复合材料-金属基复合材料 ppt课件

(b)损伤后纤维形貌
碳纤维与铝基体发生严重反应后纤维的损伤
Cf/Al复合材料中Cf与Al基体发生界面反应，生成Al4C3。
Cf/Al的界面反应及反应产物Al4C3
❖ 准I类界面
出现准Ⅰ类界面有两种情况：
◆ 属Ⅰ类界面中的增强材料与基体， 从热力学分析会可能发生界面反应， 但当采用固态法制备时，形成Ⅰ类界 面；而当采用液态法制备时就可能形 成第Ⅲ类界面；
Cf/Ni复合材料界面
❖ 第III类界面
基体与增强材料的界面发生界面反应，界面存在有微米 和亚微米级的界面反应产物。最典型是Bf/Ti，Cf/Al复合材 料。在高温下 Bf/Ti在界面形成TiB2界面反应物层。
Bf/Ti-6Al-4V中TiB2反应层 （850℃，100h）
❖ 第III类界面
(a)原始纤维形貌
批量生产。
铝合金 + 陶瓷颗粒、短纤维、 如碳化硅
大众汽车公司Lupo汽车 后制动鼓
20 vol.% SiC/A359铝合金
1、金属基复合材料的使用要求
■汽车结构件
轻量化与油耗、性能的关系(逸动实际试验结果) ： 1.实际油耗：减重100kg，油耗降低约0.4L/100km； 2.加速性能：减重100kg，0-100km/h加速性提升8-10%； 3.制动性能：减重100kg，制动距离缩短2～7m。
金属复合材料界面反应分为： ❖ 连续界面反应； ❖ 交换式界面反应； ❖ 暂稳态界面变化。
❖ 连续界面反应
MMC在制备过程中，或在热处理过程，也可在高温使 用过程，增强材料与基体的界面反应连续进行。连续界面 反应可以发生在基体或增强材料一侧，也可以在基体和增 强材料界面上同时进行。
影响MMC连续界面反应的因素主要有温度、时间。反 应的量会随温度的变化和时间的长短发生变化。这类界面 反应的典型如Cf/Ni、Bf/Ti、Cf/Al以及SiCf/Ti等。
1、金属基复合材料的使用要求 2、金属基复合材料的界面 3、金属基复合材料的制备
1、金属基复合材料的使用要求
航天、航空领域的结构件
高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重要的性能要求。
密度小的轻金 属合金—镁合 金和铝合金作 为基体
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
例1：Bf/Ti-6Al-4V连续界面反应
Bf/Ti-6Al-4V的连续界面反应，一般是发生在Bf一侧。 Bf表面B原子通过界面层向Ti基体扩散（在Bf内部留下空 洞），并与Ti反应生成TiB2界面反应产物。在一定温度和 时间条件下，界面反应是连续进行的。
百度文库Bf/Ti-6Al-4V，经850℃100h后界面反应
钛合金、镍
合金以及金
﹢
碳化硅、钨丝
属间化合物
1、金属基复合材料的使用要求
镍基变形高温合金广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业 燃气轮机的热端部件，如工作叶片，导向叶片、涡轮盘和燃烧 室等。
燃气轮机涡轮零件
高温合金 汽车增压器喷嘴环叶片
1、金属基复合材料的使用要求
汽车发动机、刹车片：
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
1、金属基复合材料的使用要求
1、金属基复合材料的使用要求
航天飞机主货舱 支柱
50 vol.% 硼纤维/6061
哈勃太空望远镜 天线波导桅杆
P100碳纤维/6061铝合金
1、金属基复合材料的使用要求
航天、航空领域的发动机构件
要求复合材料不仅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。
■■降降低低整整车车油油耗耗的的标标准准途途径径
提高性能10% 发动机效率 汽车重量 滚动阻力 动力传动效率
对整车油耗的影响 10% 5% 2-3% 1-2%
奥迪A6七代车型重量的变化历程
1790Kg 1545Kg
1990Kg
2050Kg
1160Kg
1230Kg
1980Kg
2012
因对汽车安全性、功能性要求的增加，整车重量逐渐增加。但进 入21世纪后，越来越严格的环保和排放法规要求，目前整车重量 呈明显现下降的趋势。
主要考察：
❖ 界面类型与界面结合 ❖ 界面稳定性 ❖ 界面浸润 ❖ 界面反应控制
①界面类型
❖ 第Ⅰ类界面
基体与增强材料界面 既不相互反应，也不互溶。 微观上界面是平整或光滑， 而且只有分子层厚度。界 面两侧分别为基体和增强 材料，不含其它物质。
如SiCw/Al的界面。
❖ 第II类界面
增强材料和基体之 间相互扩散－渗透， 相互溶解而形成的 界面。这类界面往 往在增强材料（如 纤维）周围，形成 环状，界面呈犬牙 交错的溶解扩散层。
1、金属基复合材料的使用要求
❖ 电子工业：集成电路基板和元件需要高导热、低 膨胀、具有一定耐热性的金属基复合材料。
基体：高导热率的银、铜、铝等金属为基体 增强体：高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维
2、金属基复合材料的界面
金属基复合材料中金属基体和增强体之间的界面对复合材 料的性能起着决定性的作用。
◆ 增强材料的表面未处理，存在有 吸附的氧，在制备时也会与基体产生 界面反应。
如SiCf/Al，Bf/Al属于此类。 为此把这类界面称之为准Ⅰ类界面。
②界面的稳定性
长时间在使用高温度下使用 影响界面稳定性的因素主要有物理因素和化学因素，即： ❖ 界面溶解与析出 ❖ 界面反应
界面溶解与析出
界面溶解与析出是影响MMC第Ⅱ类界面稳定性的主要 物理因素。典型例子是Cf/Ni和Wf/Ni复合材料。
例2：Cf/Al连续界面反应
Cf/Al的连续界面反应，根据微观观察界面反应产物出 现的位置，以及Cf表面变化情况，说明界面反应是发生在 Al基体一侧。而且与温度有明显的关系。
界面产生互溶后，受温度和时间的影响，界面会出现 不稳定。
例如：Wf/Ni中，采用扩散结合制备时，界面互溶并不严 重，但随着使用温度的提高和使用时间的增长，如在 1100℃下经过50h，Wf的直径仅为原来50％，这样就严重 影响了Wf/Ni复合材料的使用性能和可靠性。
界面反应
界面反应是影响具有第Ⅲ类界面的复合材料界面稳 定性的化学因素。增强材料与基体发生界面反应时，当 形成大量脆性化合物，削弱界面的作用，界面在应力作 用下发生，引起增强材料的断裂，从而影响复合材料性 能的稳定性。界面反应的发生与增强材料和基体的性质 有关，与反应的温度、时间有关。