金属基复合材料
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
现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。
传统的单一材料已经很难满足这种需要。
因此，人们将注意力转向复合材料，复合材料是指由两种或两种以上成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。
其以最大限度的发挥各种材料的特长，并赋予单一材料所不具备的优良性能，复合材料的性能还具有可设计性的重要特征。
作为复合材料重要分支的金属基复合材料（MMCs），发展于20世纪50年代末期或60年代初期。
现代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.金属基复合材料的分类金属基复合材料（Metal matrix Composite，简称MMCs）是以陶瓷（连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒）为增强材料，金属（如铝、镁、钛、镍、铁、桐等）为基体材料而制备的。
金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。
前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等)；后者需显微观察分辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。
根据用途分类：（1）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。
（2）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。
（3）智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。
根据复合材料基体可划分为铝基、镁基、钢基、钛基、高温合金基、金属间化合物基及耐热金属基复合材料等。
按按增强体分类划分为颗粒增强金属基复合材料、层状增强金属基复合材料和纤维增强金属基复合材料。
2.金属基复合材料的性能特点与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度，而与高分子基复合材料相比，它又具有优良的导电性而耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。
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。
31
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
20
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)
3．熔渗
将增强材料制成多孔预制体，置基体金属熔 体的上方或内部，利用毛细力的使熔体作用渗 入预制中。也可将预制体和基体金属坯料装入 一可通入流动氮气的加热炉中。通过加热，基 体金属熔化，自发渗透入网络状增强材料预制 体中
三、喷涂与喷射沉积
喷涂沉积主要应用于纤维增强金属基复合材 料的须制层的制备，也可以获得复合层状复合 材料的坯料。喷射沉积则主要用于制备颗粒增 强金属基复合材料。喷射与喷涂沉积工艺的最 大特点是增强材料与基体金属的润湿性要求低； 增强材料与熔融金属基体的接触时间短，界面 反应量少。喷涂沉积制备纤维增强金属基复合 材料时，纤维的分布均匀，获得的薄单层纤维 增强预制层可以很容易地通过扩散结合工艺形 成复合材料结构形状和板材。喷涂与喷射沉积 工艺，可以与各种陶瓷纤维或颗粒复合，即基 体金属的选择范围广。
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
常用钛合金的性能
第五章 金属基复合材料(MMC)
第一节 概 述
一、MMC的沿革与发展
二、MMC的分类
1、按增强材料形态分类 纤维增强金属基复合材料 颗粒和晶须增强金属基复合材料 2、按金属基体分类 铝基复合材料 钛基复合材料 镁基复合材料 高温合金复合材料 金属间化合物复合材料
第二节 金属基体
热压
在真空或保护气氛下直接放入热压模 或平板进行热压合热压工艺参数主要为： 热压温度、压力和时间
扩散结合的优缺点：
