复合材料课件第五章 金属基复合材料
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第五章 金属基复合材料成型技术
第五章 金属基复合材料成型技术
• 5.1概述 • 金属基复合材料制造技术是影响金属基复合 材料迅速发展和广泛应用的关键问题。金属基复 合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决 于其制造方法和工艺。然而，金属基复合材料的 制造相对其他基复合材料还是比较复杂和困难。 这是由于金属熔点较高，需要在高温下操作；同 时不少金属对增强体表面润湿性很差，甚至不润 湿，加上金属在高温下很活泼，易与多种增强体 发生反应。目前虽然已经研制出不少制造方法和 工艺，但仍存在一系列问题。所以开发有效的制 造方法一直是金属基复合材料研究中最重要的课 题之一。
PVD法纤维/基体复合丝原理图
5.3.5共喷沉积技术
• 共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料 的有效方法，1969年由A．R．E．siager发明， 随后由Ospmy金属有限公司发展成工业生产规模 的制造技术，现可以用来制造铝、铜、镍、铁、 金属间化合物基复合材料。 • 共喷沉积工艺过程，包括基体金属熔化、液态金 属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积 和凝固等工序。主要工艺参数有：熔融金属温度， 惰性气体压力、流量、速度，颗粒加入速度，沉 积底板温度等。这些参数都对复合材料的质量有 重要的影响。不同的金属基复合材料有各自的最 佳工艺参数组合，必须十分严格地加以控制。
压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要有四个： ①熔融金属的温度 ②模具预热温度 ③使用的最大压力 ④加压速度 在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料，一般压力不低于 50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜，一般为1~3cm/s。对于铝基复合材 料，熔融金属温度一般为700~800℃，预制件和模具预热温度一般可控制在 500~800℃，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。采用压 铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、无气孔，可以获得比一般金 属模铸件性能优良的压铸件。与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺 设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。
• 5.1概述 • 金属基复合材料制造技术是影响金属基复合 材料迅速发展和广泛应用的关键问题。金属基复 合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决 于其制造方法和工艺。然而，金属基复合材料的 制造相对其他基复合材料还是比较复杂和困难。 这是由于金属熔点较高，需要在高温下操作；同 时不少金属对增强体表面润湿性很差，甚至不润 湿，加上金属在高温下很活泼，易与多种增强体 发生反应。目前虽然已经研制出不少制造方法和 工艺，但仍存在一系列问题。所以开发有效的制 造方法一直是金属基复合材料研究中最重要的课 题之一。
PVD法纤维/基体复合丝原理图
5.3.5共喷沉积技术
• 共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料 的有效方法，1969年由A．R．E．siager发明， 随后由Ospmy金属有限公司发展成工业生产规模 的制造技术，现可以用来制造铝、铜、镍、铁、 金属间化合物基复合材料。 • 共喷沉积工艺过程，包括基体金属熔化、液态金 属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积 和凝固等工序。主要工艺参数有：熔融金属温度， 惰性气体压力、流量、速度，颗粒加入速度，沉 积底板温度等。这些参数都对复合材料的质量有 重要的影响。不同的金属基复合材料有各自的最 佳工艺参数组合，必须十分严格地加以控制。
压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要有四个： ①熔融金属的温度 ②模具预热温度 ③使用的最大压力 ④加压速度 在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料，一般压力不低于 50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜，一般为1~3cm/s。对于铝基复合材 料，熔融金属温度一般为700~800℃，预制件和模具预热温度一般可控制在 500~800℃，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。采用压 铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、无气孔，可以获得比一般金 属模铸件性能优良的压铸件。与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺 设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。
金属基复合材料
四、挤压铸造法
挤压铸造法是制造金属基复合材料较理 想的途径，此工艺先将增强体制成预成型 体，放入固定模型内预热至一定温度，浇 人金属熔体，将模具压下并加压，迅速冷 却得到所需的复合材料。
挤压铸造法特点：可以制备出增强相非常 高体积分数（40 %~50 %）的金属基复合 材料，由于在高压下凝固，既改善了金属 熔体的浸润性，又消除了气孔等缺陷，因 此，挤压铸造法是制造金属基复合材料质 量较好，可以一次成型。
六、熔体浸渗法
熔体浸渗工艺包括压力浸渗和无压浸渗。 当前是利用惰性气体和机械装置作为压力 媒体将金属熔体浸渗进多气孔的陶瓷预制 块中，可制备体积分数高达50 %的复合材 料，随后采用稀释的方法降低体积分数。
三、原位生成法
原位生成法指增强材料在复合材料制造 过程中，并在基体中自己生成和生长的方 法，增强材料以共晶的形式从基体中凝固 析出，也可与加入的相应元素发生反应、 或者合金熔体中的某种组分与加入的元素 或化合物之间的反应生成。前者得到定向 凝固共晶复合材料，后者得到反应自生成 复合材料。
原位生成复合材料的特点：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，界面结 合强度高。而且，原位反应产生的增强相 颗粒尺寸细小、分布均匀，基体与增强材 料间相容性好，界面润湿性好，不生成有 害的反应物，不须对增强体进行合成、预 处理和加入等工序，因此，采用该技术制 备的复合材料的综合性能比较高，生产工 艺简单，成本较低。
一、搅拌铸造法
搅拌铸造法制备金属基复合材料起源于 1968年，由S.Ray在熔化的铝液中加入氧化 铝，并通过搅拌含有陶瓷粉末的熔化状态 的铝合金而来的。
搅拌铸造法的特点是：工艺简单，操作 方便，可以生产大体积的复合材料（可到 达500 kg），设备投入少，生产成本低， 适宜大规模生产。但加入的增强相体积分 数受到制，一般不超过20 %，并且搅拌后 产生的负压使复合材料很容易吸气而形成 气孔，同时增强颗粒与基体合金的密度不 同易造成颗粒沉积和微细颗粒的团聚等现 象。
金属基复合材料
压铸成型法的具体工艺
将包含有增强材料的金属 熔体倒入预热摸具中后，迅 速加压，压力约为70-100MPa， 使液态金属基复合材料在压 力下凝固。 复合材料完全固化后顶出， 制得所需形状及尺寸的复合 材料的坯料或压铸件。
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压铸成型法的特点
