复合材料概论第6章--金属基复合材料解析
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南京工业大学 材料概论 第六章 复合材料
第六章 复合材料
复合材料的原料(增强体)
粉状填料： 碳酸钙、二氧化钛、蒙脱土、碳黑、二氧化硅 (白碳黑)。特点是用量大、价格低。
纤维增强体：
碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、 氧化铝纤维以及碳化硅晶须、氧化铝晶须等。ຫໍສະໝຸດ 特点是用量小、强度大、价格高。
编织物： 二维纺织布、三维纺织物等。特点是初期可
通过相变产生的体积膨胀，产生压缩应力，从而抵消外加
应力，阻止裂纹的扩展，达到增韧的目的。
材料概论
第六章 复合材料
复合材料的基本理论
纤维吸收裂纹尖端能量
纤维从基体中拔出
纤维断裂
裂纹转向
材料概论
第六章 复合材料
复合材料的界面
界面 复合材料中基体与增强材料之间的结合面。 这种结合面
是基体和增强材之间发生相互作用和相互扩散而形成的。
1、改变增强材料表面性质。
2、向基体内添加特定的元素。
3、在增强材料的表面施加涂层。
表面改性前
表面改性后
表面改性后
材料概论
第六章 复合材料
SEM图由我院高分子系 张云灿 教授 提供
复合材料的界面 表面改性对复合材料力学性能的影响
玻纤含量 拉伸 序号 强度 (%) MPa
A-30 B-30 C-30 D-30 30 30 30 30 37.1 50.4 69.6 71.2
材料概论
第六章 复合材料
几种编制物的结构
三维正交非织造的纤维结构
(a)非线性法平面增强 (b) 一种开式格 状结构 (c）一种柔性结构
三维编织纤维结构
管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型
材料概论
第六章 复合材料
复合材料的性能特点
第六章金属基复合材料
44
复合材料强度同组分性能间的关系 可用如下的公式表示：
C *F.VFM.VM
式中，C*表示复合材料的抗拉强度，即复合 材料原始面积上的应力； F为所有纤维上的平均 应力； M是基体在断裂时的平均应力；VF和VM 是纤维和基体的体积分数。
45
如果没有孔隙及第三相存在，则应有
VFVM1
对于脆性材料或高强度材料，这种要求 是非常重要的。
由于复合材料的强度取决于纤维的束强 度，这种束强度与每个纤维的强度有关。因 此，需使各个纤维的强度驱于一致。
29
(G)抗损伤或抗磨损性能。 脆性纤维对湿暴露或表而磨损特别敏感， 这些缺点对一般复合工艺都有不利影响。
30
下表列出了一些重要的增强纤维及其性能
下图给出了二维阻滞力的示意图。
61
负荷
二维裂纹的扩展
箭头表示纤维上的剪切应力
62
如果这些力平均分配在最近邻的六根纤 维上及平均纤维应力是2.8GPa时，则在纤维 断裂时，加给邻近纤维的局部附加张应力就 是2.8GPa，或者说每邻近纤维上的附加张应 力是0.45GPa。
63
纤维断裂处的附加应力值最大，而在离 开断头端的距离等于临界剪切传递长度处， 附加应力减小到零。
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。
3
金属基复合材料的这些优良的性能决 定了它已从诞生之日起就成了新材料家族 中的重要一员，它已经在一些领域里得到 应用并且其应用领域正在逐步扩大。
4
一、金属基复合材料的种类
金属基复合材料是以金属为基体，以 高强度的第二相为增强体而制得的复合材 料。因此，对这种材料的分类既可按基体 来进行、也可按增强体来进行。
复合材料强度同组分性能间的关系 可用如下的公式表示：
C *F.VFM.VM
式中，C*表示复合材料的抗拉强度，即复合 材料原始面积上的应力； F为所有纤维上的平均 应力； M是基体在断裂时的平均应力；VF和VM 是纤维和基体的体积分数。
45
如果没有孔隙及第三相存在，则应有
VFVM1
对于脆性材料或高强度材料，这种要求 是非常重要的。
由于复合材料的强度取决于纤维的束强 度，这种束强度与每个纤维的强度有关。因 此，需使各个纤维的强度驱于一致。
29
(G)抗损伤或抗磨损性能。 脆性纤维对湿暴露或表而磨损特别敏感， 这些缺点对一般复合工艺都有不利影响。
30
下表列出了一些重要的增强纤维及其性能
下图给出了二维阻滞力的示意图。
61
负荷
二维裂纹的扩展
箭头表示纤维上的剪切应力
62
如果这些力平均分配在最近邻的六根纤 维上及平均纤维应力是2.8GPa时，则在纤维 断裂时，加给邻近纤维的局部附加张应力就 是2.8GPa，或者说每邻近纤维上的附加张应 力是0.45GPa。
63
纤维断裂处的附加应力值最大，而在离 开断头端的距离等于临界剪切传递长度处， 附加应力减小到零。
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。
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金属基复合材料的这些优良的性能决 定了它已从诞生之日起就成了新材料家族 中的重要一员，它已经在一些领域里得到 应用并且其应用领域正在逐步扩大。
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一、金属基复合材料的种类
金属基复合材料是以金属为基体，以 高强度的第二相为增强体而制得的复合材 料。因此，对这种材料的分类既可按基体 来进行、也可按增强体来进行。
金属基复合材料
Metal－Matrix
发展方向
1、大力研究发展颗粒增强的铝基、镁基复合材料。
