金属基复合材料复习大纲(完整版)

金属基复合材料复习大纲
一．内生增强的金属基复材的特点.
答：1.增强体试从金属体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。

2.通过合理选择反应元素（或化合物)的类型、成分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量。

3.省去了增强体单位合成、处理和加入等工序，因此其工艺简单，成本较低。

4.从液态金属基体中原位形成增强体的工艺，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的近净成形构件。

5.在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大程度地提高材料的强度和弹性模量。

补：外加增强的金属基复材的特点：1.颗粒表面有污染；2.界面结合差；3.润湿性。

二.金属基复材的特点.
答：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度；7.不吸潮，不老化，气密性好。

三.增强体的作用.
答:传递作用承受力，提高金属基体的强度、模量、耐热性、耐磨性等性能。

四.金属基复材增强体应有的基本特性.
答:1.增强体具有能明显提高金属基体某种所需特性的性能；2.增强体应具有良好的化学稳定性；3.与金属有良好的浸润性。

五.选择增强体的原则.
答：1.力学性能：杨氏模量和塑性强度；2.物理性能：密度和热扩散系数；3.几何特性：形貌和尺寸；4.物理化学相容性；5.成本因素。

六.碳纤维制造的过程.
答：1.拉丝：可用湿法、干法或者熔融状态三种中任意一种方法进行； 2.牵伸：在室温以上，通常是在100~300℃范围内进行，W.Watt 首先发现结晶定向纤维的拉伸效应，而且这效应控制着最终纤维的模量； 3.稳定：通过400℃加热氧化的方法。

这显著地降低所有的热失重，并因此保证高度石墨化和取得更好的性能。

4.碳化：在1000~2000℃范围内进行； 5.石墨化：在2000~3000℃范围内进行。

七.先驱体转化法工艺流程图.
答：二氯二甲基硅烷 脱氢 裂解 纺丝 不熔化处理 金属钠 缩合 重排
八.氧化铝纤维的制备.
答：1.淤浆法：以氧化铝粉末为主要原料，同时加入分散剂、流变助剂、烧结助剂，分散于水中，制成可纺浆料，经挤出成纤，再经干燥、烧结得到直径在200μm 左右的氧化铝纤维； 烧成 聚硅烷 聚碳硅烷 聚碳硅烷纤维 不熔化聚碳硅烷纤维 碳化烷纤维
2.溶胶—凝胶法：以铝的醇盐或无机盐为原料，同时加入其他有机酸催化剂，溶于醇/水中，得到混合均匀的溶液，经醇解或水解和聚合反应得到溶胶。

浓缩的溶胶达到一定粘度后进行纺丝，得到凝胶纤维，随后进行热处理的氧化铝纤维。

有点：制品的均匀度高，纯度高，烧结温度低，抗拉强度高；
3.预聚合法：日本住友化学公司的产品是以Al2O3为主要成分，并含有B2O3、SiO2的多晶纤维。

采用预聚合法，先是用烷基铝加水聚合成一种聚铝氧烷聚合物，将其溶解在有机溶剂中，加入硅酸酯或有机硅化合物，使混合物浓缩成粘稠液干法纺丝成先驱纤维。

再在600℃空气中裂解成含有氧化铝和氧化硅等组成的无机纤维，最后在1000℃以上烧结，得到微晶聚集态的连续氧化铝纤维，其直径在10μm左右；
4.卜内门法：与溶胶—凝胶法不同的是先驱体不形成均匀溶胶，而是通过加入水溶性有机高分子来控制纺丝粘度，以得到氧化铝纤维；
5.基体纤维浸渍溶液法：采用无机盐溶液浸渍基体纤维，通过烧结除去基体纤维而得到陶瓷纤维。

采用溶液一般为水溶液，基体纤维为亲水性良好的粘胶纤维。

九.常用的晶须分散技术.
答：球磨分散、超声分散、sol-gel分散，以及分散介质选择、pH值的调整等。

十.复材的可设计性.
答：复合材料灵活的可设计性和优良的特性使复合材料在不同应用领域竞争中成为特别受欢迎的候选材料。

1.复合材料在弹性模量、线膨胀系数和材料强度等方面具有明显的各向异性性质。

人们可以根据不同方向上对刚度和强度等性能的特殊要求来设计复合材料及结构，以满足工程实际中的特殊需要。

2.复合材料具有不同层次上的宏观、细观和微观结构，如复合材料层合板中的纤维及其与基体的界面可视为微观结构，而层合板可视为宏观结构，因此可采用细观力学理论和数值分析手段对其进行设计。