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。
金属基复合材料
金属基复合材料的制备
（一）粉末冶金复合法 粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法等适合于分散强化型复合 材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。 粉末冶金复合法的工艺主要优点是：基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选 择强化颗粒的种类、尺寸，还可多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现颗粒均匀化。 缺点是：工艺复杂，成本高；制品形状、尺寸受限制；微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料 等。
（二）铸造凝固成型法 铸造凝固成型法是在基体金属处于熔融状态下进行复合。主要方法有搅拌铸造法、液相渗和法和共喷射 沉积法等。铸造凝固成型铸造复合材料具有工艺简单化、制品质量好等特点，工业应用较广泛。
1、原生铸造复合法 原生铸造复合法（也称液相接触反应合成技术Liquid Contact Reaction：LCR）是将生产强化颗粒的原料 加到熔融基体金属中，利用高温下的化学反应强化相，然后通过浇铸成形。这种工艺的特点是颗粒与基体材料之间的结合状态良 好，颗粒细小（0.25～1.5μm），均匀弥散，含量可高达40%，故能获得高性能复合材料。常用的元素粉末有钛、碳、硼等，化 合物粉末有Al2O3、TiO2、B2O3等。该方法可用于制备A1基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基复合材料，强化相可以是硼化 物、碳化物、氮化物等。 2、搅拌铸造法 搅拌铸造法也称掺和铸造法等，是在熔化金属中加入陶瓷颗粒，经均匀搅拌后浇入铸模中获得制品或二次加工 坯料，此法易于实现能大批量生成，成本较低。该方法在铝基复合材料的制备方面应用较广，但其主要缺点是基体金属与强化颗 粒的组合受限制。原因有两方面：①强化颗粒与熔体基本金属之间容易产生化学反应；②强化颗粒不易均匀分散在铝合金一类的 合金熔体中，这是由于陶瓷颗粒与铝合金的润滑性较差，另一个问题是陶瓷颗粒容易与溶质原子一起在枝晶间产生偏析。 3、半固态复合铸造法 半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。通常金属凝固时，初生晶以枝晶方式长大，固相率达 0.2%左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌则使树枝晶网 络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中，这种颗粒状非枝晶的微组织在固相率达 0.5%～0.6%仍具有一 定的流变性。液固相共存的半固态合金因具有流变性，可以进行流变铸造；半固态浆液同时具有触变性，可将流变铸锭重新加热 到固、液相变点软化，由于压铸时浇口处及型壁的剪切作用，可恢复流变性而充满铸型。强化颗粒或短纤维强化材料加入到受强 烈搅拌的半固态合金中，由于半固态浆液球状碎晶粒对添加颗粒的分散和捕捉作用，既防止颗粒的凝聚和偏析，又使颗粒在浆液 中均匀分布，改善了润湿性并促进界面的结合。 4、含浸凝固法（MI技术） 含浸凝固法是一种将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体含浸于熔融基体金属之中，让基体 金属浸透预成型体后，使其凝固以制备复合材料的方法。有加压含浸和非加压含浸两种方法。含浸法适合于强化相与熔融基体金 属之间润湿性很差的复合材料的制备。强化相含量可高达30%～80%；强化相与熔融金属之间的反应得到抑止，不易产生偏折。 但用颗粒作强化相时，预成形体的制备较困难，通常采用晶须、短纤维制备预成形体。熔体金属不易浸透至预成形体的内部，大 尺寸复合材料的制备较困难。
金属基复合材料
金属基复合材料颗粒增强前言金属基复合材料(MMC)是多功能复合材料的一种。
它是一类以金属或合金为基体,以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒状组分为增强相的非均质混合物,其共同点是具有连续的金属基体[1]。