• 国际ALCON公司已建成年产1.1万吨颗粒增强铝基复合材 料型材、棒材、锻材、铸锭以及零件的专业工厂。生产的 SiCp/Al（Mg）锭块单重达596公斤。
2、高温金属基复合材料的研究
Metal－Matrix
缺点
1、金属基复合材料在基体屈服以前的一个较小范围内，应力应变关系才 是线性的。除非采用很硬的基体，否则在拐点以上，金属基复合材料的 有效弹性模量就不再明显大于树脂基复合材料。 一般来说，树脂基复合材料在纤维方向具有很好的线性弹性，具有很高 的比强度和比刚度。这是金属基复合材料所不及的。 2、剪切强度和层间拉伸强度较低 与金属基体材料相比，金属基复合材料的面内剪切强度、层间剪切强度、 横向拉仲强度和层间拉仲强度都比较低。与纤维方向金属基复合材料的 拉、压强度比就更低。但与树脂基复合材料的这些性能比，又强得多。 提高界面的结合强度，可提高这些性能，但冲击强度下降。 3、在抵抗某些环境腐蚀方面，金属基复合材料不如树脂基复合材料。 4、在金属基复合材料制造过程中，涉及到高温、增强材料的表面处理、 复合成型等复杂工艺。因此，金属基复合材料很难制造、成本很高。 5、金属基复合材料密度较大。 6、由于金属基复合材料的研究起步较晚，再加上实际应用范围和制造成 本等因素的影响，目前金属基复合材料的技术水平落后于聚合物基复合 材料和陶瓷基复合材料。
应用
3、电子材料工业 • 电子材料工业，特别是近年来蓬勃发展的微电子工业，对材料有较高的使用
要求。SiC颗粒增强铝基复合材料，可通过调节SiC颗粒的含量使其热膨胀系 数于与基材匹配，并且具有导热性好、尺寸稳定性优良、低密度、适合钎焊 等性能。用它代替钢/钼基座，可以改善微电子器件的性能。 • 硼/铝复合材料用作多层半导体芯片的支座，是一种很好的散热冷却材料，由 于这种材料导热性好、热膨胀系数与半导体芯片非常接近，故能大大减少接 头处的热疲劳。 • 石墨纤维增强铜基复合材料的强度和模量比铜高，又保持了铜的优异的导电 和导热性能。通过调节复合材料中石墨纤维的含量及排布方向，可使其热膨 胀系数非常接近任何一种半导体材料，因此被用来制造大规模集成电路的底 板和半导体装置的支持电板，防止了底板的翘曲和半导体基片上裂纹的产生， 提高器件稳定性。 • 在大型蓄电池中的铅电极自重大、刚性差，容易翘曲引起短路，影响电解过 程的正常进行。用碳纤维增强铅的复合材料，既保持原来优良的电化学性能， 又使强度和模量提高，不易翘曲，同时减小蓄电池的体积。
第六章复合材料mme06
6.4.1 金属陶瓷
一、组成及分类
金属陶瓷是金属（通常为钛、镍、钴、铬等及其合金） 和陶瓷（通常为氧化物、碳化物、硼化物和氮化物 等)组成的非均质材料，是颗粒增强型的复合材料。 金属和陶瓷按不同配比组成工具材料（陶瓷为主）、 高温结构材料（金属为主）和特殊性能材料。 二、性能及应用 ●氧化物金属陶瓷 ---多以钴或镍作为粘接金属，热 稳定性和抗氧化能力较好,韧性高。
通常，复合材料的复合结果是密度大大减小，高的比 强度和比模量是复合材料的突出性能特点。 二、抗疲劳性能和抗断裂性能
1. 很好的抗疲劳性能
●复合材料中的纤维缺陷少，本身抗疲劳能力高；
●基体的塑性和韧性好，能够消除或减少应力集中，不易产生 微裂纹； ●塑性变形的存在又使微裂纹产生钝化而减缓了其扩展。
例如：碳纤维增强树脂的疲劳强度为拉伸强度的 70%～ 80%，一般金属材料却仅为30%～50%。 2. 抗断裂能力好 基体中有大量细小纤维，较大载荷下部分纤维断裂 时载荷由韧性好的基体重新分配到未断裂纤维上， 构件不会瞬间失去承载能力而断裂。
6.3.3 碳基复合材料
• 一、组成及特点---碳基复合材料是碳纤维及其制品(如
碳毡)增强的碳基复合材料。
●具有许多碳和石墨的特点，如密度小、导热性 高、膨胀系数低以及对热冲击不敏感； ●具有优越的机械性能：强度和冲击韧性比石墨高5 ～10倍，比强度非常高；随温度升高强度升高；断裂 韧性高、蠕变低； ●化学稳定性高，耐磨性极好， 是耐温最高的高温复合材料 （达2800℃）。
●自动控温开关
由温度膨胀系数不同的黄铜片和铁片复合而成的，如果单 用黄铜或铁片，不可能达到自动控温的目的。导电的铜片 两边加上两片隔热、隔电塑料，可实现一定方向导电、另 外方向绝缘及隔热的双重功能。
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。
第六章金属基体复合材料
铜在复合材料中的主要用途是作为铌基超导体 的基体材料。
6、金属间化合物
通常是一些高温合金（如硅化物、铝化物、铍化物 等），使用温度可达1600℃决定金属间化合物相结构的主 要因素有电负性、尺寸因素和电子浓度等 使用温度界于高温合金和高温结构陶瓷之间。根据其组成， A、B两元之间可形成AB、A2B、A3B、A5B3 、A7B6等化 合物；根据组成元素，可分为铝化物、硅化物和铍化物。
高性能发动机则要求复合材料有高比强度和比模量，耐 高温性能。此时应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作 为基体材料。
在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、高温强度 等，同时成本低廉，适合于批量生产，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。