压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要 有四个：①熔融金属的温度、 ②模具预热温度、 ③使用的 最大压力、 ④加压速度。 在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料， 一般压力不低于50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜， 一般为1-3cm/s。 对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为700-800℃，预 制件和模具预热温度一般可控制在500-800℃，并可相互补 偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。 采用压铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、 无气孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。 与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺设备简 单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。 32
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粉末冶金法的优点
① 热等静压或烧结温度低于金属熔点，由于高温引起的增 强材料与金属基体的界面反应少，减小了界面反应对复合材 料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的温度、 压力和时间等工艺参数来控制界面反应。 ② 可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与 基体金属粉末以任何比例混合，纤维含量最高可达75%，颗粒 含量可达50%以上，这是液态法无法达到的。 ③ 降低增强材料与基体互相湿润及密度差的要求，使颗粒 或晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中。 ④ 采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般 不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到 明显改善，提高复合材料的性能。 ⑤ 金属基复合材料可通过传统的金属加工方法进行二次加 21 工，得到所需形状的复合材料构件毛坯。
金属基复合材料(MMC)制备工艺课件
VS
详细描述
机械合金化法是一种制备金属基复合材料 的有效方法。在球磨机中，将金属粉末与 增强相（如碳纳米管、陶瓷颗粒等）混合 ，在高能球磨过程中，金属粉末与增强相 在剧烈的机械力作用下发生合金化及复合 。该方法具有制备工艺简单、成本低、可 批量生产的优点。
扩散焊接法
总结词
通过在高温和压力作用下，使金属基体与增 强相之间发生相互扩散，实现冶金结合。
用于制备高尔夫球杆、滑 雪板等轻质、高强度的运 动器材。
05 喷射沉积法制备mmc
喷射沉积法的原理
喷射沉积法是一种制备金属基复合材料 的方法，其原理是将两种或多种材料通 过高速喷射流混合，并在快速凝固条件
下形成复合材料。
在喷射沉积过程中，各种材料的颗粒或 液体在高速运动中相互碰撞、混合和分
散，形成均匀的复合材料。
为了获得均匀分布的增强相， 需要采用合适的分散剂和分散
工艺。
常用的分散剂包括表面活性剂 、偶联剂、高分子聚合物等。
分散工艺可以采用球磨、超声 波振动、搅拌等方式。
压制与烧结
压制是将混合分散后的粉末压制成一 定形状和尺寸的预制件。
烧结是使预制件在高温下致密化的过 程，通过物质迁移和组织转变来实现 。
除了上述两种方法外，还有化学沉积法、物理气相沉 积法、熔融浸渗法等方法制备金属基复合材料。
详细描述
化学沉积法是通过化学反应在金属基体上沉积增强相 ，实现复合。物理气相沉积法是利用物理过程，在金 属基体上沉积增强相，制备金属基复合材料。熔融浸 渗法是将增强相（如碳纤维、陶瓷颗粒等）与金属基 体混合，经过熔融、浸渗后冷却固化，制备出金属基 复合材料。这些方法各有特点，适用范围也不同，可 根据实际需求选择合适的制备方法。
金属基复合材料(MMC)
2．粉末冶金
适用于连续、长纤维 增强．也可用于短纤 维、颗粒或晶须增强 的金属基复合材料
长纤维增强：将纤维和 金属粉末按比例混合，密 封在容器中，然后进行热 等静压
整理ppt
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其它增强相
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粉末冶金的优点
工艺过程温度低，可以控制界面反应
增强材料(纤维、颗粒或晶须)与基体金属粉末 可以任何比例混合，纤维含量最高可达75％， 颗粒含量可达50％以上
高温性能优良。合金化后的耐热性显著提高，可以作为
高温结构材料使用，如航空发动机的压气机转子叶片等， 长期使用最高温度已达540℃
在大气和海水中有优异的耐蚀性．在硫酸、盐酸、硝酸 相氢氧化纳等介质中都很稳定
导电与导热性差.导热系数只有铜的1／l 7和铝的l／10， 比电阻为铜的25倍
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7
对浸润性和密度差的要求较小
采用热等静压工艺时，其组织细化、细密、均 匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使空 隙和其它内部缺陷得到明显改善，从而提高复 合材料的性能
可以用传统的加工方法进行二次加工
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粉末冶金的缺点
工艺过程比较复杂，金属基体必须制 成金属粉末，增加了工艺的复杂性和 成本
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普通压铸工艺过程
将包含有增强材料的金属熔体倒入预热模 具中后迅速加压，压力约为70—l00MPa， 使液态金属基复合材料在压力下凝固。待 复合材料完全固化后顶出，即制得所需形 状及尺寸的金属基复合材料的坯料或压铸 件。
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增强材料预制体的压铸工艺过程
将熔融金属注入装有增强材料(长、短纤维， 颗粒或晶须)的预制件模具中，并在压力下使 之渗入预制件的间隙，在高压下迅速凝固成金 属基复合材料
第五章 金属基复合材料
• 用于集电和电触头的金属基复合材料有：碳（石墨）纤
维或颗粒、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金等 金属基复合材Βιβλιοθήκη 。三、金属基复合材料的性能特征
金属基复合材料的性能取决于所选的金属或合金基体和 增强体的特性、含量、分布等。通过优化组合可以既发挥 金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等综 合性能。其主要的性能特点有： 高比强度、比模量 良好的断裂韧性和抗疲劳性能 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 良好的导电、导热性能 良好的高温性能 良好的耐磨性与阻尼性 性能再现性及可加工性好 不吸潮、不老化、气密性好
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
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
•
Cgr/Al基复合材料在500℃高温下，仍具有600MPa的强 度，而铝基体在300℃时强度已下降到100MPa以下； Wf/耐热合金，在1100℃/100h下持久强度为207MPa， 而基体耐热合金在同样条件下的持久强度只有48MPa.
