第4章 金属基复合材料的制造技术
复合材料-复习材料及答案
复合材料-复习材料及答案复合材料第⼀章1、材料科技⼯作者的⼯作主要体现在哪些⽅⾯？（简答题）①发现新的物质，测试新物质的结构和性能；②由已知的物质，通过新的制备⼯艺，改善其微观结构，改善材料的性能；③由已知的物质进⾏复合，制备出具有优良特性的复合材料。
2、复合材料的定义（名词解释）复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合⽽成的⼀种多相固体材料。
3、复合材料的分类（填空题）⑴按基体材料分类①聚合物基复合材料；②⾦属基复合材料；③⽆机⾮⾦属基复合材料。
⑵按不同增强材料形式分类①纤维增强复合材料：②颗粒增强复合材料；③⽚材增强复合材料；④叠层复合材料。
4、复合材料的结构设计层次（简答题）⑴⼀次结构：是指由基体和增强材料复合⽽成的单层复合材料，其⼒学性能取决于组分材料的⼒学性能，各相材料的形态、分布和含量及界⾯的性能；⑵⼆次结构：是指由单层材料层合⽽成的层合体，其⼒学性能取决于单层材料的⼒学性能和铺层⼏何（各单层的厚度、铺设⽅向、铺层序列）；⑶三次结构：是指⼯程结构或产品结构，其⼒学性能取决于层合体的⼒学性能和结构⼏何。
5、复合材料设计分为三个层次：（填空题）①单层材料设计；②铺层设计；③结构设计。
第⼆章1、复合材料界⾯对其性能起很⼤影响，界⾯的机能可归纳为哪⼏种效应？（简答题）①传递效应：基体可通过界⾯将外⼒传递给增强物，起到基体与增强体之间的桥梁作⽤。
②阻断效应：适当的界⾯有阻⽌裂纹的扩展、中断材料破坏、减缓应⼒集中的作⽤。
③不连续效应：在界⾯上产⽣物理性能的不连续性和界⾯摩擦出现的现象。
④散热和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界⾯产⽣散射和吸收。
⑤诱导效应：复合材料中的⼀种组元的表⾯结构使另⼀种与之接触的物质的结构由于诱导作⽤⽽发⽣变化。
2、对于聚合物基复合材料，其界⾯的形成是在材料的成型过程中，可分为两个阶段（填空题）①基体与增强体的接触与浸润；②聚合物的固化。
3、界⾯作⽤机理界⾯作⽤机理是指界⾯发挥作⽤的微观机理。
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。
第四章第二节金属基复合材料(MMC)制备工艺
8.3.3液态法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺） （1）压铸法
在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度充填 压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固 成型。
（2）半固态复合铸造 将颗粒加入半固态的金属熔体中，通过搅拌使颗粒在基
体中分布均匀，并取得良好的界面结合，然后将半固态复合 材料注入模具进行压铸成型。
1.3.4 原位（In situ）生长（复合）法 增强相从基体中直接生成，生成相的热力学稳定
性好，不存在基体与增强相之间的认识润湿和界面反 应等问题，基体与增强相结合良好，较好的解决了界 面相容性问题。
（1）共晶合金定向凝固 ：共晶合金定向凝固要求合 金成分为共晶或接近共晶成分，开始为二元合金，后 发展为三元单变共晶，以及有包晶或偏晶反应的两相 结合。定向凝固时，参与共晶反应的 和 相同时从 液相中生成，其中一相以棒状（纤维状）或层片状规 则排列生成（上图）。
金属基复合材料的界面优化以及界面设计一般有以下 几种途径：
2.4.2.1增强剂的表面改性处理 增强材料的表面改性（涂层）处理可起到以下作用：
（1）改善增强剂的力学性能，保护增强剂的外来物理 和化学损伤（保护层）；
（2）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿层）； （3）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应(阻挡层) （4）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数等的
2.4.2.2金属基体改性（添加微量合金元素） 在金属基体中添加某些微量合金元素以改善增
与基体的润湿性或有效控制界面反应。 （1）控制界面反应。 （2）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制备
温度和时间。 （3）改善增强剂与基体的润湿性。