工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为 散热元件和基板。因此，选用具有高导热率的银、铜、铝 等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、 金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导 热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料。
当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑 性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性 模量的增强具有相当大的作用
4）片状复合材料
增强材料是片状的，基体主要是韧性和成型较好 的金属
片状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较 接近，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 薄片增强相的强度不如纤维增强相高，因此片状 复合材料的强度受到限制
钛合金
通过添加不同的合金元素，可以改变钛同素异 形体的转变温度。添加铝、氧、氮、碳等元素， 可以扩大相区，称为稳定剂。添加钼、钒、 铌、钽等元素，可以扩大相区，所以称为稳 定剂
6、金属间化合物
通常是一些高温合金（如硅化物、铝化物、铍化物 等），使用温度可达1600℃决定金属间化合物相结构的主 要因素有电负性、尺寸因素和电子浓度等 使用温度界于高温合金和高温结构陶瓷之间。根据其组成， A、B两元之间可形成AB、A2B、A3B、A5B3 、A7B6等化 合物；根据组成元素，可分为铝化物、硅化物和铍化物。
高性能发动机则要求复合材料有高比强度和比模量，耐 高温性能。此时应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作 为基体材料。
在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、高温强度 等，同时成本低廉，适合于批量生产，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。
工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为 散热元件和基板。因此，选用具有高导热率的银、铜、铝 等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、 金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导 热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料。
当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑 性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性 模量的增强具有相当大的作用
4）片状复合材料
增强材料是片状的，基体主要是韧性和成型较好 的金属
片状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较 接近，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 薄片增强相的强度不如纤维增强相高，因此片状 复合材料的强度受到限制
钛合金
通过添加不同的合金元素，可以改变钛同素异 形体的转变温度。添加铝、氧、氮、碳等元素， 可以扩大相区，称为稳定剂。添加钼、钒、 铌、钽等元素，可以扩大相区，所以称为稳 定剂
复合材料-金属基复合材料 ppt课件
(b)损伤后纤维形貌
碳纤维与铝基体发生严重反应后纤维的损伤
Cf/Al复合材料中Cf与Al基体发生界面反应，生成Al4C3。
Cf/Al的界面反应及反应产物Al4C3
❖ 准I类界面
出现准Ⅰ类界面有两种情况：
◆ 属Ⅰ类界面中的增强材料与基体， 从热力学分析会可能发生界面反应， 但当采用固态法制备时，形成Ⅰ类界 面；而当采用液态法制备时就可能形 成第Ⅲ类界面；
界面产生互溶后，受温度和时间的影响，界面会出现 不稳定。
例如：Wf/Ni中，采用扩散结合制备时，界面互溶并不严 重，但随着使用温度的提高和使用时间的增长，如在 1100℃下经过50h，Wf的直径仅为原来50％，这样就严重 影响了Wf/Ni复合材料的使用性能和可靠性。
界面反应
界面反应是影响具有第Ⅲ类界面的复合材料界面稳 定性的化学因素。增强材料与基体发生界面反应时，当 形成大量脆性化合物，削弱界面的作用，界面在应力作 用下发生，引起增强材料的断裂，从而影响复合材料性 能的稳定性。界面反应的发生与增强材料和基体的性质 有关，与反应的温度、时间有关。
1、金属基复合材料的使用要求
1、金属基复合材料的使用要求
航天飞机主货舱 支柱
50 vol.% 硼纤维/6061
哈勃太空望远镜 天线波导桅杆
P100碳纤维/6061铝合金
1、金属基复合材料的使用要求
航天、航空领域的发动机构件
要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的 耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。
◆ 增强材料的表面未处理，存在有 吸附的氧，在制备时也会与基体产生 界面反应。
如SiCf/Al，Bf/Al属于此类。 为此把这类界面称之为准Ⅰ类界面。
②界面的稳定性
金属基复合材料.