•
•
硼纤维增强铝在近400 ℃温度下仍有较好的高温比强度。
第四章
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
金属基复合材料
蓝宝石晶须是迄今所发现的强度最高的固体形态，小直径的晶须强度较高且比粗的容易生长，所以在制造复合材料时被优先选用，为 了改善与金属的浸润性和便于制造需用金属涂层，厚度应小于0. 真空蒸发工艺能成功地把大量铝沉积到纤维上，但由于纤维与基体之间的剥离，用这种方法制得的复合材料强度相当低。 主要方法是将纤维夹在金属板之间进行加热，这种方法通常称为扩散结合。 1 蓝宝石晶须和蓝宝石杆 硼铝复合材料的增强纤维与基体 硼纤维具有一系列很突出的优点，它的比模量和比强度高、与固态铝和液态镁的化学相容性好、直径大，再现性好且价格适宜。 1）硼钛复合材料的界面组织结构
腐蚀、抗蠕变和耐疲劳等优异性能，主要用于制造高 温下工作的零部件。
（3）钛基复合材料 比任何其他的结构材料具有更高的比强度，且耐热性好
，抗蚀性能优异。
2.按增强体分类 （1）颗粒增强复合材料 （2）层状复合材料 （3）纤维增强复合材料 6.1.2 金属基复合材料中增强体的性质 连续纤维增强对金属基体的增强效果最好，对于纤维状增
除了上述制造工艺外，还有电沉积、金属粉末成型、铸造和 纤维缠绕配合等工艺。常用纤维缠绕加等离子喷涂基体这样 的工艺来制造平板和大直径圆环，具有极好的高温强度和耐 疲劳性能。
对表面磨损和腐蚀不敏感，具有良好的高温性能，但在 500℃以上暴露于氧气中，短时间纤维强度就会受损，可对 纤维表面进行涂层，如涂覆碳化硅层。
▪ （2）基体
▪ 基体应具有良好的综合性能：较高的断裂韧性，较强的阻止 纤维断裂处或劈裂处的裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性，较 高的强度等。对于高温下使用的复合材料，还要求基体具有 较好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能熔焊或钎焊。 应用最普遍的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合 材料。
强体，对其性能具有以下基本要求：
腐蚀、抗蠕变和耐疲劳等优异性能，主要用于制造高 温下工作的零部件。
（3）钛基复合材料 比任何其他的结构材料具有更高的比强度，且耐热性好
，抗蚀性能优异。
2.按增强体分类 （1）颗粒增强复合材料 （2）层状复合材料 （3）纤维增强复合材料 6.1.2 金属基复合材料中增强体的性质 连续纤维增强对金属基体的增强效果最好，对于纤维状增
除了上述制造工艺外，还有电沉积、金属粉末成型、铸造和 纤维缠绕配合等工艺。常用纤维缠绕加等离子喷涂基体这样 的工艺来制造平板和大直径圆环，具有极好的高温强度和耐 疲劳性能。
对表面磨损和腐蚀不敏感，具有良好的高温性能，但在 500℃以上暴露于氧气中，短时间纤维强度就会受损，可对 纤维表面进行涂层，如涂覆碳化硅层。
▪ （2）基体
▪ 基体应具有良好的综合性能：较高的断裂韧性，较强的阻止 纤维断裂处或劈裂处的裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性，较 高的强度等。对于高温下使用的复合材料，还要求基体具有 较好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能熔焊或钎焊。 应用最普遍的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合 材料。
强体，对其性能具有以下基本要求：
金属基复合材料
飞行器和卫星构件宜选密度小的轻金属合金－镁、铝合金为 基体，与高强、高模石墨纤维、硼纤维组成石墨/镁、石墨/铝、硼 /铝等复合材料； ② 高性能发动机要求：高比强、比模量，优良的耐高温性能在 高温氧化性气氛中工作。
而选用钛合金、镍基合金及金属间化合物，如碳化硅 / 钛、镥、 钨丝/镍基起合金复合材料，可用于喷气发动机叶片、转轴等重要 零件。
基本原理是： 液态金屑基体通过特殊的喷嘴，在隋性气体气流的作用下雾化成细小的液态金属沉，
喷向衬底．将颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起并沉积在衬底上，
凝固形成金属基复合材料。
共喷沉积法的特点：
①适用面广。可用于铝、铜、镍、钻等有色金同基体，也可用于铁、 金属间化合物基体，可加入SiC、Al2O3、、石墨等多种颗粒产品可以 是圆棒、圆锭、板带、管材等。 ②生产工艺简单、效率高。与粉末冶金法相比，不必先制成金属粉末， 然后再与颗粒混合、压型、烧结等工序，而是快速一次复合成坯料， 雾化速率可达25-100Kg／min，沉淀凝固迅速。 ③冷却速度大。所得复合材料基体金属的组织与快速凝固相近，晶粒 细、无宏观偏析、组织均匀。 ④颗粒分布均匀。在严格控制工艺参数的条件下颗粒在基体中的分布 均匀。 ⑤复合材料中的气孔卒较大。气孔率在2%-5%之间，但经挤压处理后可 消除气孔．获得致密材科。
液态法
液态法是制备金属基复合材料的主要方法：
真空压力浸渍法； 共喷沉积；
挤压铸造；
真空吸铸； 搅拌铸造等方法
共喷沉积法
共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料的有效 方法，1960年由Siager发明，随后由Ospray金属有限公 司发展成工业生产规模的制造技术，可用来制造铝、铜、 镍、铁、金属间化合物基复合材料。
金属基复合材料ppt课件
（3）、热膨胀系数小、尺寸稳定性好
金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗 粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的 模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热 膨胀系数。加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料 的强度和模量，也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 应用的要求。
铝基复合材料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。
铝基复合材料
• 大型运载工具的首选材料。如波音747、757、767 • 常用：B/Al、C/Al、SiC/Al • SiC纤维密度较B高30％，强度较低，但相容性好。 • C纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。 • 基体材料可选变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝。它们
（2）、导热导电性能
虽然有的增强体为绝缘体，但在复合材料中占 很小份额，基体导电及导热性并未被完全阻断， 金属基复合材料仍具有良好的导电与导热性。
为了解决高集成度电子器件的散热问题，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、铜基复合材料的热导率比纯 铝、铜还高，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，提高了集成电路的 可靠性。
氧化铝和硅酸铝短纤维增强铝基复合材料的室温 拉伸强度并不比基体合金高，但它们的高温强度明显 优于基体，弹性模量在室温和高温都有较大的提高， 热膨胀系数减小，耐磨性能得到改善。
• 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采 用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维 采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。