2.4.3金属基复合材料的性能
复合材料
金属基复合材料制备的主要工艺及难点
金属基复合材料制备的主要工艺及难点作者：方华攀来源：《数字化用户》2013年第21期【摘要】本文对金属基复合材料研究背景、特征、制备方法及其原理进行分析，并探索性提出制备的关键技术和难点，最后做出一些展望。
【关键词】金属基复合材料性能关键技术一、背景20世纪60年代，美国航天飞机主舱体的主龙骨的支柱就采用了硼纤维增强铝基复合材料；20世纪80年代初期，逐渐强化对碳纤维增强铝基复合材料制备工艺技术研究力度，如压铸、半固态复合铸造以及喷射沉积和原位金属直接氧化法、反应生成法。
80年中期开始加强对金属基复合材料界面稳定性研究。
二、金属基复合材料特征性能内容高强度、高模量、低密度的增强纤维的加入，使MMC的比强度和比模量成倍地提高；良好的高温稳定性和热冲击性。
金属基体的高温性能比聚合物高很多，加上增强材料主要为无机物，在高温下具有很高的强度和模量，因此MMC比基体金属具有更高的高温性能；热膨胀系数小、尺寸稳定性好；良好的导热性；不吸潮、不老化、气密性好。
三、MMC的制备工艺和制备方法研究金属基复合材料的制备工艺研究主要包含以下几个方面：金属基体和增强物的结合方式和结合性；增强物在金属基体中的混合分布情况；降低成本，复合材料硬度、稳定性的提升；避免连续性纤维在制作中的出现伤损状况。
目前制备方法有固态法，液态法，喷涂喷射沉积，原位复合等。
（一）固态法。
固态法指在制备过程中把纤维、颗粒等与金属基体按照原始设计要求，通过低温、高压条件将二者复合粘结，最终形成金属基复合材料。
该制备方法整个工艺保持在低温环境下、且金属材料和纤维、颗粒等增强物状态呈现为固态、界面反应不严重。
固态法制备工艺包含以下两个方面：1.扩散结合。
扩散结合是指金属材料在一定温度和压强下，把新鲜清洁表面的金属和增强材料，通过表面原子的互相扩散而连接在一起的固态化焊接技术。
如图2.粉末冶金。
粉末冶金（Powder Metallurgy）适应范围广，对于长纤维、短纤维、颗粒性金属基增强材料的制备都适合，粉末冶金制作工艺是将金属材料和增强物（颗粒、纤维等）按照一定要求混合，并经过压制、烧结及后期一系列处理工艺制成金属基复合材料。
金属基碳纤维复合材料及其制造方法
金属基碳纤维复合材料及其制造方法金属基碳纤维复合材料是一种由金属基体和碳纤维增强体组成的新型复合材料。
这种材料具有高强度、高刚性、耐腐蚀、导电性好等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
1. 金属基碳纤维复合材料的制备方法金属基碳纤维复合材料通常是通过将碳纤维与金属基体进行复合而制备得到的。
其制备方法主要包括以下几个步骤：1.1 纤维制备：首先制备碳纤维，可以采用诸如化学气相沉积（CVD）、纺丝、石墨化等方法。
1.2 纤维表面处理：为了提高纤维与金属基体的界面结合性能，需要对碳纤维表面进行预处理，如酸处理、氧化处理、涂层处理等。
1.3 金属基体制备：根据需要，可以选用不同的金属或合金作为基体，如铝、镁、钛、镍等。
1.4 复合制备：将处理过的碳纤维与金属基体进行复合，可以采用热压、挤压、注射等方式进行。
1.5 后处理：为了改善复合材料的性能，可以进行一些后处理操作，如热处理、机械加工等。
2. 碳纤维增强金属基复合材料的制备工艺在制备碳纤维增强金属基复合材料时，需要考虑到工艺参数对材料性能的影响。
常用的制备工艺包括：2.1 搅拌铸造法：通过在熔融的金属液中加入碳纤维，然后进行搅拌，使碳纤维均匀分散在金属液中，最后冷却凝固得到复合材料。
2.2 粉末冶金法：将金属粉末和碳纤维混合均匀，然后进行压制和烧结得到复合材料。
2.3 喷射沉积法：将碳纤维与金属熔体混合，然后通过喷枪喷射到冷却表面上，形成复合材料。
2.4 真空压力浸渍法：将碳纤维放入真空环境中，然后将其浸入金属熔体中，通过加压和冷却得到复合材料。
3. 碳纤维在金属基复合材料中的应用碳纤维在金属基复合材料中具有广泛的应用，主要用于增强和改善材料的力学性能、物理性能和化学性能。
例如，在铝基复合材料中添加碳纤维可以显著提高其强度和刚度；在钛基复合材料中添加碳纤维可以增强其耐磨性和耐腐蚀性；在镍基复合材料中添加碳纤维可以改善其高温性能和抗氧化性能。
分层铸造 金属基复合材料
分层铸造金属基复合材料是一种将不同材料通过铸造工艺结合在一起，以达到各种性能要求的高效方法。
这种技术在航空、汽车、能源等行业中有着广泛的应用前景。
以下是关于分层铸造金属基复合材料的详细介绍。