料的制备工艺分为四大类：
(1) 固态法：扩散结合和粉末冶金； (2) 液态法：铸造法、压铸法、半固态复合 铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法等； (3) 喷射与喷涂沉积法；
(4) 原位复合法：共晶合金定向凝固法、直
接金属氧化法、反应自生成法。
11
常用的金属基复合材料制备工艺
12
扩散结合
扩散结合也称扩散粘接法或扩散焊接法，是加压焊 接的一种，包括热压法和热等静压法。 在一定的温度和压力下，把表面新鲜清洁的相同或 不相同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。 扩散结合是在较长时间的高温及不大的塑性变形作 用下依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。 扩散结合的过程：粘接表面之间的最初接触，由于 加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜破坏；发生 界面扩散和体扩散，使接触面密着粘接；热扩散界面最 终消失，粘接过程完成。 扩散结合成为一种制造连续纤维增强金属基复合材 料的传统工艺方法。 13
扩散结合的工艺过程
扩散结合工艺中，增强纤维与基体的结合主要分为 三个关键步骤：① 纤维的排布；② 复合材料的叠合 和真空封装；③ 热压。 预制片的制备：等离子喷涂法、箔粘接法及液态金 属浸渍法。 热压的工艺参数：温度、压力及时间。 热压法的应用： B/Al、SiC/Al、SiC/TiC/Al、C/Mg等复合材料零部 件、管材及板材。直径较粗的硼纤维和碳化硅纤维增 强铝基、钛基及钨丝-超合金、钨丝-铜等复合材料的 主要方法。 14
作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金—镁 合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、 硼纤维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。
4
高性能航空发动机、燃气轮机：要求有高比 强度和比模量，还要具有优良的耐高温性能， 能在高温、氧化性气氛中正常工作。
第6章 金属基复合材料
23
熔池法纤维 / 基体复合丝 这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石 墨纤维增强铝基复合材料。由于碳纤维或石墨 纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。 过量的脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料 的性能。对纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表 面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性，防 止过量的脆性相Al4C3生成。
15
6.1.4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。
16
6.1.5金属基复合材料的制备工艺 1、金属基复合材料制备工艺概述 金属基复合材料制备工艺的研究内容以及选择原则： 1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合： 增强剂与基体之间应具有良好的物理相容性和化学 相容性。另外，如果在复合材料中使用高强度的纤 维，就必须寻找具有高断裂功的基体材料。在这方 面，固态法制备方法更好一些，因铸造合金一般具 有较低的断裂韧性。 2）界面的形成及机制，界面产物的控制及界面设计；
13
化学相容性的第二个问题是关于每个组元中每 个元素的化学势。例如，如用氧化铝和镍合金 组成复合材料，为防止铝扩散，铝(和氧等)在 两相中的化学势必须相等。如果各组分相间的 化学势不等，会导致界面不稳定而使纤维性能 下降。 两相混合物的表面能可能非常高，因而使界面 很不稳定。这个问题对晶须增强复合材料是很 重要的。而对碳化钨加钴复合系来说，其表面 能关系则是有利的。
9
化学相容性是一个更加复杂的问题。对于原生 复合材料，在制造过程中是热力学平衡的。例 如，在平衡状态下凝固的共晶复合材料、对于 这类共晶体，其两相化学势相等．而比表面能 效应也最小。如果这种复合材料在偏离制造温 度时有明显的相变或浓度变化，就会产生不稳 定问题；在人造复合材料中，两相间发生有害 反应的化学动力学过程也相当缓慢，一般可以 满足相容性要求。
熔池法纤维 / 基体复合丝 这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石 墨纤维增强铝基复合材料。由于碳纤维或石墨 纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。 过量的脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料 的性能。对纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表 面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性，防 止过量的脆性相Al4C3生成。
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6.1.4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。
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6.1.5金属基复合材料的制备工艺 1、金属基复合材料制备工艺概述 金属基复合材料制备工艺的研究内容以及选择原则： 1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合： 增强剂与基体之间应具有良好的物理相容性和化学 相容性。另外，如果在复合材料中使用高强度的纤 维，就必须寻找具有高断裂功的基体材料。在这方 面，固态法制备方法更好一些，因铸造合金一般具 有较低的断裂韧性。 2）界面的形成及机制，界面产物的控制及界面设计；
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化学相容性的第二个问题是关于每个组元中每 个元素的化学势。例如，如用氧化铝和镍合金 组成复合材料，为防止铝扩散，铝(和氧等)在 两相中的化学势必须相等。如果各组分相间的 化学势不等，会导致界面不稳定而使纤维性能 下降。 两相混合物的表面能可能非常高，因而使界面 很不稳定。这个问题对晶须增强复合材料是很 重要的。而对碳化钨加钴复合系来说，其表面 能关系则是有利的。
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化学相容性是一个更加复杂的问题。对于原生 复合材料，在制造过程中是热力学平衡的。例 如，在平衡状态下凝固的共晶复合材料、对于 这类共晶体，其两相化学势相等．而比表面能 效应也最小。如果这种复合材料在偏离制造温 度时有明显的相变或浓度变化，就会产生不稳 定问题；在人造复合材料中，两相间发生有害 反应的化学动力学过程也相当缓慢，一般可以 满足相容性要求。
金属基复合材料知识讲解
金属基复合材料1、复合材料的定义和分类是什么？定义：是由两种或多种不同类型、不同性质、不同相材料，运用适当的方法，将其组合成具有整体结构、性能优异的一类新型材料体系。
分类：按用途可分为：功能复合材料和结构复合材料。
结构复合材料占了绝大多数。
按基体材料类型分类可分为：聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料（包括陶瓷基复合材料、水泥基复合材料、玻璃基复合材料）按增强材料形态可分为：纤维增强复合材料（包括连续纤维和不连续纤维）、颗粒增强复合材料、片材增强复合材料、层叠式复合材料。