金属基复合材料的损伤和失效.ppt
第8章
可以说, 损伤是由整个金属基体来承担。因此复合 材料获得了非常好的塑性变形能力。但是却导致 了复合材料强化能力的过度降低。 3. 2 性质 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。 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。
N 为硬化指数, EM 为杨氏模量,σ0 为初始屈服应 力。
第8章
2.3 脆性材料的失效准则 脆性材料的破坏准则采取最大主应力准则形式。如 果R1、R2和R3 分别用来表性材料的单向拉伸强度。
金属基复合材料的损伤与失效
3损伤结论 3. 1 结构 界面脱开是一个迅速过程, 会导致金属基复合材料 强化能力的显著降低。增强相端头处界面的脱开 会使附近基体中发生应力松驰, 从而减弱了此处 基体中孔洞的成核与长大速度, 而增强相侧壁处 界面的脱开则促进了增强相侧壁间基体内孔洞的 成核与发展。这是因为此处界面的脱开阻碍了荷 载的剪切滞后传递能力, 从而导致这个区域内基 体承担了过多的荷载。界面的脱开速度接近于基 体内孔洞的成核与长大的扩展速度。基体内孔洞 的发展和分布是比较均匀的, 在发生失效前一般 也是很稳定的。
金属基复合材料的损伤与失效
内聚力模型讨论的是界面上下表面的粘结力与相对 位移之间的关系
金属基复合材料的损伤与失效
这里Tn 和Tt 分别是界面法向和切向的粘结力,Δn 和Δt 是相应的法向和切向的相对位移, H 是单 位跃阶函数, K 是界面受压时的模量,由于界面 很薄,压缩量很小,故K 可以取一大数. 内聚力模 型引入了两组参数:σn 、σt 分别表示界面受 单纯拉、剪时的强度;δn 、δt 为界面受单纯 拉、剪时能维系界面的最大相对位移。
复合材料第五章(1)金属基复合材料-金属基复合材料的分类
增强相含量, vol % 50 50 35~40 35 50 50 18~20 20 35 45
抗拉强度， MPa
1200~1500 1300~1500 700~900 500~800
650 900 500~620 400~510 1500~1750 1300~1500
拉伸模量， GPa
200~220 210~230 95 ~ 110 100~150
工艺优点： 制品有一定形状（可制备各种型材）
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（4） 粉末(冶金)法（Slurry Powder Metallurgy） 工艺特点：解决了使用金属箔材成本高问题
工艺优点：成本低
工艺关键：低温真空下聚合物粘接剂必须能够完全挥发
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工艺概要： 1）制备基体粉末/聚合物粘接剂胶体（可将胶体轧制成薄带） 2）用胶体固定纤维，干燥获得粉末/纤维预制片 3）或按粉末法纤维/基体复合丝方法制备复合丝 4）真空扩散结合制备复合材料
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图5.16 粉末（冶金）法制备金属基复合料材料示意图 50
2.2.3 液态法 — 非连续增强相金属基复合材料制备工艺
（1） 压铸法（Squeeze Casting） 工艺特点：压力、液态或半液态金属 工艺概要：压力作用下，液态或半液态金属以一定速度 充填增强材料预制体空隙中并快速凝固成型 工艺关键：熔融金属温度、模具预热温度、压力、加压速度
220 130 96 ~138 ~100 210 ~230 220
密度， g/cm3
2.6 2.85~3.0
2.6 2.4 3.3 2.9 2.8 2.8 3.9 3.7
13
（2）高的韧性和冲击性能
相对聚合物、陶瓷基复合材料而言，
金属基复合材料具有较高的韧性和耐冲击性能 ！
金属基复合材料
• 2 - 1 纤维 （基体箔材）聚合物粘结剂先驱（预 纤维/（基体箔材）聚合物粘结剂先驱（ 制）带（板）(图 9-1)： 图 ： • 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。
2 - 2 等离子喷涂纤维 / 基体箔材先驱（预制）带（板）： 基体箔材先驱（预制）
• 纤维定向定间距缠绕 → 等离子喷涂基体粉 末定位（ 末定位（图9-2）。 ）。
2 - 4 粉末法纤维 基体复合丝 粉末法纤维/基体复合丝
首先将金属基体粉末与聚合物粘接 首先 剂混合制成基体粉末/聚合物粘接剂 胶体，然后 然后将纤维通过带有一定孔 然后 径毛细管的胶槽，在纤维表面均匀 地涂敷上一层基体粉末胶体，干燥 后形成一定直径的纤维/基体粉末复 合丝。复合丝的直径取决于胶体的 粘度、纤维走丝速度以及胶槽的毛 细管孔径等。
• 此工艺控制的参数主要是：1）熔体的温 度应使熔体达到30∼50 %的固态；2）搅 ∼ 拌速度应不产生湍流，使枝晶破碎成固 态颗粒，降低熔体的粘度以利于增强颗 粒的加入。
4 -3 喷射成型法（Ospray，Spray Co-deposition） 喷射成型法（ ， ） • 喷射沉积工艺是一种80年代逐渐成熟的将粉末 冶金工艺中混合与凝固两个过程相结合的新工 艺。 • 如图9-16所示，该工艺过程是将基体金属在坩 埚中熔炼后，在压力作用下通过喷嘴送入雾化 器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属 被分散为细小的液滴，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基 复合材料。
6 – 3 反应生长法（XD TM） 反应生长法（ ）
• 该工艺可生成颗粒、晶须或共同增强的金属和 金属间化合物基复合材料。根据所选择的原位 生长的增强相的类别或形态，选择基体和增强 相生成所需的原材料，如一定粒度的金属粉末、 硼或碳粉，按一定比例混合制成预制体，并加 热到熔化或自蔓延燃烧（SHS）反应发生的温 度时，预制体的组成元素进行放热反应，以生 成在基体中弥散的微观增强颗粒、晶须和片晶 等（图9-22）。
2 - 2 等离子喷涂纤维 / 基体箔材先驱（预制）带（板）： 基体箔材先驱（预制）
• 纤维定向定间距缠绕 → 等离子喷涂基体粉 末定位（ 末定位（图9-2）。 ）。
2 - 4 粉末法纤维 基体复合丝 粉末法纤维/基体复合丝
首先将金属基体粉末与聚合物粘接 首先 剂混合制成基体粉末/聚合物粘接剂 胶体，然后 然后将纤维通过带有一定孔 然后 径毛细管的胶槽，在纤维表面均匀 地涂敷上一层基体粉末胶体，干燥 后形成一定直径的纤维/基体粉末复 合丝。复合丝的直径取决于胶体的 粘度、纤维走丝速度以及胶槽的毛 细管孔径等。
• 此工艺控制的参数主要是：1）熔体的温 度应使熔体达到30∼50 %的固态；2）搅 ∼ 拌速度应不产生湍流，使枝晶破碎成固 态颗粒，降低熔体的粘度以利于增强颗 粒的加入。
4 -3 喷射成型法（Ospray，Spray Co-deposition） 喷射成型法（ ， ） • 喷射沉积工艺是一种80年代逐渐成熟的将粉末 冶金工艺中混合与凝固两个过程相结合的新工 艺。 • 如图9-16所示，该工艺过程是将基体金属在坩 埚中熔炼后，在压力作用下通过喷嘴送入雾化 器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属 被分散为细小的液滴，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基 复合材料。
6 – 3 反应生长法（XD TM） 反应生长法（ ）
• 该工艺可生成颗粒、晶须或共同增强的金属和 金属间化合物基复合材料。根据所选择的原位 生长的增强相的类别或形态，选择基体和增强 相生成所需的原材料，如一定粒度的金属粉末、 硼或碳粉，按一定比例混合制成预制体，并加 热到熔化或自蔓延燃烧（SHS）反应发生的温 度时，预制体的组成元素进行放热反应，以生 成在基体中弥散的微观增强颗粒、晶须和片晶 等（图9-22）。