1. 分层铸造金属基复合材料的概念分层铸造金属基复合材料是指通过铸造工艺将两种或两种以上不同的材料制成具有分层结构的复合材料。
这些材料一层层叠加，每一层都可以根据需要设计不同的性能，如强度、硬度、耐腐蚀性等，从而使得最终的复合材料具有优异的综合性能。
2. 分层铸造技术的类型分层铸造技术主要包括但不限于以下几种：- 重力铸造：利用重力将熔融金属倒入模具中，适用于不太复杂的零件形状。
- 压力铸造：通过外力（通常是气压或液压）将熔融金属压入模具，适合生产形状复杂、尺寸精确的零件。
- 离心铸造：利用离心力将熔融金属注入旋转的模具，常用于生产对称形状的零件。
- 低压铸造：通过在熔融金属下方施加压力，使金属缓慢上升填充模具，适用于要求较高的铸件。
3. 材料选择与设计在分层铸造金属基复合材料过程中，材料的选择至关重要。
通常，选择材料时需要考虑以下因素：- 物理性能：如密度、熔点、导热性等。
- 化学性能：如耐腐蚀性、稳定性等。
- 机械性能：如强度、硬度、韧性等。
- 经济性：成本也是选择材料时必须考虑的重要因素。
设计时，还需要考虑到各层材料间的相容性，以及在铸造过程中可能发生的化学反应、热膨胀等问题。
4. 制造过程分层铸造金属基复合材料的制造过程大致可以分为以下几个步骤：1. 设计和准备：根据产品需求设计复合材料的结构，选择合适的材料，并准备相应的铸造模具。
2. 熔炼和处理：将选定的金属材料熔炼并进行适当的温度、成分调整，确保材料的质量。
3. 分层铸造：按照设计要求，通过铸造工艺将不同材料逐层铸造成型。
这一步骤可能需要特殊的技术和设备来控制材料之间的界面质量。
4. 后处理：包括去除浇口、打磨、热处理、表面处理等，以达到最终产品的要求。
金属基复合材料
包括：物理气相沉积法、化学气相沉积法、热喷涂法、 化学镀和电镀法、复合镀法等。
一、固态制备技术
1.1粉末冶金技术 粉末冶金法是一种用于制备与成形颗粒增强(非连续
增强型)金属基复合材料的传统固态工艺法。
工艺过程：
粉末冶金生产工艺
1.2热压技术
扩散黏结：在较长时间、较高温度和压力下，通过固态焊接 工艺，使同类或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一起的 工艺方法。
常用的热喷涂的主要方法如下：
1)火焰喷涂 2)电弧喷涂 3)等离子喷涂(气体导电（或放电）所产生的等离
子电弧作为高温热源 )
讲完了~
性、良好的抗粘着能力和优越的耐蚀性。
化学气相沉积的装置如图,以在钢件表面沉积TiC涂层为 例，将反应气体TiCl4与气态或蒸发状态的碳氢化合物一 起导入真空、高温的反应室内，用氢作为载体和稀释剂， 就会发生化学反应生成TiC沉积在基体表面。
3.3热喷涂技术
指以某种热源，将基体材料加热到熔化或熔融状态后， 用高压高速气流将其雾化成细小的颗粒喷射到增强材料上， 形成一层覆盖层的过程。
三阶段： ➢粘结表面之间最初接触 ➢增强材料与合金粉末发生界面扩散和体扩散→接触面 粘结 ➢结合界面最终消失，粘结过程完成
热压技术：
1.3热轧、热挤压和热拉拔技术（变形法）
形变法就是利用金属具
轧制
有塑性成型的工艺特点，
通过热轧、热拉、热挤压
等加工手段，使已复合好
的颗粒、晶须、短纤维增
强金属基复合材料进一步
加工成板材。
挤压 拉拔
1.4爆炸焊接技术
二、液态制备技术
2.1真空压力浸渍技术 真空压力浸渍法是在真
空和高压惰性气体的共同 作用下，使熔融金属浸渗 入预制件中制造金属基复 合材料的方法。
金属基复合材料的分类及制造技术研究进展
外 大量 学 者 采用 复 合 技术 将 不 同性 能 的材 料 复 合
击著提 高 ， 疲 并具 有 特 殊 的热膨 胀性能 。 复合材料 的种类 繁多 ， 其基体材 按
料 不 同可分 为金属 基 、 脂基 和 陶瓷基 复合 材料 。 树
目前 ， 金属基 复合材料 是我 国应 用较为 广泛 、 发
Ｃ Ｅ ｕｌ ｇ Ｓ Ｎ Ｘ ｅｊ Ｈ Ｎ Ｓ －ｎ ，Ｕ ｕ －ｅ ｉ ｉ （ ｅａｔ ｎ ｆ ｔ ａ Ｓ ｉ ｃ ｎ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｓｃ ｕｎＥ ｇ ｅｒ ｇＴ ｃ ｎｃ ｏ ｅｅ Ｄ ｙｎ １０ ０，ｈｎ） Ｄ ｐ ｒ ｔ ｅ ｌ ｃｅ ｅａｄＥ ｇｎｅ ｎ ，ｉ ａ ｎ ｉ ｅ ｎ ｅｈ ｉ Ｃ ｌ ｇ ， ｅａ ｇ６ ８ ０ Ｃ ｉａ ｍｅ ｏ Ｍａ ｒ ｎ ｉ ｉ ｈ ｎ ｉ ｌ ａ ｌ
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金属基复合材料的制备方法及发展现状