3、金属基复合材料增强体的特性及分类有哪些？增强物是金属基复合材料的重要组成部分，具有以下特性：1）能明显提高金属基体某种所需特性：高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等，以便赋予金属基体某种所需的特性和综合性能；2）具有良好的化学稳定性：在金属基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显的变化和退化；3）有良好的浸润性：与金属有良好的浸润性，或通过表面处理能与金属良好浸润，基体良好复合和分布均匀。
此外，增强物的成本也是应考虑的一个重要因素。
分类：纤维类增强体（如：连续长纤维、短纤维）、颗粒类增强体、晶须类增强体、其它增强体(如：金属丝)。
4、金属基复合材料基体的选择原则有哪些？ 1）、金属基复合材料的使用要求；2）、金属基复合材料组成的特点；3）、基体金属与增强物的相容性。
5、金属基复合材料如何设计？复合材料设计问题要求确定增强体的几何特征（连续纤维、颗粒等）、基体材料、增强材料和增强体的微观结构以及增强体的体积分数。
一般来说，复合材料及结构设计大体上可分为如下步骤：1）对环境与负载的要求：机械负载、热应力、潮湿环境 2）选择材料：基体材料、增强材料、几何形状 3）成型方法、工艺、过程优化设计 4）复合材料响应：应力场、温度场等、设计变量优化 5）损伤及破坏分析：强度准则、损伤机理、破坏过程6、金属基复合材料制造中的关键技术问题有哪些？1）加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应。
复合材料学(第六章 金属基复合材料)
纤维/(基体箔材)聚合物粘结剂先驱(预制)带(板)：
缠绕鼓(基体箔材)纤维定向定间距缠绕 涂敷聚合物粘结剂定位。
21
等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：
纤维定向定间距缠绕 等离子喷涂基体粉末定位。
22
PVD法纤维/基体复合丝
采用物理气相沉积（PVD） 手段将基体金属均匀沉积 到纤维表面上，形成纤维 /基体复合丝。
（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30％～60％的体积孔隙 度，孔径1～100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。
(4) 无压浸渗法（Lanxide法）
美国Lanxide公司开发的一 种新工艺。将增强材料制成 预制体，放置于由氧化铝制 成的容器中。再将基体金属 坯料置于增强材料预制体上 部。然后一齐装入可通入流 动氮气的加热炉中。通过加 热，基体金属熔化，并自发 浸渗入网络状增强材料预制
体中。
无压浸渗法工艺原理示意图
4
• 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。
38
(3) 喷射成型法（Ospray，Spray Co-deposition）
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
缠绕鼓(基体箔材)纤维定向定间距缠绕 涂敷聚合物粘结剂定位。
21
等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：
纤维定向定间距缠绕 等离子喷涂基体粉末定位。
22
PVD法纤维/基体复合丝
采用物理气相沉积（PVD） 手段将基体金属均匀沉积 到纤维表面上，形成纤维 /基体复合丝。
（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30％～60％的体积孔隙 度，孔径1～100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。
(4) 无压浸渗法（Lanxide法）
美国Lanxide公司开发的一 种新工艺。将增强材料制成 预制体，放置于由氧化铝制 成的容器中。再将基体金属 坯料置于增强材料预制体上 部。然后一齐装入可通入流 动氮气的加热炉中。通过加 热，基体金属熔化，并自发 浸渗入网络状增强材料预制
体中。
无压浸渗法工艺原理示意图
4
• 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。
38
(3) 喷射成型法（Ospray，Spray Co-deposition）
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
复合材料概论第6章--金属基复合材料解析
③ 用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体
基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍 基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。
3、功能复合材料的基体
❖ 要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具有 高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧 烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。
❖ 火箭、飞机高性能发动机：要求复合材料不仅有高比强
度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中 正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合 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
◆ 增强材料的表面未处理，存在有 吸附的氧，在制备时也会与基体产生 界面反应。
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 塞、缸套等零件。
❖ 电子工业：集成电路基板和元件需要高导热、低 膨胀、具有一定耐热性的金属基复合材料。
选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热 膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低 热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合 材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。
例：石墨纤维/镁基复合材料
当纤维含量达到48%时，复合材料的热膨料导热、导电性能比聚合物或者陶瓷基结 构好得多。它可以使局部高温热源和集中电荷很好扩散消 除。如碳纤维增强铝基复合材料可以作为航空航天技术领 域中的结构材料，还可以作为空间装置的热传导和散热器 面板应用。
基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍 基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。
3、功能复合材料的基体
❖ 要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具有 高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧 烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。
❖ 火箭、飞机高性能发动机：要求复合材料不仅有高比强
度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中 正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合 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
◆ 增强材料的表面未处理，存在有 吸附的氧，在制备时也会与基体产生 界面反应。
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 塞、缸套等零件。
❖ 电子工业：集成电路基板和元件需要高导热、低 膨胀、具有一定耐热性的金属基复合材料。