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.目MMCs按基体不同可分为黑色金属基(如钢、铁)和有色金属基(如铝、镁、钛、镍等)两大类.按照增强相的形态不同又可分为分散强化型、颗粒增强型和纤维增强型三大类.分散强化型MMCs强化相的平均尺寸小于0.1μm,强化相的容积比Vf只有千分之几,通过强化相阻止基体中位错运动而强化基体.颗粒增强型MMCs颗粒平均尺寸在1μm以上,Vf最大可达90%,靠颗粒自身强度强化,基体作用是把颗粒组合在一起.纤维增强型MMCs是利用纤维(或金属细线)的极高强度来增强金属,纤维可以是长纤维,也可以是短纤维或者是晶须,纤维直径从3μm到150μm(晶须直径小于1μm),长度与直径比在100以上.目前,MMCs中的增强相已有多种,重要的有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、SiC纤维、SiC晶须;颗粒型的有SiC、碳化硼、图化钛等;丝状的有钨、铍、硼、钢等.[2]前在MMCs中仍以SiC和Al2O3颗粒增强铝为主,其次为短纤维增强和连续纤维增强的MMCs。
颗粒增强型MMCs以其高耐磨、高强度、低成本等优点受到广泛关注。
目前已具备批量生产条件,具有良好的发展及应用前景[3]。
1 金属基复合材料的沿革与发展现代金属基复合材料是从20 世纪60 年代初发展起来的。
60 年代初分别以美苏为首的两大阵营在宇宙空间开展的竞争推动了航空航天技术的发展，促进了定向凝固复合材料、难熔金属丝增强高温合金材料的研究与开发。
由于硼纤维的研制成功，并应用于环氧树脂基复合材料，因此出现了硼纤维增强铝基复合材料，并得到成功的应用。
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
金属基复合材料简介及研究现状
3D打印技术
02
利用3D打印技术，实现金属基复合材料的定制化、高效制造
。
多尺度复合技术
03
发展多尺度复合技术，实现金属基复合材料的多层次结构设计
。
05
结论与展望
研究成果总结
金属基复合材料的制备技术得到改进，包括粉末冶金法、喷射沉积法、机械合金 化法等复合材料的应用领域不断扩大，涉及到能源、环保、医疗、航空航天等领 域，且在各个领域中都有显著的应用成果。
02
金属基复合材料的性能与 特点
力学性能
01
02
03
强度与硬度
金属基复合材料具有较高 的强度和硬度，能够承受 较大的应力和压力。
韧性
金属基复合材料的韧性比 金属单质更强，能够吸收 更多的能量，抵抗冲击和 振动。
疲劳性能
金属基复合材料的疲劳性 能较好，能够在反复应力 作用下保持稳定的性能。
物理性能
由于金属基复合材料具有高强度、高刚性和 轻质等优点，因此在航空航天领域得到广泛 应用，如飞机结构件、卫星部件等。
金属基复合材料在汽车工业中也有广泛应用 ，如汽车发动机部件、变速器齿轮等。
能源领域
生物医学领域
金属基复合材料在能源领域也有广泛应用， 如太阳能电池板支架、核反应堆结构件等。
金属基复合材料在生物医学领域也有广泛应 用，如人工关节、牙科种植体等。
扩散法
将增强体和金属基体在高温下进行扩散处理，使两者相互 渗透、结合，形成复合材料。该方法适用于制备连续或非 连续增强金属基复合材料。
喷射沉积法
将增强体和金属熔体通过喷射、雾化等方法制备成复合材 料。该方法适用于制备连续或非连续增强金属基复合材料 。
金属基复合材料的应用领域
金属基复合材料
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。
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）
47
（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
48
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
49
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
⾦属基复合材料以⾦属或合⾦为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。
按所⽤的基体⾦属的不同，使⽤温度范围为350～120℃。
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，同时还具有导热、导电、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。