3.复合材料设计涉及多个变量优先及多层次涉及的选择。

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）、基体材料和增强体的微观结构，以及增强体的体积分数。

要想通过对上述设计变量进行系统的优化是一件比较复杂的事情。

数值优化技术对材料设计问题提供了一种可行的方法。

4.复合材料的性能往往与结构及工艺有很强额依赖关系，因此，在复合材料产品设计的同时必须进行材料结构设计，并选择合适的工艺方法。

复合材料的设计，其材料-工艺-设计必须形成一个有机的整体，形成一体化。

5.在对复合材料结构设计的同时也应对其性能进行适当的评价，以判断产品结构是否达到预期的指标。

复合材料的材料-设计-制造-评价一体化技术室21世纪发展的趋势，它可以有点地促进产品结构的高度集成化，并且能保证产品的可靠性。

十一.功能复材调整优值得途径.
答：1.调整复合度；2.调整联接方式；3.调整对称性；4.调整尺度；5.调整周期性。

十二.利用复合效应创造新型功能复合材料的四大效应.
答：1.乘积效应：在复合材料两组分之间产生可用乘积关系表达的协同作用。

例如把两种性能可以相互转换的功能材料，热-形变材料（X/Y）与另一种形变-电导材料（Y/Z）复合，其效果是（X/Y）（Y/Z）=X/Z；
2.系统效应
3.诱导效应
4.共轭效应
十三.热膨胀系数的概念及表达式.
答：概念：表征材料受热时线度或体积变化程度。

表达式：线膨胀系数：α＝(∂L/∂T)/L
体膨胀系数：α＝(∂V/∂T)/V
十四.提高金属基复材阻尼性能的方法.
答：1.用高阻尼基体金属：选择阻尼性能好的金属作为制备金属基复合材料的基体，如Zn-Al、Mg-Zr等；
2.用高阻尼增强体：纤维的弹性模量通常远大于基体和复合材料的弹性模量，应变能主要集中在纤维上，把片状石墨加入到Al或其他金属基体形成的金属基复合材料中，可大大提高阻尼性能；
3.设计高阻尼界面：金属基复合材料的阻尼性能与其实际界面层的性能有关。

根据界面层阻尼理论，一定厚度的强结合界面层本身的阻尼性能对复合材料的阻尼油极大影响；而弱结合界面层，其内部发生的滑移对复合材料的阻尼做出更多贡献。

十五.金属基复材制造方法的分类.
答：1.固态法：粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法等；
2.液态法：真空压力浸渍法、挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法、原位反应生成法等；
3.表面复合法：物理气相沉积法、化学气相沉积法、热喷涂法、化学镀法、电镀法及复合镀法等。

十六.制造技术应具备的条件.
答：1.能使增强材料均匀地分布于金数基体中，满足复合材料结构和强度设计要求；
2.能使复合材料界面效应、混杂效应或复合效应充分发挥，有利于复合材料性能的提高与互补，不能因制造工艺不当而造成材料性能下降；
3.能够充分发挥增强材料对基体金属的增强、增韧效果，可制得具有合适界面结构和特性的复合材料，尽量避免在制造过程中于增强体-金属界面处发生不利的化学反应；
4.设备投资少，工艺简单易行，可操作性强，便于实现批量或规模生产；
5.尽量能制造出接近最终产品的形状、尺寸和结构，减少或避免后加工工序。

十七.金属基复材制造的关键性技术及解决方法.
答：1.在高温下易发生不利的化学反应。

解决方法;a.尽量缩短高温加工时间，使增强材料与集体界面反应降至最低程度；b.通过提高工作压力使增强材料与集体浸润速度加快；c.采用扩散粘接法克有效地控制温度并缩短时间。