选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热 膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低 热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合 材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。
例：石墨纤维/镁基复合材料
当纤维含量达到48%时，复合材料的热膨料导热、导电性能比聚合物或者陶瓷基结 构好得多。它可以使局部高温热源和集中电荷很好扩散消 除。如碳纤维增强铝基复合材料可以作为航空航天技术领 域中的结构材料，还可以作为空间装置的热传导和散热器 面板应用。
复合材料概论笔记(武汉理工大学复合材料概论上课笔记,考试资料)
复合材料笔记第一章总论1.复合材料定义：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。
在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。
2.复合材料的分类：1.按增强材料的形态分类1)连续纤维复合材料2)短纤维复合材料3)粒状填料复合材料4)编织复合材料2.按增强纤维的种类分类1)玻璃纤维复合材料2)碳纤维复合材料3)有机纤维复合材料4)金属纤维复合材料5)陶瓷纤维复合材料此外，如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料。
3.按基体材料分类1)合物基复合材料2)金属基复合材料3)无机非金属基复合材料4.按材料作用分类①结构复合材料（用于制造受力构件的复合材料）②功能复合材料（具有各种特殊性能的复合材料）3.复合材料的特点①综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。
②可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。
③可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工次序。
性能的可设计性是复合材料的最大特点。
4.影响复合材料性能的因素有：增强材料的性能、含量及分布状况，基体材料的性能、含量，以及它们之间的界面结合情况，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。
5.聚合物基复合材料的主要性能1)比强度大、比模量大2)耐疲劳性好3)减震性好4)过载时安全性好5)具有多种功能性（①耐烧蚀性好—较高的比热、熔融热和气化热②有良好的摩擦性能，包括良好的摩阻特性及减摩特性③高度的电绝缘性能④优良的耐腐蚀性能⑤有特殊的光学、电学、磁学的特性）6)有很好的加工工艺性6.金属基复合材料的主要性能1)高比强度、高比模量2)导热、导电性能3)热膨胀系数小、尺寸稳定性好4)良好的高温性能5)耐磨性好6)良好的疲劳性能和断裂韧性7)不吸潮、不老化、气密性好7.陶瓷基复合材料的主要性能陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良、热膨胀系数和相对密度小。
《复合材料概论》心得与总结
《复合材料概论》心得与总结卫琦 1306030118通过学习《复合材料概论》，我了解了复合材料的命名、分类以及复合材料的基本性能。
复合材料的基体材料有四种：金属材料、无机胶凝材料、陶瓷材料、聚合物材料。
了解了碳纤维的优点以及碳纤维在生活中被广泛的应用。
以及对聚合物基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料的了解。
以下是我对一些知识点的总结。
第一章总论一、复合材料定义：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料；在复合材料中通常有一个相为连续相，称为基体，另一相为分散相，称为增强材料。
二、复合材料的分类1．按增强材料形态分类（连续纤维复合、短纤维复合、颗粒复合、编织复合）2．按增强材料纤维种类分类（玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维、混合）3．按基体材料分类（聚合物基、金属基、无机非金属基）4．按材料作用分类（结构复合材料、功能复合材料）三、复合材料的基本性能1．可综合发挥各组成材料的优点2．可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造（最大特点！）3．可制成所需的任意形状的产品四、复合材料结构设计的三个结构层次①：一次结构：指由基体和增强材料复合而成的单层材料②：二次结构：指由单层材料层合而成的层合体③：三次结构：指通常所说的工程结构或者产品结构第二章复合材料的基体材料复合材料的基体材料有以下四种：①：金属材料主要包括铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等陶瓷材料主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷聚合物材料主要包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热固性/热塑性聚合物。
第三章复合材料的增强材料一、增强材料的定义：在复合材料中，凡事能基体材料力学性能的物质，均称为增强材料。
二、玻璃纤维的分类：1．以玻璃原料成分分类：无碱玻璃纤维（E玻纤）；中碱玻璃纤维；有机玻璃纤维（A玻璃）；特种玻璃纤维。
金属基复合材料
特点：能获得细密的组织和较高的力学性能。 但只能制造形状简单的制品。
图4-5 挤压铸造成型工艺流程
4.3.2.2 真空吸铸成型
成型方法：在铸型内形成一定负压条件，使液 态金属或颗粒增强金属基复合材料自下而上吸 入型腔增强材料预制件缝隙中制备复合材料部 件。真空度0.06～0.08MPa。
优点：制品无气孔、疏松和缩孔等缺陷，组织 致密，工艺参数易于控制，适合于各种增强材 料和形状复杂零部件的制造。
4.3.3 原位复合法 在一定条件下，通过元素与化合物之间的化学 反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬 度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化 金属基体的目的。 4.3.3.1 定向凝固法 将某种共晶成分的合金原料在真空或惰性气氛 中通过感应加热熔化，通过控制冷却方向，进 行定向凝固，在基体中生长出排列整齐的条状 或层状共晶增强材料。其中连续相为基体，条 状或片状的分散相为增强体。主要作为高温结 构材料，用于发动机或涡轮叶片用三元共晶合 金Al-Ni-Nb，形成α相和β相的Ni3Al和Ni3Nb。 特点：增强体不是预先放置，而是在基体内部 就地生成与生长，具有优良的高温力学性能。 但可用的系统有限。
Al2O3短纤维体积 分数/%
屈服强度σb/MPa
断裂伸长率δ/%
0
230
15.0
8
266
5.0
15
297
4.0
20
321
3.0
表4-4 SiCw/Al复合材料和铝合金（6061T6）的力学性能
力学性能 拉伸强度/MPa 屈服强度/MPa 弹性模量/GPa 切变模量/GPa
泊松比 密度/g·cm-3
图4-3 热压扩散工艺过程示意图
图4-4 纤维表面包覆金属粉末的热压扩散 结合法
图4-5 挤压铸造成型工艺流程
4.3.2.2 真空吸铸成型
成型方法：在铸型内形成一定负压条件，使液 态金属或颗粒增强金属基复合材料自下而上吸 入型腔增强材料预制件缝隙中制备复合材料部 件。真空度0.06～0.08MPa。
优点：制品无气孔、疏松和缩孔等缺陷，组织 致密，工艺参数易于控制，适合于各种增强材 料和形状复杂零部件的制造。
4.3.3 原位复合法 在一定条件下，通过元素与化合物之间的化学 反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬 度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化 金属基体的目的。 4.3.3.1 定向凝固法 将某种共晶成分的合金原料在真空或惰性气氛 中通过感应加热熔化，通过控制冷却方向，进 行定向凝固，在基体中生长出排列整齐的条状 或层状共晶增强材料。其中连续相为基体，条 状或片状的分散相为增强体。主要作为高温结 构材料，用于发动机或涡轮叶片用三元共晶合 金Al-Ni-Nb，形成α相和β相的Ni3Al和Ni3Nb。 特点：增强体不是预先放置，而是在基体内部 就地生成与生长，具有优良的高温力学性能。 但可用的系统有限。