第五章 金属基复合材料(MMC)
各类MMC简介（续）
• 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、短纤维和晶须类一维增强体。 • 由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异 性特征。基体的性能对复合材料横向性能和剪 切性能的影响比对纵向性能更大。 • 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。
MMC制备工艺（续）
MMC制备工艺（续）
• 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。 • 扩散结合工艺中的最关键步骤是热压为了保证 性能符合要求，热压过程中要控制好热压工艺 参数。热压工艺参数主要为：热压温度、压力 和时间。 • 在真空热压炉中制备硼纤维增强铝的热压板材 时，温度控制在铝的熔点温度以下，一般为 500-600℃，压力为50-70MPa，热压时间控制 在0.5-2小时。
MMC制备工艺（续）
• 扩散结合工艺的特点
• 采用扩散结合方式制备金属基复合材料还可以采用热轧和热挤 压、接拔的二次加工方式进行再加工，也可以采用超塑性加工 方式进行成型加工。 • 扩散结合是连续纤维增强，并能按照复合材料的铺层要求排布 的唯一可行的工艺。采用扩散结合方式制备金属基复合材料， 工艺相对复杂，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。
• 钛基复合材料具有比任何其它的结构材更高的比强度，而且钛 在中温时比铝合金能更好地保持其强度。因而对飞机结构件来 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，飞机的结构设计上趋向 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 维增强钛将可满足这种对材料刚度的要求。 • 除上述外，还有铜基、锌基和金属间化合物基复合材料等。
金属基复合材料制备工艺PPT幻灯片课件
金属基复合材料的制备工艺
金属基复合材料制备及成形工艺
金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程 度上取决于制备技术；
研究和发展有效的制备技术一直是金属基复合材 料研究中最重要的问题之一。
2
复合材料的概念与定义
常规材料的优缺点：
• 金属材料的优点：优良的延展性和可加工性。缺点：强度相对低，耐 热、耐磨、耐蚀性差，如铝；
19
热压法工艺流程
在增强材料上铺金属箔
裁剪成形
加热至所需温度
加压与保压
抽真空
冷却取出制品 并加以整理
20
影响扩散粘结过程的主要参数是：温度、压力和一定温度及压力 下维持的时间。另外，气氛对质量也有较大影响。
21
扩散粘结过程分为三个阶段：
1.粘结表面的最初接触，由于加热、加压， 使表面发生变形、移动、表面膜（氧化膜） 破坏；
26
5.1. 粉末轧制法
27
5.2 块（带）材轧制复合法
28
5.3 温轧复合生产线
29
6.爆炸焊接法
是利用炸药产生强大脉冲应力，通过使碰撞的材 料发生塑性变形、粘结处金属的局部扰动以及热 过程使材料焊接起来。
2) 可以自由选择强化颗粒种类、尺寸，且强化颗粒添加量范围广； 3) 与铸造法相比，较易实现强化颗粒的均匀分散（微颗粒除外）。 4) 与液相法相比，制备温度低，界面反应可控； 5) 可根据要求设计复合材料的性能； 6) 其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善； 7) 利于净成型或近净成型，二次加工性能好。
2.1.3 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 氧化铝纤维
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
金属基复合材料制备及成形工艺
金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程 度上取决于制备技术；
研究和发展有效的制备技术一直是金属基复合材 料研究中最重要的问题之一。
2
复合材料的概念与定义
常规材料的优缺点：
• 金属材料的优点：优良的延展性和可加工性。缺点：强度相对低，耐 热、耐磨、耐蚀性差，如铝；
19
热压法工艺流程
在增强材料上铺金属箔
裁剪成形
加热至所需温度
加压与保压
抽真空
冷却取出制品 并加以整理
20
影响扩散粘结过程的主要参数是：温度、压力和一定温度及压力 下维持的时间。另外，气氛对质量也有较大影响。
21
扩散粘结过程分为三个阶段：
1.粘结表面的最初接触，由于加热、加压， 使表面发生变形、移动、表面膜（氧化膜） 破坏；
26
5.1. 粉末轧制法
27
5.2 块（带）材轧制复合法
28
5.3 温轧复合生产线
29
6.爆炸焊接法
是利用炸药产生强大脉冲应力，通过使碰撞的材 料发生塑性变形、粘结处金属的局部扰动以及热 过程使材料焊接起来。
2) 可以自由选择强化颗粒种类、尺寸，且强化颗粒添加量范围广； 3) 与铸造法相比，较易实现强化颗粒的均匀分散（微颗粒除外）。 4) 与液相法相比，制备温度低，界面反应可控； 5) 可根据要求设计复合材料的性能； 6) 其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善； 7) 利于净成型或近净成型，二次加工性能好。
2.1.3 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 氧化铝纤维
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
【金属基复合材料】第五章,复合材料基体与增强体
Chapter 5, matrices and Reinforcements of MMCs
Introduction
The possibility of taking advantage of particular properties of the constituent materials to meet specific demands is the most important motivation for the development of composites. The terms matrix and reinforcement are often used. The matrix is a percolating “soft” phase (with in general excellent ductility, formability and thermal conductivity) in which are embedded the “hard” reinforcements (high stiffness, hardness, and low thermal expansion). The reinforcements can be continuous or discontinuous, orientated or disorientated. The composites are classified by: (1) their matrix (polymer, ceramic, metal), (2) their reinforcement, which includes the chemical nature (oxides, carbides, nitrides), shape (continuous fibers, short fibers, whiskers, particulates) and orientation, (3) their processing routes.