2.增强材料与集体润湿性差。

解决方法：a.加入合金元素，优化基体组分，改善基体对增强材料的润湿性；b.对增强材料进行表面处理，涂覆一层可抑制界面反应的涂层。

3.如何使增强材料按所需方向均匀地分布于基体中。

解决方法：a.对增强材料进行适当的表面处理，使其浸渍基体速度加快；b.加入适当的合金元素改善基体的分散性；c.施加适当的压力，使基体分散性增大。

十八.液态制造技术的种类.
答：1.真空压力浸渍技术：工艺流程：预制件预热→将预制件放入模具中→注入液体金属→加压渗入金属→加压保压金属→取出制品
2.挤压铸造技术：:利用压力机将液态金属强行压入增强材料的预制件中，以制造复合材料。

3.液态金属搅拌铸造技术。

搅拌工艺方法：漩涡法、Duralcan法、复合铸造法。

4.液态金属浸渍技术。

5.共喷沉积技术
6.原位自生成技术
十九.液态金属搅拌铸造技术过程特点及出现问题.
答：注意事项与措施：1.在金属熔体中添加合金元素合金元素可以降低金属熔体的表面张力；2.颗粒表面处理比较简单有效的方法是将颗粒进行高温热处理，使有害物质在高温下挥发脱除；3.复合过程的情分控制由于液态金属氧化生成的氧化膜阻止金属与颗粒的混合和润湿，吸入的气体又会造成大量气孔，严重影响复合材料的质量，因此要采用真空、惰性气体保护来防止金属熔体的氧化和吸气；4.有效的机械搅拌强烈的搅动可使液态金属以高的剪切速度流过颗粒表面，能有效地改善金属与颗粒之间的润湿性，促进颗粒在液态金属中的均匀分布。

通常采取高速旋转的机械搅拌或超声波搅拌来强化搅拌过程。

二十.原位自生成技术的工艺特点.
答：1.增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，因而与基体结合良好；
2.通过合理选择反应元素（或化合物）的类型、成分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量；
3.可省去单独合成、处理和加入增强体等工序，工艺简单，成本低，易于推广；
4.在保证材料具有良好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。

二十一.熔体直接反应法.
答：基本原理：将含有增强相颗粒形成元素的固体颗粒或粉末在某一温度下加到熔融的铝合金中，然后搅拌使反应充分进行，从而制备内生颗粒增强的复合材料。

特点：1.该工艺以现有的铝合金熔炼工艺为基础，在熔体中直接形成增强颗粒，并可以直接铸造成各种形状的复合材料铸件，因此工艺简单、周期短，复合材料制备成本低，易于推广；
2.增强颗粒大小和分布易于控制，并且其数量可在较大的范围内调整；
3.同时获得高强度、高韧性的复合材料。

反应式：13Al+3Zr(CO3)→3Al3Zr+3Al2O3+6CO2
二十二.铸造成形的技术问题及解决方法.
答：1.增强颗粒与基体金属熔体的润湿性解决方法：a.增强颗粒表面涂层b.金属集体中加入某些合金元素c.用某些盐对增强颗粒进行预处理d.对增强颗粒进行超声清洗或与热处理。

2.增强颗粒分布均匀性解决方法：调整提高金属熔体的粘度，减小增强颗粒的粒径。

3.增强颗粒与集体金属的界面结构解决方法：选择适当的增强体与金属基体的组合。

4.PRMMCs的凝固过程。

二十三.超塑性变形过程中组织变化有哪些特点.
答：1.晶粒形状与尺寸的变化 2.晶粒的滑动、转动和换位 3.晶粒条纹带 4.位错 5.空洞
二十四.空洞的分类及示意图.
答：一类为产生于三晶粒交界处的楔形空洞或V 形空洞，这类空洞是由于应力集中产生的；另一类为沿晶界，特别是相界产生的近似圆形空洞或椭圆空洞。