Al2O3短纤维体积 分数/%
屈服强度σb/MPa
断裂伸长率δ/%
0
230
15.0
8
266
5.0
15
297
4.0
20
321
3.0
表4-4 SiCw/Al复合材料和铝合金（6061T6）的力学性能
力学性能 拉伸强度/MPa 屈服强度/MPa 弹性模量/GPa 切变模量/GPa
泊松比 密度/g·cm-3
图4-3 热压扩散工艺过程示意图
图4-4 纤维表面包覆金属粉末的热压扩散 结合法
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基体材料成分的选择对能否充分组合和发挥金属基体 和增强体性能特点，获得预期的优异综合性能，满足使用 要求十分重要。
① 金属基复合材料的使用要求
金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体 材料最重要的依据。
❖ 航天、航空领域：高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重
要的性能要求。作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合 金—镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤 维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。
1、定义
金属基复合材料
（Metal Matrix Composites，简称MMCs）
以金属或合金为基体，以高性能的纤维、晶须、晶片和 颗粒为增强体，通过适当的复合工艺而制成的复合材料。
按照所用的基体金属的不同，使用温度范围为350~1200℃，其特 点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好， 同时还仅有导电、导热、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不 老化和无污染等优点。
❖ 单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠 优化设计和先进制造技术将金属与增强体做成复合材料 来满足需求。
• 用于电子封装的金属基复合材料有：高碳化硅颗粒含量
的铝基、铜基复合材料，高模、超高模石墨纤维增强铝 基、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强 铝基、铜基复合材料，硼/铝基复合材料等，其基体主要 是纯铝和纯铜。
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 塞、缸套等零件。
❖ 电子工业：集成电路基板和元件需要高导热、低 膨胀、具有一定耐热性的金属基复合材料。
选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热 膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低 热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合 材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。
② 金属基复合材料组成特点
金属基复合材料组成特点取决于增强体的形态、不 同的受力特点等，应根据不同的组成特点来选择金属 基体。
❖ 连续纤维增强金属基复合材料：
纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体 的强度和模量远远低于纤维。基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维 的性能为主，基体本身应有良好的塑性，与纤维应有良好的相容性，而 并不要求基体本身有很高的强度。
2、分类
Байду номын сангаас
金属基复合材料的分类
增强体
基体
长纤维增强复合材料 Al基复合材料
短纤维(晶须)增强复合 材料
颗粒增强复合材料
层状复合材料
Mg基复合材料 Ti基复合材料 Cu基复合材料 Ni基复合材料
金属间化合物基 复合材料
特性
结构复合材料 功能复合材料
按增强体类型分类
二、金属基体
金属基体具有很多优良性能：
• 用于耐磨零部件的金属基复合材料有：碳化硅、氧化铝、
石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金 属及其合金的金属基复合材料。
③ 用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体
基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍 基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。
3、功能复合材料的基体
❖ 要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具有 高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧 烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。
2、结构复合材料的基体
结构复合材料的基体分为轻金属基体和耐热合金基体
① 用于450℃以下的轻金属基体
目前最广泛、最成熟的铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人 造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等 。
② 用于450~700℃的复合材料的金属基体
钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450～ 700℃使用，用于航空发动机等零部件。
如在Cf/Al基复合材料中，纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基 体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。 这与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性有关。
❖ 非连续增强体（颗粒、晶须、短纤维）金属基复 合材料
基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定 性的影响，因此要获得高性能金属基复合材料，必须选 用高强度金属或合金作为基体，这与连续纤维增强金属 基复合材料中基体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复 合材料一般选用高强度铝合金（如A365，6061， 7075）为基体。
❖ 火箭、飞机高性能发动机：要求复合材料不仅有高比强
度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中 正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合 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
• 使用性能——反映金属材料在使用过程中所表现出
来的性能，包括力学性能、物理及化学性能。
• 工艺性能——反映金属在加工制造过程中表现出来
的性能，包括铸造、压力加工、焊接、切削加工和热 处理等性能。
这些性能与金属的成分、组织和结构密切相关。
1、选择金属基体的原则
目前用作金属基复合材料的金属有铝及铝合金、镁合 金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、 镍铝金属间化合物等。