例如碳纤维增强铝复合材料其⽐强度3～4×107mm，⽐模量为6～8×109mm，⼜如⽯墨纤维增强镁不仅⽐模量可达1.5×1010mm，⽽且其热膨胀系数⼏乎接近零。
⾦属基复合材料按增强体的类别来分类，如纤维增强(包括连续和短切)、晶须增强和颗粒增强等，按⾦属或合⾦基体的不同，⾦属基复合材料可分为铝基、镁基、铜基、钛基、⾼温合⾦基、⾦属间化合物基以及难熔⾦属基复合材料等。
由于这类复合材料加⼯温度⾼、⼯艺复杂、界⾯反应控制困难、成本相对⾼，应⽤的成熟程度远不如树脂基复合材料，应⽤范围较⼩。
树脂基复合材料通常只能在350℃以下的不同温度范围内使⽤。
近些年来正在迅速开发研究适⽤于350℃～1200℃使⽤的各种⾦属基复合材料。
⾦属基复合材料是以⾦属或合⾦为基体与各种增强材料复合⽽制得的复合材料。
增强材料可为纤维状、颗粒状和晶须状的碳化硅、硼、氧化铝及碳纤维。
⾦属基体除⾦属铝、镁外，还发展有⾊⾦属钛、铜、锌、铅、铍超合⾦和⾦属间化合物，及⿊⾊⾦属作为⾦属基体。
⾦属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有⾼强度、⾼模量外，它能耐⾼温，同时不燃、不吸潮、导热导电性好、抗辐射。
是令⼈注⽬的航空航天⽤⾼温材料，可⽤作飞机涡轮发动机和⽕箭发动机热区和超⾳速飞机的表⾯材料。
⽬前不断发展和完善的⾦属基复合材料以碳化硅颗粒铝合⾦发展最快。
这种⾦属基复合材料的⽐重只有钢的1/3，为钛合⾦的2/3，与铝合⾦相近。
它的强度⽐中碳钢好，与钛合⾦相近⽽⼜⽐铝合⾦略⾼。
其耐磨性也⽐钛合⾦、铝合⾦好。
⽬前已⼩批量应⽤于汽车⼯业和机械⼯业。
金属基复合材料
2）界面的形成及机制，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： 在选择制备方法时，应选择那些使得增强剂更均匀、均质排 布（分布）的方法。在这方面，液态法与固态法相比较差。 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。
图9-11 粉末（冶金）法制备金属 基复合材料示意图
3 - 6 固态法制备工艺方法及参数的选择和优化固态法工艺的 主要参数：
1) 温度、时间: D = D0 exp （- Q / RT） D：扩散系数；Q： 扩散激活能。
X = k t 1/2 X：反应层厚度； k：反应速度常数。 2) 压力：促进结合 面的接触及在一定 温度下的金属基体 的塑性流动。 3) 结合面的清洁度：
合材料时，主要是基体
与基体之间的扩散结合，
有利于材料界面的改善；
同时通过控制基体沉积
层的厚度可控制纤维的 体积比。
图 9-4 PVD法纤维表面金属基体沉积层
2 - 4 粉末法纤维/基体复合丝
首先将金属基体粉末与聚合物 粘接剂混合制成基体粉末/聚合 物粘接剂胶体，然后将纤维通 过带有一定孔径毛细管的胶槽， 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。
业化生产。铝基复合材料单坯可达250公斤。
4 - 4 无压浸渗法（Lanxide法）
金属基复合材料
金属基复合材料
金属基复合材料是一种由金属基体和其他非金属材料（如陶瓷、碳纤维等）组
成的复合材料。
它具有金属的高强度、刚性和导热性，同时又具有非金属材料的轻量化和耐腐蚀性能。
金属基复合材料在航空航天、汽车制造、电子设备等领域有着广泛的应用。
首先，金属基复合材料的制备方法有多种，其中包括粉末冶金法、热压法、热
处理法等。
粉末冶金法是将金属粉末与非金属粉末混合后，通过压制和烧结得到复合材料。
热压法是将金属基体和非金属材料层叠在一起，然后通过高温和高压进行热压，使两者紧密结合。
热处理法则是将金属基体与非金属材料进行热处理，使其在高温下发生化学反应，形成复合材料。
其次，金属基复合材料具有优异的性能。
首先，它具有高强度和高刚性，能够
承受较大的载荷，因此在航空航天领域得到广泛应用。
其次，金属基复合材料具有良好的导热性和导电性，能够有效地传递热量和电流，因此在电子设备中有着重要的作用。
此外，金属基复合材料还具有耐磨损、耐腐蚀等特性，能够在恶劣环境下长期稳定运行。
最后，金属基复合材料的发展前景广阔。
随着科技的不断进步，金属基复合材
料的制备工艺和性能将不断得到提升，其应用领域也将不断扩大。
未来，金属基复合材料有望在汽车制造、建筑领域等方面发挥更加重要的作用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
