金属基复合材料的应用及前景

附录：

题目：金属基复合材料的应用级展望

院（系）轻纺工程系

专业高分子材料加工技术

届别2012届

学号0919080102

姓名汪振峰

指导老师袁淑芳老师

黎明职业大学

2011年12月

金属基复合材料的应用及展望

汪振峰

（黎明大学，福建泉州，362000）

摘要:金属基复合材料是近几年来复合材料研究中的热点。本文综述了金属基复合材料的分类、性能特点、制备方法,总结了其主要进展及应用。

关键词:金属基复合材料；特点；应用

1、前言

随着近代高新技术的发展,对材料不断提出多方面的性能要求，推动着材料向高比强度、高比刚度、高比韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展。复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题，推进了材料的进展。

复合材料(Composite Materials)是为达到预期的使用特性将不同性质的两种或两种以上材料结合为一体而设计制造的新材料。金属基复合材料(MMCs即Metal matrix composites)是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料。其目标是解决航空、航天、电子、汽车、先进武器系统等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要,它在60年代末才有了较快的发展,是复合材料一个新的分支.目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导电性和导热性以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点,成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料。

金属基复合材料集高比模量、高比强度、良好的导热导电性、可控的热膨胀系数以及良好的高温性能于一体,成为当代发展迅速的重要先进材料之一。

2、金属基复合材料的分类

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。

2.1按基体分类：

2.1.1铝基复合材料

这是在金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。

在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金。这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性能需要来决定。

2.1.2镍基复合材料

这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。

人们研制镍基复合材料的一个重要目的，即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的工作温度。

但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。

2.1.3钛基复合材料

钛比任何其它的结构材料具有更高的比强度。此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提高到超音速时，钛比铝合金显示出了更大的优越性。随着速度的进一步加快，还需要改变飞机的结构设计，采用更细长的机冀和其它冀型，为此需要高刚度的材料，而纤维增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求。

2.1.4镁基复合材料

以陶瓷颗粒、纤维或晶须作为增强体，可制成镁基复合材料，集超轻、高比刚度、高比强度于一身，比铝基复合材料更轻，具有更高的比强度和比刚度，将是航空航天方面的优选材料。

2.2按增强体分类

2.2.1颗粒增强复合材料

这里的颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积超过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。此外，颗粒增强复合材料的颗粒直径和颗粒间距很大，一般大于1μm。在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传递载荷和便于加工。

虽然颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比，但是基体性能也很重要。除此以外，这种材料的性能还对界面性能及颗粒排列的几何形状十分敏感。

2.2.2层状复合材料

这种复合材料是指在韧性和成型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。因为增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。

由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。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越性。

2.2.3纤维增强复合材料

金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须，它们均属于一维增强体。因此，由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特征。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。

3、金属基复合材料的性能特点

金属基复合材料的性能取决于所选金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布等.通过优化组合可以获得既具有金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等优良综合性能的复合材料金属基复合材料有以下性能特点。

3.1高比强度和高比模量

在金属基体中加入适量高比强度、高比模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强物,

g的碳纤维的最高强度可达到

.1cm

85

/

能明显提高复合材料的比强度和比模量.密度只有3

7000MPa,比铝合金强度高出10倍以上,石墨纤维的最高模量可达91GPa。加入质量分数为30%～50%高性能纤维作为复合材料的主要承载体,复合材料的比强度、比模量成倍地高于基体合金或金属的比强度和比模量。

3.2导热和导电性能

金属基复合材料中金属基体一般占有60%以上的体积分数，因此仍保持金属所具有的良好导热和导电性。金属基复合材料采用高导热性的增强物可以进一步提高导热性能,使热导率比纯金属基体还高。良好的导热性可有效地传热散热，减少构件受热后产生的温度梯度。现已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强铝基和铜基复合材料的导热率比纯铝和钢还高,用它们制成的集成电路底板和封装件可有效迅速地把热量散去，提高集成电路的可靠性。良好的导电性可以防止飞行器构件产生静电聚集。

热膨胀系数小,,尺寸稳定性好

3.3热膨胀系数小

金属基复合材料中所用的增强物碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等既具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量。加入相当含量的增强物不仅可以大幅度地提高材料的强度和模量,也可以使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种工作情况的要求。

3.4良好的高温性能

金属基复合材料具有比金属基体更好的高温性能,特别是连续纤维增强金属。在复合材料中纤维起着主要承载作用，纤维强度在高温下基本不降，纤维增强金属的高温性能可保持到接近金属熔点。金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上，可大幅度地提高发动机的性能和效率。