第六章 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
一、基本概念和分类
③ 基体金属与增强体的相容性
❖ 由于复合材料中包含基体和增强体，要使组分间具有 良好的配合，则这两相之间必须具有良好的物理相容 性（浸润性、热匹配）和化学相容性（形成合适的、 稳定的界面，避免有害的化学反应）。
❖ 具体措施： 对增强体进行表面处理 在金属基体中添加其他合金元素 选择适宜的成型方法 缩短材料在高温下的停留时间等。
① 金属基复合材料的使用要求
金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体 材料最重要的依据。
❖ 航天、航空领域：高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重
要的性能要求。作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合 金—镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤 维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。
1、定义
金属基复合材料
（Metal Matrix Composites，简称MMCs）
以金属或合金为基体，以高性能的纤维、晶须、晶片和 颗粒为增强体，通过适当的复合工艺而制成的复合材料。
按照所用的基体金属的不同，使用温度范围为350~1200℃，其特 点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好， 同时还仅有导电、导热、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不 老化和无污染等优点。
❖ 单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠 优化设计和先进制造技术将金属与增强体做成复合材料 来满足需求。
• 用于电子封装的金属基复合材料有：高碳化硅颗粒含量
的铝基、铜基复合材料，高模、超高模石墨纤维增强铝 基、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强 铝基、铜基复合材料，硼/铝基复合材料等，其基体主要 是纯铝和纯铜。
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 塞、缸套等零件。
❖ 电子工业：集成电路基板和元件需要高导热、低 膨胀、具有一定耐热性的金属基复合材料。
选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热 膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低 热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合 材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。
② 金属基复合材料组成特点
金属基复合材料组成特点取决于增强体的形态、不 同的受力特点等，应根据不同的组成特点来选择金属 基体。
❖ 连续纤维增强金属基复合材料：
纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体 的强度和模量远远低于纤维。基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维 的性能为主，基体本身应有良好的塑性，与纤维应有良好的相容性，而 并不要求基体本身有很高的强度。
2、分类
Байду номын сангаас
金属基复合材料的分类
增强体
基体
长纤维增强复合材料 Al基复合材料
短纤维(晶须)增强复合 材料
颗粒增强复合材料
层状复合材料
Mg基复合材料 Ti基复合材料 Cu基复合材料 Ni基复合材料
金属间化合物基 复合材料
特性
结构复合材料 功能复合材料
按增强体类型分类
二、金属基体
金属基体具有很多优良性能：
• 用于耐磨零部件的金属基复合材料有：碳化硅、氧化铝、
石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金 属及其合金的金属基复合材料。
③ 用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体
基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍 基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。
3、功能复合材料的基体
❖ 要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具有 高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧 烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。
2、结构复合材料的基体
结构复合材料的基体分为轻金属基体和耐热合金基体
① 用于450℃以下的轻金属基体
目前最广泛、最成熟的铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人 造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等 。
② 用于450~700℃的复合材料的金属基体
钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450～ 700℃使用，用于航空发动机等零部件。
如在Cf/Al基复合材料中，纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基 体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。 这与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性有关。
❖ 非连续增强体（颗粒、晶须、短纤维）金属基复 合材料
基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定 性的影响，因此要获得高性能金属基复合材料，必须选 用高强度金属或合金作为基体，这与连续纤维增强金属 基复合材料中基体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复 合材料一般选用高强度铝合金（如A365，6061， 7075）为基体。
❖ 火箭、飞机高性能发动机：要求复合材料不仅有高比强
度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中 正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合 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
• 使用性能——反映金属材料在使用过程中所表现出
来的性能，包括力学性能、物理及化学性能。
• 工艺性能——反映金属在加工制造过程中表现出来
的性能，包括铸造、压力加工、焊接、切削加工和热 处理等性能。
这些性能与金属的成分、组织和结构密切相关。
1、选择金属基体的原则
目前用作金属基复合材料的金属有铝及铝合金、镁合 金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、 镍铝金属间化合物等。
第六章 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
一、基本概念和分类
③ 基体金属与增强体的相容性
❖ 由于复合材料中包含基体和增强体，要使组分间具有 良好的配合，则这两相之间必须具有良好的物理相容 性（浸润性、热匹配）和化学相容性（形成合适的、 稳定的界面，避免有害的化学反应）。
❖ 具体措施： 对增强体进行表面处理 在金属基体中添加其他合金元素 选择适宜的成型方法 缩短材料在高温下的停留时间等。