Introduction
The possibility of taking advantage of particular properties of the constituent materials to meet specific demands is the most important motivation for the development of composites. The terms matrix and reinforcement are often used. The matrix is a percolating “soft” phase (with in general excellent ductility, formability and thermal conductivity) in which are embedded the “hard” reinforcements (high stiffness, hardness, and low thermal expansion). The reinforcements can be continuous or discontinuous, orientated or disorientated. The composites are classified by: (1) their matrix (polymer, ceramic, metal), (2) their reinforcement, which includes the chemical nature (oxides, carbides, nitrides), shape (continuous fibers, short fibers, whiskers, particulates) and orientation, (3) their processing routes.
第五章复合材料PPT课件
增强的磨损比玻纤增强的约小10倍。碳纤维增强塑料
具有良好的自润性能，因此可用于制造无油润滑活塞
环、轴承和齿轮。如用石棉之类的材料与塑料复合，
则与上述情况相反，可得到摩擦系数大、制动效果好
的
摩
阻
材
料
。
[1] p为滑动轴承投影面的压强（MPa），v为滑动
线速度（m/s），各种塑料及其复合材料均有一个允
许最高承载能力的p值；与允许最高滑动线速度的v值。
金属基复合材料非金属基复合材料铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料塑料基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料纤维增强塑料玻璃钢纤维增强橡胶轮胎纤维增强陶瓷纤维增强金属金属陶瓷弥散强化金属纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料双层金属复合材料三层复合材料复合材料二复合材料的性能特点二复合材料的性能特点纤维增加材料的比强度及比模量远高于金属材料特别是碳纤维环氧树脂复合材纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展改变裂纹扩展的方向
复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。
按
金属基复合材料
基
铝基复合材料
体
钛基复合材料
相
铜基复合材料
的
性
非金属基复合材料
质
塑料基复合材料
分
橡胶基复合材料
陶瓷基复合材料
第11页/共60页
纤维增强复合材料
按
纤维增强塑料（玻璃钢）
增
纤维增强橡胶（轮胎）
强
纤维增强陶瓷
相
纤维增强金属
的
颗粒增强复合材料
形
态 分
纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止 疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。
金属基复合材料MMC课件
高性能结构件
金属基复合材料具有高强度、高刚性和轻量化的特点，适用于制 造航空航天领域的高性能结构件。
耐高温性能
金属基复合材料能够承受高温环境，适用于制造飞机和火箭的燃烧 室和喷嘴等部件。
减振降噪性能
金属基复合材料的减振降噪性能较好，可用于制造飞机和火箭的起 落架和机身等部件。
电子封装材料的应用
散热性能
新材料与新技术的研发
1 2 3
高性能增强相的研发 利用新材料如碳纳米管、陶瓷纳米颗粒等，提高 金属基复合材料的力学性能和热稳定性。
金属基复合材料的制备技术 研究新的制备方法，如原位合成、喷射沉积、激 光熔覆等，以实现高效、低成本的生产。
多功能金属基复合材料 开发具有导电、导热、磁性等功能的新型金属基 复合材料，满足不同领域的应用需求。
分类
根据增强体的不同，金属基复合材料可分为连续增强金属基复合材料和非连续 增强金属基复合材料。
金属基复合材料的特性
高比强度和比模量
可设计性强
金属基复合材料具有较高的比强度和 比模量，能够满足轻量化设计的需求。
通过选择不同的增强体和金属基体， 可以定制金属基复合材料的性能，满 足各种应用需求。
良好的热稳定性和耐磨性
车、高尔夫球杆等。
医疗器械
用于制造医疗器械，如 手术刀、牙科工具等， 提高医疗器械的耐用性
和可靠性。
02
金属基复合材料的制备方法
粉末冶金法
粉末冶金法是一种常用的制备金属基复合材料的方法，通过将增强体（如碳纤维、陶瓷颗粒 等）与金属粉末混合，经过压制、烧结和热等静压等工序，制备出具有优异性能的金属基复 合材料。
界面设计与优化
01
02
03
界面类型
金属基复合材料的制备工艺原理PPT课件
6
第6页/共104页
制造技术应具备的条件
(1) 使增强材料均匀地分布金属基体中，满足复合材料结构和强度要求; (2) 能使复合材料界面效应、混杂效应或复合效应充分发挥; (3) 能够充分发挥增强材料对基休金属的增强、增韧效果; (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) 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.
积法以及电解法。 不锈钢真空球磨罐
QM-星行球磨机
第13页/共104页
2、压制成坯块
成型的目的是 制得一定形状和 尺寸的压坯，并 使其具有一定的 密度和强度。成 型的方法基本上 分为加压成型和 无压成型。加压 成型中应用最多 的是模压成型。
第14页/共104页
液压机原理图
15
第15页/共104页
第26页/共104页
热等静压法
• 热等静压（Hot Isostatic Pressing，简称HIP）工艺是将 制品放置到密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力， 同时施以高温,在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密 化。
• 也是热压法的一种。采用惰性气体加压，工件在各个方向 上受到均匀压力的作用。
第34页/共104页
在热等静压机中处理的人工 关节 , 用于消除在铸造过程中 形成的内部微空和缺陷 .
第35页/共104页
三种热等静压工艺
• 先升压后升温：其特点是无需将工作压力开到最高压力， 随着温度升高，气体膨胀，压力不断升高，直至达到需 要压力，适用于金属包套的工艺制备；
• 先升温后升压：适用于玻璃包套制备复合材料； • 同时升温升压：适合于低压成形、装入量大、保温时间
温度,时间,气氛.