综上所述，金属基复合材料具有制备方法多样、优异的性能和广阔的发展前景。
它在现代工业中有着重要的地位，为各个领域的发展提供了重要支撑。
相信随着科技的不断进步，金属基复合材料将会迎来更加美好的未来。
金属基复合材料(MMC)
图 9-4 PVD法纤维表面金属基体沉积层
2 - 4 粉末法纤维/基体复合丝
图9-5 粉末法纤维/基体复合丝示意图
2 - 6 熔池法纤维 / 基体复合丝
图 9-6 熔池法纤维 / 基体复合丝示意图
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。 如图9-6所示，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。
图 9-9 模压成型制备金属基复合材料示意图 模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维/基体预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各种型材（图9-9）。
3-4 超塑性成型/ 扩散结合 （SPF / DB）
超塑性：材料在低负载作用下，拉伸变形时不发生缩颈，也不发生断裂，延伸率可达 100% 到 2000% 的现象。塑性流变和应变速度的关系如下： = K (e ) m 式中 ：流变应力；e：应变速度；K：常数；m：应变速度敏感指数，衡量超塑性的重要参数。 影响超塑性的因素： 1) 形变速度：10 -4 ~10 -1 /分 2) 温度：> 0. 5T m ，达到相变临界点以下的某一温度可得到最大的m值和延伸率。 3) 晶粒度： 稳定、等轴、复相直径为0.5 5 m的细晶粒。
金属基复合材料名词解释
金属基复合材料名词解释
嘿，你知道啥是金属基复合材料不？这可不是什么普通玩意儿啊！咱就说金属，那可是老重要了，像钢铁啦，铝合金啦，那都是在生活中到处都能看到的。
那金属基复合材料呢，就是把这些金属和其他的材料奇妙地组合在一起！比如说，把陶瓷颗粒加进去，哇塞，就好像给金属注入了一股强大的力量。
就好比啊，金属是个强壮的大力士，陶瓷颗粒就是给他配备的秘密武器，让他变得更厉害、更强大！你想想看，一辆汽车，要是用了金属基复合材料，那得多结实，多耐用啊！又或者飞机上的一些部件，用上这种材料，那安全性不就蹭蹭往上涨嘛！
再来说说这金属基复合材料的优点，那可真是多得让你惊叹！它强度高啊，比单纯的金属可强多了，这就像一个普通人经过特训后变成了超级英雄！而且它还耐磨、耐高温，这不就是传说中的“金刚不坏之身”嘛！你说牛不牛？
那它是怎么被制造出来的呢？这可不是随便就能搞定的事儿哦！需要经过一系列复杂的工艺，就像雕琢一件珍贵的艺术品一样。
科研人员们可是花费了大量的心血在这上面呢。
还有啊，它的应用范围那叫一个广！从航空航天到汽车制造，从电子设备到医疗器械，到处都有它的身影。
这就好像一个全能选手，哪里需要它，它就出现在哪里！你说神奇不神奇？
我觉得金属基复合材料就是材料界的一颗璀璨明星，它的出现给我们的生活带来了巨大的改变和进步，难道不是吗？。
第五章 金属基复合材料(MMC)
MMC制备工艺（续）
MMC制备工艺（续）
• 压铸工艺中，影响复合材料的工艺因素
• 主要有熔融金属的温度、模具预热温度、使用的最大 压力、加压速度等。
• 在采用预制增强材料块时，为了获得无空隙的复合材 料，一般压力不低于50MPa，加压速度以使顶制件不 变形为宜，一般为1-3cm／min。
• 对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为700-800 ℃，预制件模具预热温度一般可控制在500-800℃， 并可相互补偿。
• 对增强材料与其体互相湿润的要求不高，而且对增强材料与基体 粉末的密度差没有要求，能够使颗粒或晶须均匀分布在金属基复 合材料的基体中。
• 采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀。一般不会产生 偏折、偏聚等缺陷，可使空隙等其它内部缺陷得到明显改善，从 而提高复合材料的性能。
• 粉末冶金制备的金属基复合材料可以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部件的毛坯。
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。
