性 性能要求：增强体应具有高比强度、高模 量、高温强度、高硬度、低热膨胀，良好 的化学稳定性、浸润性、相容性，无严重 的不良界面反应。 配合基体，增强性能
（1）连续纤维 沿轴向有很高的强度和弹性模量。长度较长， 直径范围：5.6～14μm（束丝），95～140 μm（单丝）。
• 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
第三节 金属基复合材料界面、强化、断裂 1.金属基复合材料界面
界面位于基体与增强之间，起传递载荷的 作用。 金属基复合材料在制作或使用过程中，需 要控制界面的化学反应，以获得适宜的界 面粘结强度。
• 纤维和基体的热膨胀系数应相适应。 • 纤维所占的体积百分比必须大于一定的体 积含有率。 • 不连续短纤维必须大于一定的长度。
（2）强余热应 力都会产生位错。 如果增强体与金属基体间的错配应变由放 出位错环来松弛，就会产生强化作用。
错配应变：增强体的自然形状与它在金属 基体中所占空穴的形状间的差别。
3.金属基复合材料的断裂
（1）连续长纤维金属基复合材料的断裂
• 金属基体的韧性比纤维高很多，因此基体 的失效应变大于纤维的时效应变 • 复合材料的断裂主要是由连续纤维断裂所 引起
（2）不连续金属基复合材料的断裂 • 短纤维（晶须）很少开裂 • 大尺寸颗粒才会开裂，尺寸>20μm • 基体内孔洞的形成和连接是不连续金属基 复合材料断裂的主要机制。
镁基复合材料的界面反应 • 低温镁与碳不起反应 • 镁与碳化硅一般不反应 • 镁与氧反应强烈，生成MgO或 MgO•Al2O3尖晶石
钛基复合材料的界面反应 • 钛和硼反应生成TiB2，从室温到高温都稳 定。 • 钛及钛合金很容易与大部分增强体反应， 但不同体系的反应速度有显著差异 • 增强体是SiC时，产生明显的界面反应。 对性能有害。
• TiB2-Ti的反应速率明显比SiC-Ti的反应速 率慢。B4C-Ti的反应速率处于两者之间。
2.金属基复合材料的强化 (1)影响强化的因素 a.粒子增强复合材料 基体材料承受主要载荷，增强粒子高度弥 散地分布在基体中，阻碍导致塑性变形的 位错运动。 粒子直径一般在0.01μ～0.1μ范围内时增强 效果最好；直径过大时，引起应力集中； 直径小于0.01μ时，则近似于固溶体结构， 作用不大。
b.细晶强化 不连续增强金属基复合材料具有极细的晶粒 尺寸，远比非增强基体金属细小。 晶粒尺寸不同，对再结晶有两种影响：
若颗粒尺寸较小，颗粒会钉扎大角晶界；
若颗粒尺寸较大，颗粒会促进再结晶形核， 使复合材料获得极细小晶粒。
c.弥散强化 时效强化相，在颗粒增强金属基复合材料 中的效果作用并不显著。 颗粒尺寸和颗粒间距大于时效强化合金。
基体：铝基、镁基、钛基、钢基、铜基
增强体：连续纤维、短纤维、晶须、颗粒
金属基复合材料性能特点：高比强度、高模 量、高韧性、高导热导电性、膨胀系数小、 耐磨性好、高温强度高、表面稳定性好。
第一节 金属基复合材料体系选择
1.基体选择
工作环境、工作要求 增强体类型 （1）工作环境、要求 航空航天领域 要求高比强度、高比模量和 高尺寸稳定性 体积质量小的金属合金 镁、铝合金
（1）混粉与压制法 将金属粉末与陶瓷纤维或颗粒混合（干混或 悬浮液），抽真空后，高温致密化。 热等静压，热挤压 （2）薄膜扩展粘合 用于制造纤维增强钛合金。将排列的纤维置 于钛合金薄膜之间，然后热压。 在热压过程中，钛合金发生塑性流变，使之 致密化。
（3）物理气相沉积法 基体金属升华为气相，将长纤维连续的输送 入气相中，金属或合金便在纤维表面沉积 下来，生成较厚的涂层。 然后将经过涂层的纤维束集合起来，进行热 压或热等静压，形成金属基复合材料。
硼纤维： • 强度高，弹性模量大，耐高温性能好
• 在现代航空结构材料中，硼纤维的弹性模 量绝对值最高 • 硼纤维的相对密度大，延伸率差，价格昂 贵 • 硼纤维是用化学沉积的方法将还原生产的 硼元素涂覆到钨和碳丝上面制得的