金属基复合材料的制备方法及发展现状赵鹏鹏;谭建波【摘要】金属基复合材料具有较高的比强度和比刚度,广泛用于军事、航天等领域,其研究和发展受到了各行各业,尤其是重工业产业的密切关注.介绍了金属基复合材料的研究历史和发展现状,根据基体类型和增强相形态对其进行了分类.常见的金属基复合材料制备方法包括粉末冶金法、铸造凝固成型法(搅拌铸造法和挤压铸造法)、喷射成型法和原位复合法,重点介绍了粉末冶金法和铸造凝固成型法.指出了现阶段金属基复合材料发展需解决成本偏高、工艺复杂、分布不均匀、高温下易发生界面反应及偏聚等问题.%Due to their high specific strength and high specific stiffness,metal matrix composites are widely used inmilitary,spaceflight,etc.,and the research and development of which has been widely concentrated,especially in heavy industry.The research history and development status of metal matrix composites are introduced,andthe classification of metal matrix composites is given according to the types of the matrix and the morphology of the reinforcing phase.The common methods for the preparation of metal matrix composites include powder metallurgy,casting solidification molding (stir casting and squeeze casting),spray forming and in situ compounding.The powder metallurgy method and casting solidification forming method are mainly introduced.The problems that need be solved for the development of metal matrix composites including high cost,complicate craft,uneven distribution,and incident surface reaction and segregation under high temperature are pointed out.【期刊名称】《河北工业科技》【年(卷),期】2017(034)003【总页数】8页(P214-221)【关键词】金属基复合材料;基体类型;增强相;粉末冶金法;挤压铸造【作者】赵鹏鹏;谭建波【作者单位】河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018;河北省材料近净成形技术重点实验室,河北石家庄050018;河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018;河北省材料近净成形技术重点实验室,河北石家庄050018【正文语种】中文【中图分类】TG146.4近些年来，由于一些高新技术的兴起，一些传统材料已无法满足多种产业对其比强度、比刚度等性能的要求。
复合材料-第四章复合材料界面
（1）物理因素
例1 粉末冶金制备的W丝/Ni，钨在镍中有很大的固溶度，在1100℃左右使用50小时后，钨丝发生溶解，造成钨丝直径仅为原来的60%，大大影响钨丝的增强作用，如不采取措施，将产生严重后果。为此，可采用钨丝涂覆阻挡层或在镍基合金中添加少量合金元素，如钛和铝，可以起到一定的防止钨丝溶入镍基合金的作用。
如何防止碳在镍中先溶解后析出的问题，就成为获得性能稳定的Cf / Ni的关键。
例2 碳纤维增强镍基复合材料。在800℃高温下，在界面碳先溶入镍，而后又析出，析出的碳是石墨结构，密度增大而在界面留下空隙，给镍提供了渗入碳纤维扩散聚集的位置。而且随温度的提高镍渗入量增加，在碳纤维表层产生镍环，严重损伤了碳纤维，使其强度严重下降。
4.2.1 聚合物基复合材料的界面