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220 130 96 ~138 ~100 210 ~230 220
密度， g/cm3
2.6 2.85~3.0
2.6 2.4 3.3 2.9 2.8 2.8 3.9 3.7
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。 原因：金属基体属于典型韧性材料，受到冲击时 能通过塑性变形吸收能量，或使裂纹钝化、减小 应力集中而改善韧性。
12
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。
近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。
13
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。
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。
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。
14
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。
等静压制轧制 挤 压
烧缩
浸适热处理 电镀 高温烧 复压 精 锻造 轧制 挤压 烧结
结
整
锻打 复烧（浸油）热处理
拉 丝
粉末冶金成 品
举例—热压法制造SiCf/Al
将SiC纤维与铝合金薄片按一定方式排列和堆叠，然后 在惰性气体保护下加热、加压使它们紧密地结合成为 一定形状的制品。 用这种方法制成的铝基纤维复合材料具有很高的质量。 美国Textron特殊材料公司用固态扩散法制成碳化硅 连续纤维/铝工字梁和板材，在战斗机尾翼上试用获 得成功。
mm
金66-12
最大
1.9475
最小
1.8476
平均
1.897
Al2O3 纤维铝
1.500 1.325 1.412
SiC颗粒- 高镍奥氏体铸
铝
铁
0.9425 1.1670
0.865
1.1275
0.9037 1.1412
27
⑥良好的断裂韧性和抗疲劳性能 金属基复合材料的抗疲劳性能与纤维类型、金属 基体的性能、生产工艺和界面状况等密切相关。
图 SiC颗粒增强Al基 复合材料的粉末冶金
工艺流程示意图。
粉末冶金法五大优点
①热等静压或烧结温度低于金属熔点，减小界面反应对 复合材料性能的不利影响。
②可根据性能要求，使增强材料与基体金属粉末以任何 比例混合。
③可降低增强材料与基体互相湿润和密度差的要求，使 颗粒或晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中。
在复合材料中，作为承载主体的纤维，在高温下能 保持很高的强度和模量。当金属基体接近于熔点 温度时，由于纤维的作用，沿纤维方向的力学性 能主要由纤维控制，因此，还具有很高的强度和 刚度。例：
铝基体在300℃，强度为100MPa 石 墨 纤 维 增 强 铝 基 复 合 材 料 在 500℃ ， 强 度 为 600MPa
8
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。
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。
9
在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定 的高温强度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生 产。
置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝作为食物或燃料提供能量，
实现高速、高效的长时运转-中国科学院理化技术研究所、清华大学医学院 联合研究小组。
金属基体
金属基体具有很多优良性能：
•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，
增强相含量, vol % 50 50 35~40 35 50 50 18~20 20 35 45
抗拉强度， MPa
1200~1500 1300~1500 700~900 500~800
650 900 500~620 400~510 1500~1750 1300~1500
拉伸模量， GPa
200~220 210~230 95 ~ 110 100~150
总之，金属基复合材料具有高比强度、比模量、
良好的导热、导电性、耐磨性、高温性能、较低 的热膨胀系数、高的尺寸稳定性等优点，在航空、 航天、电子、汽车、轮船、先进武器具有广泛的 应用前景。
5.2 金属基复合材料的制造工艺
根据各种制备方法的基本特点，主要把金属基复合 材料的制备工艺分为三大类，即：
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、短纤维和晶须类一维增强体。 由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特 征。 用于金属基复合材料的增强纤维主要为无机纤维和 金属纤维。
基体分类
用于450℃以下的轻金 （1） 属基体—铝、镁合金
目前最广泛、最成熟的是 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。
纤维增强：比强度、比模量明显高于金属基体
颗粒增强：比强度无明显增加，但比模量明显提高
一般说来增强颗粒越小，则复合材料强度越高
金属基复合材料的力学性能一览表
复合材料
BF /Al CVD SiCF /Al Nicalon SiCF /Al CF /Al FP Al2O3 F/Al Sumica Al2O3F/Al SiCW/Al SiCP/Al CVD SiCF/Ti BF / Ti
整个工艺过程处于较低的温度，金属基体和增强 物都处于固态，界面反应不严重。
粉末冶金法（原则上可以用来制造各类增强体增 强的金属基复合材料，但主要用它制造非连续增 强复合材料，特别是晶须和颗粒复合材料及他们 的小尺寸的零件）：
粉末冶金工艺过程
原料粉末
混合
其它添加剂
热压 松装烧结粉浆烧注 烧结 烧结
压制 预烧结
⑤良好的耐磨性 当金属基中加入了大量的陶瓷增强物时，由于陶瓷材 料的硬度高、耐磨、化学性能稳定，不仅提高了材料 的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性， 如： SiCf/铝基复合材料的耐磨性比基体金属高出2倍以上。
SiCp/Al复合材料 汽车活塞杆（环）、 刹车盘
材料耐磨性比较
磨痕宽度， 稀土铝硅合
用于450～700℃的复 （2） 合材料的金属基体—钛
合金
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 于航空发动机等零件。
主要是镍基、铁基耐热
用于1000℃以上的高温复 合金和金属间化合物。较
（3）
合材料的金属基体—镍基、 铁基耐热合金和金属间化
成熟的是镍基、铁基高温 合金，金属间化合物基复
15
5.1 金属基复合材料的分类
根据其形态增强体分为连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒等。 增强体应具有高比强度、高模量、高温强度、高硬度、低热膨胀 等性能。
（1）连续纤维 碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维
（2）颗粒
陶瓷颗粒材料，主要有氧化铝、碳化硅、氮化硅、 碳化钛、硼 化钛、碳化硼及氧化钇等
7
—构件的使用性能要求是 选择金属基体材料最重 要的依据，也是其发展 的动力。
❖ 在航天、航空技术中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。
④采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一 般不会产生偏析、偏聚等缺陷。
⑤粉未冶金法制备的金属基复合材料可通过传统的金属 加工方法进行二次加工。可以得到所需形状的复合材 料构件的毛坯。
合物
合材料尚处于研究阶段。
金属基复合材料的性能特征
①比强度高，比刚度大
纤维增强金属基复合材料多数是Vf=30％～50％的高强 度和高模量的纤维增强金属。与金属相比，在纤维方 向是具有很高的比强度和比模量，特别是纤维增强镁、 铝等，具有很显著的效果。
②良好的导热导电性和电磁感应屏蔽性
由于金属基复合材料的基体为金属，而金属均有良好 的导热和导电性，因此金属基复合材料具有良好的导热 性，可以减小由于运行条件所引起的温度梯度。由于温 度分布比较均匀，因而可减少温度应力。
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。
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。
4
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；
②层状复合材料
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。由于 片层的间距是微观的，材料从其结构组元看，可以认 为是各向异性的和均匀的，是一种结构复合材料。 层状结构复合材料的强度由于薄片增强的强度不如纤 维增强相高而受到了限制，但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，这是其 一个明显的优势。
密度， g/cm3
2.6 2.85~3.0
2.6 2.4 3.3 2.9 2.8 2.8 3.9 3.7
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。 原因：金属基体属于典型韧性材料，受到冲击时 能通过塑性变形吸收能量，或使裂纹钝化、减小 应力集中而改善韧性。