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。
金属基复合材料
金属基复合材料
金属基复合材料（Metal Matrix Composites，MMC）是指用金
属作为基体，加入一定比例的增强材料，经过加工制备成具有优异性能和特点的复合材料。
金属基复合材料能够综合了金属的导热性、导电性和良好的可塑性，以及增强材料的高强度、高硬度和高耐磨性。
这使得金属基复合材料在许多领域具有广泛的应用。
金属基复合材料可以通过不同的方法制备，其中最常见的方法是粉末冶金法。
在这种方法中，将金属基体和增强材料的粉末按照一定比例混合，并通过热等静压、热变形等工艺进行成型。
然后经过热处理和后续的加工工艺，得到具有一定结构和性能的金属基复合材料。
金属基复合材料具有许多优点。
首先，金属基复合材料具有较高的强度和硬度，使其能够承受更大的力和压力。
其次，金属基复合材料具有优异的耐腐蚀性能，使其在恶劣环境下能够长期稳定运行。
此外，金属基复合材料还具有良好的抗疲劳性能和热膨胀性能，可以适应不同的工作条件和温度变化。
金属基复合材料在汽车、航空航天、电子、建筑以及军工等领域得到广泛应用。
在汽车领域，金属基复合材料可以用于制造发动机零部件、车身结构件和刹车系统等。
在航空航天领域，金属基复合材料可以用于制造发动机叶片、航空航天结构件和燃气轮机等。
在电子领域，金属基复合材料可以用于制造散热器、连接器和电子封装材料等。
在建筑领域，金属基复合材料
可以用于制造抗疲劳、抗震和耐久的结构材料。
总之，金属基复合材料是一种具有优异性能和特点的复合材料，广泛应用于各个领域。
随着科学技术的不断发展，相信金属基复合材料将会有更加广泛的应用前景。
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14.3.2金属-非金属复合材料
14.3.2.1金属基复合材料的性能特征
金属基复合材料与一般金属相比，具有耐高温、高比强度、高的比弹性模量、小的热膨胀系数和良好的抗磨损性能。
与聚合物基复合材料相比，不仅剪切强度高、对缺口不敏感，而且物理和化学性能更稳定，如不吸湿、不放气、不老化、抗原子氧侵蚀、抗核、抗电磁脉冲、抗阻尼，膨胀系数低、导电和导热性好。
由于上述特点，使金属基复合材料更适合空间环境使用，是理想的航天器材料，在航空器上也有潜在的应用前景。
14.3.2.2金属基复合材料的研究与应用
表14.101 和表14.102简要概述了各类金属基复合材料在航空航天领域的应用概况。
金属基复合材料(MMC)的研究始于20世纪60年代，美国和俄罗斯在航空航天用金属基复合材料的研究应用方面处于领先的地位。
20世纪70年代，美国把B/Al复合材料应用到航天飞机轨道上，该轨道器的主骨架是采用89种243根重150g的B/Al管材制成，比原设计的铝合金主骨架减重145g。
美国还用B/Al复合材料制造了J-79和F-100发动机的风扇和压气机叶片，制造了F-106、F-111飞机和卫星构件，并通过了实验，其减重效果达20%～66%。
苏联的B/AL复合材料与80年代达到实用阶段，研制了多种带有接头的管材和其他型材，并成功地制造出能安装三颗卫星的支架。
由于B纤维的成本高，因此自70年代中期美国和苏联又先后开展C/AL复合材料的研究，在解决了碳纤维与铝之间不湿润的问题以后，C/AL复合材料得到应用。
美国用C/AL制造的卫星用波导管具有良好的刚性和极低的热膨胀系数，比C/环氧复合材料轻30%.。
随着SiC纤维和Al2O3纤维的出现，连续纤维增强的金属基复合材料得到进一步发展，其中研究和应用较多的是SiC/AL 复合材料。
连续纤维增强金属基复合材料的制造工艺复杂、成本高，因此美国又率先研究发展晶须增强的金属基复合材料，主要用于对刚度和精度要求较高的航天构件上。
美国海军武器中心研制的SiC p/Al复合材料导弹翼面已经进行了发射试验，卫星的抛物面天线、太空望远镜的光学系统支架也采用了SiC p/Al复合材料，其刚度比铝大70%，显著提高了构件的精度。
MMC对航天器的轻质化、小型化和高性能化正在发挥越来越重要的作用。
MMC在航空器上的应用也有很大潜力，英国研制了SCS-6/Ti的发动机叶片，大幅度提高了其承载能力和刚度，优化了气动载荷下的翼型。
用SCS-6/Ti代替耐热钢制造的RB211发动机的压气机静子，可使该构件减重40%；采用SCS-6/Ti代替镍基高温合金制作压气机叶环结构转子，可是该部件减重80%；SiC f/Ti 也可望代替不锈钢在F-22试验型飞机制作活塞杆。