1.界面的形成 聚合物基复合材料界面的形成可以分成两个阶段： ①基体与增强纤维的接触与浸润过程； 增强纤维优先吸附能较多降低其表面能的组分，因此界面聚合物在结构上与聚合物基体是不同的。 ②聚合物的固化阶段。聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。
1
2
复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域，这一区域由五个亚层组成。
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归为以下几种效应。……P61
复合材料界面设计的原则(总的原则)
界面粘结强度要保证所受的力由基体通过界面传递给增强物，但界面粘结强度过高或过弱都会降低复合材料的强度。
复合材料的制备方法与工艺
比缝合技术更具发展潜力，节省成本，尺寸不受限制。
（2） 穿刺
是一种高级纺织复合材料。
1
纺织异型整体织物，如T形、U形、工形、十字形等型材和圆管等，还可以创造出许多新的复杂形状织物。
2
（3） 三维机织
（4） 编织
编织是一种基本的纺织工艺，能够使两条以上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构的预成形体。这种工艺通常能够制造出复杂形状的预成形体，但其尺寸受设备和纱线尺寸的限制。该工艺技术一般分为两类，一类的二维编织工艺，另一类是三维编织工艺。
一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种树脂浸渍技术。其成形过程是将树脂制备成树脂膜或稠状树脂块，安放于模具的底部，其上层覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体。然后依据真空成形工艺的要点将模腔封装，于热环境下采用真空技术将树脂由下向上抽吸。
目前在航空领域主要应用于飞机雷达天线罩。
（2） 树脂浸渍技术
FRML中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维
在未来的大型军用运输机及无人机等机体具有相当广泛的应用前景。
（7） 层板及蜂窝结构制造技术
复合材料零件成形及制造技术 树脂转移模塑成形技术
在模腔中铺放按性能和结构要求设计的增强材料预成形体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔，模具具有周边密封和紧固以及注射及排气系统，以保证树脂流动流畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，还具有加热系统，可加热固化成形复合材料构件。它是一种不采用预浸料，也不采用热压罐的成形方法。因此，具有效率高、投资、绿色等优点，是未来新一代飞机机体有发展潜力的制金属薄板和纤维树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料。
主要使用铝合金薄板。使用铝锂合金可提高FRML的比刚度，使用钛合金可大大可提高FRML的耐温性。
07310450+金属基复合材料
金属基复合材料Metal Matrix Composites07310450 230(其中：讲课学时： 30 实验学时： 0 上机学时：) 金属学及热处理、现代材料测试技术 复合材料与工程、材料成型与控制工程、金属材料工程、冶金工程 教 材：《金属基复合材料》 ，赵玉涛、戴起勋、陈刚主编，机械工业出版社， 2007年 8 月第 1 版开课学院： 材料科学与工程学院 一、 课程的性质与任务 :《金属基复合材料》课程是材料复合材料相关专业教学计划中的专业课，要求学 生完成学习《金属学及热处理》 、《现代材料测试技术》等课程的基础上，以及进行 了认识实习，有一定的生产实际知识的基础上讲授。
本课程的任务是：1、掌握金属基复合材料的定义、分类、设计、制备、性能及应用等方面的基本知识 和理论2、掌握金属基复合材料的成型工艺和设备二、 课程的基本内容及要求 第一章 绪论1、教学内容(1) 复合材料定义与分类 (2) 金属基复合材料概述 (3) 金属基复合材料的性能特点 2、基本要求了解金属基复合材料的概念、定义、性能特点及发展趋势。
掌握金属基复 合材料的基本特征、类型及应用领域和发展前景。
3、重难点 金属基复合材料的基本特征、类型及应用领域和发展前景。
第二章 增强体材料1、教学内容 (1) 增强体的分类(2) 纤维类增强体：种类、性能、制备方法及应用 (3) 晶须及颗粒类增强体：种类、性能、制备方法及应用课程编号 ： 学 分： 学 时： 先修课程： 适用专业 :(4) 金属丝：种类、性能、制备方法及应用2、基本要求 了解增强体的种类、制备方法及应用领域。
