金属基复合材料课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4
• 金属基复合材料真正的起步是在20世纪50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。
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。
20
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。
21
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。
材料已被广泛应用，称作
硬质合金。硬质合金通常
以Co、Ni作为粘结剂，
WC、TiC等作为强化相。 10
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、钛合金和镁合金。
作为增强体的连续纤
维主要有硼纤维、
▪ 目的：
▪ 把基体的优越的塑性和成形性与强化体的承 受载荷能力及刚性结合起来。
▪ 把基体的高热传导性与强化体的低热膨胀系 数结合起来。
2
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。
一、金属基复合材料概述
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。
1
▪ 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）。
3
• 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。
1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合； 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。
14
金属基复合材料是 怎么得到的？？？
15
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
5ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 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。
6
• 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。
7
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。
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。
16
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 Al2O3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
物理气相沉积是通过蒸发， 电离或溅射等过程，产生 金属粒子并与反应气体反 应形成化合物沉积在工件 表面。
PVD法纤维表面金属基体沉积层
22
粉末法纤维/基体复合丝
➢ 金属基体粉末与聚合物粘接剂 混合制成基体粉末/聚合物粘接 剂胶体；
17
不连续增强相金属基复合材料的制备工艺
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
18
19
2、金属基复合材料制备工艺的分类：
2.1 先驱（预制）丝（带、板）的制备
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
11
按基体材料分类：
➢铝基复合材料 ➢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
12
• 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。
8
一、金属基复合材料概述
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 ➢纤维增强金属基复合材料
9
• 金属基粒子复合材料又称
金属陶瓷，是由钛、镍、
钴、铬等金属与碳化物、
氮化物、氧化物、硼化物
等组成的非均质材料。 • 碳化物金属陶瓷作为工具
硬质合金组织(Co+WC) 硬质合金铣刀
➢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。
13
二、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：
• 金属基复合材料真正的起步是在20世纪50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。
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。
20
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。
21
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。
材料已被广泛应用，称作
硬质合金。硬质合金通常
以Co、Ni作为粘结剂，
WC、TiC等作为强化相。 10
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、钛合金和镁合金。
作为增强体的连续纤
维主要有硼纤维、
▪ 目的：
▪ 把基体的优越的塑性和成形性与强化体的承 受载荷能力及刚性结合起来。
▪ 把基体的高热传导性与强化体的低热膨胀系 数结合起来。
2
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。
一、金属基复合材料概述
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。
1
▪ 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）。
3
• 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。
1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合； 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。
14
金属基复合材料是 怎么得到的？？？
15
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
5ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 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。
6
• 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。
7
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。
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。
16
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 Al2O3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
物理气相沉积是通过蒸发， 电离或溅射等过程，产生 金属粒子并与反应气体反 应形成化合物沉积在工件 表面。
PVD法纤维表面金属基体沉积层
22
粉末法纤维/基体复合丝
➢ 金属基体粉末与聚合物粘接剂 混合制成基体粉末/聚合物粘接 剂胶体；
17
不连续增强相金属基复合材料的制备工艺
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
18
19
2、金属基复合材料制备工艺的分类：
2.1 先驱（预制）丝（带、板）的制备
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
11
按基体材料分类：
➢铝基复合材料 ➢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
12
• 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。
8
一、金属基复合材料概述
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 ➢纤维增强金属基复合材料
9
• 金属基粒子复合材料又称
金属陶瓷，是由钛、镍、
钴、铬等金属与碳化物、
氮化物、氧化物、硼化物
等组成的非均质材料。 • 碳化物金属陶瓷作为工具
硬质合金组织(Co+WC) 硬质合金铣刀
➢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。
13
二、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：