表14.101 B/Al复合材料的应用
表14.102 其他MMC的应用背景
14.3.2.3 铝基复合材料的性能
(1)外加晶须或颗粒复合材料
表14.103和表14.104给出了常用铝基复合材料的性能。
表14.103 连续纤维增强铝基复合材料的性能
表14.104 晶须或颗粒增强AL基复合材料的体系和性能
(2)原位内生颗粒增强铝基复合材料
原位内生颗粒增强铝基复合材料及其性能见表14.105。
表14.105 原位内生颗粒增强铝基复合材料及其性能
14.3.2.4 钛基复合材料
与钛合金相比，钛基复合材料具有高比强度和热稳定性、高的弹性模量、高的抗蠕变性能、高的耐热温度和良好的耐磨性能。
(1)连续纤维增强的钛基复合材料
连续纤维增强的钛基复合材料及其力学性能见表14.106和表14.107。
表14.106 SCS-6纤维增强的钛基复合材料及其在不同温度的纵向拉伸力学性能
表14.107 SCS-6纤维增强钛基复合材料在538℃和650℃时的蠕变性能
(2)颗粒增强钛基复合材料
美国的Cerme Ti系列复合材料采用CHIP工艺（冷等静压+烧结+热等静压）制造，为含有不同含量的TiC、TiB2颗粒增强的Ti-6Al-4V复合材料。
10%(重量)TiC/Ti-6Al-4V复合材料的断裂强度和弹性模量从室温到650℃比Ti-6Al-4V合金都提高了15%，TiC颗粒为20t%(重量)时复合材料的弹性模量可以再提高10%。
15t%(重量)TiC/Ti-6Al-4V复合材料在538℃的蠕变速率比Ti-6Al-4V降低了约一个数量级，而持久寿命则增加了一个数量级。
Cerme Ti复合材料具有高的硬度、较好的耐磨性、较好的抗疲劳性能、较高的使用温度，但是其室温塑性和断裂韧性偏低。
其他颗粒增强钛基复合材料的拉伸性能见表14.108。
表14.108 颗粒增强钛基复合材料的拉伸性能
注：①基体成分：Ti-11.5Al-1.3Sn-1.6Zr-0.7Hf-0.5Nb-0.15Ru-0.25Si-0.22Ge，
②RS:快速凝固技术。
14.3.2.5 镁基复合材料
镁基复合材料的主要体系与性能见表14.109。
Mg-Li合金基体复合材料及其性能见表14.110。
表14.109 镁基复合材料的主要体系与性能
表14.110 Mg-Li合金基体复合材料及其性能
14.3.2.6 铜基复合材料
铜基复合材料开发、研制和应用较少，常见的复合材料为SiCp/Cu，近年来又出现了采用Al2O3纤维作增强体的铜基复合材料。
SiC p/Cu复合材料的性能见表14.111。
表14.111 SiC/Cu复合材料的性能
14.3.2.7钢结合金
钢结合金是以钢为粘结金属，以难熔金属化合物作为硬质相的结合材料，其组织特点是微细硬质颗粒均匀分散于钢基体中，它兼有硬质化物的硬度和耐磨性以及钢的强度和韧性。
(1)钢基体
作为钢结合金粘结相的钢种包括各种成分的碳素钢、合金钢、工具钢、高速钢、各种类型的耐热钢、不锈钢等，由于合金用途不同而不同。
前苏联的TiC基钢结合金的钢粘结剂用钢号及主要成分见表14.112。
国内也有人提出TiC基钢结合金的钢粘结剂的成分，见表14.113。
表14.112 前苏联的TiC基钢结合金的钢粘结剂用钢号及主要成分
表14.113 国内提出的TiC基钢结合金粘结剂的成分
(2)钢结合金的种类
钢结合金主要有TiC基钢结合金和WC基钢结合金两类，近年来又出现了几种新的钢结合金。
1) TiC和WC基钢结合金
TiC和WC都具有高的硬度和高的熔点，其具体性能见表14.114。
表14.114 TiC和WC的性能
2) TiCN基钢结合金
TiCN与TiC相比，虽然硬度较低，但耐磨性十分优异。
日本已经开发了这种钢结硬质合金，这种新型合金具有均匀的显微组织，无偏析，合金化程度高。
3) TiN基钢结合金
TiN与铁素体间的摩擦作用小，其抗粘着能力比TiC更好。
瑞典基于TiN开发出了一种新型钢结合金coronite，其组织是极细小（约0.1μm）的TiN颗粒均匀分布在科热处理的钢基体中。
4) TiB2/Fe-Mo复合材料
TiB2具有某些独特的物理化学性能，如极高的高温硬度、很低的密度和电阻率、良好的热传导率、很低的与金属粘着性和摩擦系数、很高的抗氧化性等。
粘结剂选用Fe-36Mo最为合适。
5)其他硬质相基钢结合金
一些人还利用VC、Cr3C2、SiC及其混合物等作为硬质相制作钢结合金。
(3)性能
不同工艺制备的GT35钢结合金的性能见表14.115。
表14.115 不同工艺制备的GT35钢结合金的性能。