碳化硅纤维： • 优良的高温强度，高熔点、高强度、高硬 度、高弹性模量，是一种陶瓷纤维。 • 化学沉积法：氢和硅烷混合气体在1300℃ 的钨丝上反应生成碳化硅纤维。 烧结法（有机聚合物转化法）：有机硅聚 合物纺丝1000℃以上烧结。
• 铝与碳反应生成Al4C3
• 铝与硼界面反应生成AlB2和AlB12，铝基 成分不同，产物不同。
• 铝与碳化硅反应生成Al4C3和Si。温度低于 620℃时，铝与碳化硅不能反应。在热处理 过的Al-Mg/SiC复合材料中，界面反应产物 有薄层Al4C3，提高了界面粘结强度，阻碍 界面滑动并明显提高弹性模量。 • 镁在铝合金基体中可显著提高界面活性。
第二节 金属基复合材料性能设计
• 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。
A f f (1 f ) 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 纤维断裂所引起。 • 对片层金属基复合材料，抗拉强度σCu为：
碳纤维： • 碳纤维和石墨纤维的总称。 • 高强度、高弹性模量，优良的导热性和导 电性，低膨胀系数，优异的高温力学性能
• 碳纤维的相对密度小，弹性模量高，而且 在2500℃无氧气氛中也不降低。 石墨纤维的耐热性和导电性比碳纤维高， 并具有自润滑性。 • 碳纤维在高温下与金属有不同程度的界面 反应，导致损伤碳纤维。 • 制备方法：有机纤维在惰性气体中，经高 温碳化可以制成碳纤维和石墨纤维。在 2000℃以下制得碳纤维，再经2500℃以上 处理得石墨纤维。
增强体与基体之间的结合强度对复合材料 的性能影响很大。
如果界面结合强度低，则增强体与基体 很容易分离， 起不到增强作用， 如果界面结合强度太高，则增强体与基 体之间的应力无法松弛，容易形成脆性 断裂。
铝基复合材料的界面反应 • 铝是高度活泼的金属，可与大部分增强 体起反应。由于表面有Al2O3层，故反应 速度比较慢。
b.纤维增强复合材料 复合效果取决于纤维和基体的性质、界面 物理、化学的作用以及纤维的含量、长度、 排列方式等因素。
为了达到纤维增强的目的，必须注意以下问 题： • 纤维增强复合材料中承受外加载荷主要靠 增强纤维。因此应选择强度和弹性模量都 高于基体的纤维材料作增强剂。
• 纤维和基体之间要有一定的粘结作用，两 者之间的结合力要能保证基体所受的力通 过界面传递给纤维。 但结合力不能过大，如果界面结合强度太 高，增强体与基体之间的应力无法松弛， 容易形成脆性断裂。 • 纤维的排布方向要和构件的受力方向一致， 才能发挥增强作用。
Cu f fu M * (1 f )
σfu为纤维拉伸强度， σM*为纤维断裂时金属 基体的拉伸强度。
• 最小体积分数f’：
当纤维体积分数f很小时，由混合定律算出 的失效应力比相应于以孔洞取代纤维的金 属基体值还小。这是不真实的。 f须大于f’
Mu M * f ' fu M * Mu
第十章 金属基复合材料
复合材料：由两种或两种以上性质不同的材 料复合而成的多相材料。
复合材料的分类: 按用途 复合材料
结构复合材料 功能复合材料
金属基复合材料 按基体类型 非金属基复合材料
按增强体种 类和形状
纤维增强复合材料
颗粒增强复合材料
晶须增强复合材料
金属基复合材料：连续的金属、合金 基体 + 增强体
• 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。 – 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。
• 陶瓷晶须包括：碳化硅、氧化铝、氮化硅、 硼酸铝晶须。
制备方法：化学气相法。
• 金属晶须中可批量生产的是铁晶须，其最 大特点是可在磁场中取向，可以很容易地 制取定向纤维增强复合材料。
（3）颗粒 • 一般采用陶瓷颗粒材料。尺寸小于50微米， 一般在10微米以下。 • 氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钛、硼化 钛、碳化硼、氧化钇颗粒。 • 优点：高强度、高弹性模量、高硬度、耐 热。