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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。
近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。
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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。
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。
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。
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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。
等静压制轧制 挤 压
烧缩
浸适热处理 电镀 高温烧 复压 精 锻造 轧制 挤压 烧结
结
整
锻打 复烧（浸油）热处理
拉 丝
粉末冶金成 品
举例—热压法制造SiCf/Al
将SiC纤维与铝合金薄片按一定方式排列和堆叠，然后 在惰性气体保护下加热、加压使它们紧密地结合成为 一定形状的制品。 用这种方法制成的铝基纤维复合材料具有很高的质量。 美国Textron特殊材料公司用固态扩散法制成碳化硅 连续纤维/铝工字梁和板材，在战斗机尾翼上试用获 得成功。
mm
金66-12
最大
1.9475
最小
1.8476
平均
1.897
Al2O3 纤维铝
1.500 1.325 1.412
SiC颗粒- 高镍奥氏体铸
铝
铁
0.9425 1.1670
0.865
1.1275
0.9037 1.1412
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⑥良好的断裂韧性和抗疲劳性能 金属基复合材料的抗疲劳性能与纤维类型、金属 基体的性能、生产工艺和界面状况等密切相关。
图 SiC颗粒增强Al基 复合材料的粉末冶金
工艺流程示意图。
粉末冶金法五大优点
①热等静压或烧结温度低于金属熔点，减小界面反应对 复合材料性能的不利影响。
②可根据性能要求，使增强材料与基体金属粉末以任何 比例混合。
③可降低增强材料与基体互相湿润和密度差的要求，使 颗粒或晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中。
在复合材料中，作为承载主体的纤维，在高温下能 保持很高的强度和模量。当金属基体接近于熔点 温度时，由于纤维的作用，沿纤维方向的力学性 能主要由纤维控制，因此，还具有很高的强度和 刚度。例：
铝基体在300℃，强度为100MPa 石 墨 纤 维 增 强 铝 基 复 合 材 料 在 500℃ ， 强 度 为 600MPa
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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。
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。
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在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定 的高温强度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生 产。
置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝作为食物或燃料提供能量，
实现高速、高效的长时运转-中国科学院理化技术研究所、清华大学医学院 联合研究小组。
金属基体
金属基体具有很多优良性能：
•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，
增强相含量, vol % 50 50 35~40 35 50 50 18~20 20 35 45
抗拉强度， MPa
1200~1500 1300~1500 700~900 500~800
650 900 500~620 400~510 1500~1750 1300~1500
拉伸模量， GPa
200~220 210~230 95 ~ 110 100~150
总之，金属基复合材料具有高比强度、比模量、
良好的导热、导电性、耐磨性、高温性能、较低 的热膨胀系数、高的尺寸稳定性等优点，在航空、 航天、电子、汽车、轮船、先进武器具有广泛的 应用前景。
5.2 金属基复合材料的制造工艺
根据各种制备方法的基本特点，主要把金属基复合 材料的制备工艺分为三大类，即：
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、短纤维和晶须类一维增强体。 由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特 征。 用于金属基复合材料的增强纤维主要为无机纤维和 金属纤维。
基体分类
用于450℃以下的轻金 （1） 属基体—铝、镁合金
目前最广泛、最成熟的是 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。
纤维增强：比强度、比模量明显高于金属基体
颗粒增强：比强度无明显增加，但比模量明显提高
一般说来增强颗粒越小，则复合材料强度越高
金属基复合材料的力学性能一览表
复合材料
BF /Al CVD SiCF /Al Nicalon SiCF /Al CF /Al FP Al2O3 F/Al Sumica Al2O3F/Al SiCW/Al SiCP/Al CVD SiCF/Ti BF / Ti
整个工艺过程处于较低的温度，金属基体和增强 物都处于固态，界面反应不严重。
粉末冶金法（原则上可以用来制造各类增强体增 强的金属基复合材料，但主要用它制造非连续增 强复合材料，特别是晶须和颗粒复合材料及他们 的小尺寸的零件）：
粉末冶金工艺过程
原料粉末
混合
其它添加剂
热压 松装烧结粉浆烧注 烧结 烧结
压制 预烧结
⑤良好的耐磨性 当金属基中加入了大量的陶瓷增强物时，由于陶瓷材 料的硬度高、耐磨、化学性能稳定，不仅提高了材料 的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性， 如： SiCf/铝基复合材料的耐磨性比基体金属高出2倍以上。
SiCp/Al复合材料 汽车活塞杆（环）、 刹车盘
材料耐磨性比较
磨痕宽度， 稀土铝硅合
用于450～700℃的复 （2） 合材料的金属基体—钛
合金
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 于航空发动机等零件。
主要是镍基、铁基耐热
用于1000℃以上的高温复 合金和金属间化合物。较
（3）
合材料的金属基体—镍基、 铁基耐热合金和金属间化
成熟的是镍基、铁基高温 合金，金属间化合物基复
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5.1 金属基复合材料的分类
根据其形态增强体分为连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒等。 增强体应具有高比强度、高模量、高温强度、高硬度、低热膨胀 等性能。
（1）连续纤维 碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维
（2）颗粒
陶瓷颗粒材料，主要有氧化铝、碳化硅、氮化硅、 碳化钛、硼 化钛、碳化硼及氧化钇等
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—构件的使用性能要求是 选择金属基体材料最重 要的依据，也是其发展 的动力。
❖ 在航天、航空技术中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。
④采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一 般不会产生偏析、偏聚等缺陷。
⑤粉未冶金法制备的金属基复合材料可通过传统的金属 加工方法进行二次加工。可以得到所需形状的复合材 料构件的毛坯。
合物
合材料尚处于研究阶段。
金属基复合材料的性能特征
①比强度高，比刚度大
纤维增强金属基复合材料多数是Vf=30％～50％的高强 度和高模量的纤维增强金属。与金属相比，在纤维方 向是具有很高的比强度和比模量，特别是纤维增强镁、 铝等，具有很显著的效果。
②良好的导热导电性和电磁感应屏蔽性
由于金属基复合材料的基体为金属，而金属均有良好 的导热和导电性，因此金属基复合材料具有良好的导热 性，可以减小由于运行条件所引起的温度梯度。由于温 度分布比较均匀，因而可减少温度应力。
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。
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。
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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；
②层状复合材料
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。由于 片层的间距是微观的，材料从其结构组元看，可以认 为是各向异性的和均匀的，是一种结构复合材料。 层状结构复合材料的强度由于薄片增强的强度不如纤 维增强相高而受到了限制，但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，这是其 一个明显的优势。