二十五.各种常规MMCs 联接技术的特点与比较.
答：
工艺方法 优点 缺点
熔 化 焊 钨极惰性气体保护焊接 在焊接时可使用金属焊丝以减少Al/SiC 复合材料中Al 3C 4的产生，增加Al/SiC 复合材料中增强粒子的润湿性 在Al/SiC 复合材料中会产生
Al 3C 4，当使用金属焊丝时焊
接强度降低
熔化惰性气体保护焊接 在焊接时可使用金属焊丝以减少Al/SiC 复合材料中Al 3C 4的产生，增加Al/SiC 复合材料中增强粒子的润湿性 在Al/SiC 复合材料中会产生
Al 3C 4，当使用金属焊丝时焊
接强度降低
电子束焊 在真空环境中可高速焊接 在Al/SiC 复合材料中会产生
Al 3C 4，焊接需要在真空环境
中进行
激光束焊 不需要真空环境即可高速焊接 在Al/SiC 复合材料中会产生
Al 3C 4，焊接需要有保护气体
电阻焊 可高速焊接 有可能产生增强颗粒偏析，
对焊接工作的几何形状有限
制
固扩散连接
为了提高连接性能可使用中间过量扩散会导致连接性能下
层不发生颗粒与基体间反应降
过渡液相扩散连接为了提高连接性能可使用中间
层，不发生颗粒与基体间反应
有可能形成有害的金属间化
合物；工作效率低，价格昂
贵
摩擦焊接不发生颗粒与基体间反应；在
热处理后可达到很高的连接强
度，适于连接两种不同的材料
需去除毛刺
磁励电弧对焊适于连接管形工件只能焊接限定形状的工件；焊接后需对焊接部位进行处理（内部和外部）
钎焊可用于连接两种不同的材料焊接需要惰性气体保护或真
空环境
胶焊连接加工时所需温度相对较低为获得较高强度需表面预处
理
二十六.刀具的磨损机理分析.
答：磨粒磨损粘接磨损扩散磨损氧化磨损
二十七复合材料界面的定义及作用.
答：一层具有一定厚度（纳米以上）、结构随基体和增强体而异的、与基体有明显差别的新相——界面相（界面层）。

它是增强体和基体连接的“纽带”，也是应力及其他信息传递的桥梁。

界面是金属基复合材料极为重要的微结构，其结构与性能直接硬性金属基复合材料的性能。

二十八.改善金属集体对增强物润湿性的措施.
答：1.改变增强物的表面状态和结构以加大γSV，即对增强物进行表面处理，包括机械、物理和化学清洗、电化学抛光和涂覆等；2.改变金属基体的化学成分以降低γSL，最有效的方法是向基体中添加合金元素；3.改变温度，通常升高温度能减小液态基体与固态增强物间的润湿角，但温度不能过高；4.改变环境气氛，固体或液体表面吸附的不同气体能改变γSV和γSL；5.提高液相压力，改善其对固体的润湿性。

二十九.界面优化与控制界面反应的途径.
答：纤维增强体的表面涂层处理、金属基体合金化以及制备工艺方法和参数控制。

三十.连续纤维增强MMCs的损伤分析可归纳为.
答：1.界面的性质是决定材料性质的重要因素，界面强度越高，界面脱粘发生得越晚，材料的最终强度越大；若界面强度很大，脱粘不发生，材料的强度由基体的性质决定；
2.界面的临界相对位移值越大，界面的韧性越好，脱粘发生得越晚；
3.不同界面强度对应的计算胞元的失效模式不通过，弱界面失效时，界面完全脱粘，纤维剥落；中等界面失效时，部分界面脱粘；强界面失效时，失效在基体中发生。

三十一.复合材料的强化机制.
答：Orowan强化细晶强化固溶强化位错强化
三十二.长纤维增强金属基复材的失效机制.
答：1.累积失效机制 2.非累积失效机制：a.接力失效机制b.脆性粘性失效机制c.最弱环节机制 3.混合失效机制
三十三.铝基复材重熔再生过程中影响力学性能的因素
答：1.合金元素的选择 2.增强体的选择 3.温度和时间的选择
三十四.金属基复材的回收方法.
答：1.熔融盐处理法 2.电磁分离法 3.化学溶解分离法
三十五.金属基复材的发展趋势.
答：1.完善非连续增强金属基复合材料体系 2.重点发展高性能低成本非连续增强金属基复合材料体系 3.开展非连续增强金属基复合材料制备科学基础和制备工艺方法研究 4.开展非连续增强金属基复合材料热处理技术的研究 5.开展非连续增强金属基复合材料高温塑性变形和高速超塑性研究 6.开展非连续增强金属基复合材料的机械加工研究7.开展非连续增强金属基复合材料在不同环境下的行为研究8.开展非连续增强金属基复合材料的连接技术研究。