掌握根据使用工况和成本因素设 计选择适当的增强体。
3、重难点 根据使用工况和成本因素设计选择适当的增强体。
第三章 金属基复合材料的设计1、教学内容(1) 金属基复合材料设计的基本原则(2) 基体材料选择：基体的作用、选择的原则、分类(3) 增强体材料选择：长纤维、短纤维、晶须、颗粒等增强体的特性、类型、 制备方法及其作用2、基本要求 了解金属基复合复合材料的基本组成(基体、增强体)及各自的特点和功能， 掌握金属基复合材料的设计原则和方法，掌握根据使用工况选择性能与价格比合理 的基体和增强体。
原位金属基复合材料的合成与制备
原位金属基复合材料的合成与制备摘要：金属基复合材料(MMCs), 由于融合了金属与陶瓷的特性，因此既具有优异的力学性能，又具有导电、导热、耐磨损、不吸湿、不放气、尺寸稳定、不老化等一系列金属特性，是一种优良的结构材料。
常规的MMCs的制造方法有DIMOX TM直接氧化法、PRIMEM TM法、DX TM法和共晶自生法。
关键词:合成，制备，DIMOX TM直接氧化法，PRIMEM TM法，DX TM法，共晶自生法1.前言原位复合材料制备技术的基本思想是依靠合金设计，通过合金内部反应生成增强体。
由于原位生成的增强体表面未受污染，且避免了与基体浸润不良的问题，因而与基体的结合良好。
较之陶瓷颗粒或晶须表面处理后再与基体结合的传统工艺，在相同的增强体百分含量情况下，可得到更高的强度和弹性模量，同时能得到较好的韧性。
根据热力学基本原理，好的合金设计应使生成增强体反应的吉布斯自由能变化为绝对值较大的负值，并使有害相的生成反应吉布斯自由能变化为绝对值较小的负值，且最好为正值。
这就要求首先从理论上解决在反应合金体设计方面有益增强体相能够形成、有害相不能形成的问题。
常规的金属基复合材料的制造方法有粉末冶金法、铸造法和共喷法。
①粉末冶金法是制造颗粒增强金属基复合材料的主要方法之一，粉末冶金法制备过程如图3所示。
其中压实过程包括冷压、除气、热等静压或真空热压等过程，经压实后的毛坯复合材料通常能达到98%的理论密度。
然后再采用二次加工方法优化力学性能。
该法制成的MMCs具有颗粒均匀、成型能力好、力学性能较高的点，但制备成本高。
②铸造法又可分为复合铸造法、压铸法、压力浸渍法和真空压力浸渍法等，其中真空压力浸渍法制造的MMCs力学性能较好，且制备过程也较科学合理。
③共喷法的实验装置示意图见图 4 。
共喷或喷射沉积法是使增强体粉末与液态金属短时间接触即凝固成固体复合材料的方法，这种工艺方法可避免基体和增强体的剧烈反应，且基体的选择范围也比较大。
第四章 4.3复合材料加工原理--纤维增强复合材料的制备工艺
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
3.液态金属浸渍法 3.液态金属浸渍法 液态金属浸渍法是通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金 液态金属浸渍法是通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金 属而制成金属基复合材料的方法。 属而制成金属基复合材料的方法。 熔浸方法有两种，一 熔浸方法有两种， 种是在上部真空炉中熔化 金属后， 金属后，浇入下部放有预 成形体的型中进行熔浸； 成形体的型中进行熔浸； 另一种是将真空熔化的金 属浇入放有顶成形体的型 内后， 内后，用压缩空气或惰性 气体加压实现强制熔浸， 气体加压实现强制熔浸， 叫加压熔浸。 叫加压熔浸。
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
7.电镀法 7.电镀法 利用电解沉积的原理在纤维表面附着一层金属 而制成金属基复合材料。如：将液态金属放置在电 而制成金属基复合材料。 镀液槽中，在液态金属中放置一卷轴， 镀液槽中，在液态金属中放置一卷轴，在卷轴与液 态金属之间接一直流电源，以金属为阳极， 态金属之间接一直流电源，以金属为阳极，卷轴为 阴极，在金属不断电解的同时， 阴极，在金属不断电解的同时，卷轴以一定速度卷 集附着金属层的纤维。 集附着金属层的纤维。将电镀后的纤维按一定方式 层叠、热压，制成复合材料。 层叠、热压，制成复合材料。
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
6.等离子喷涂法 6.等离子喷涂法 利用等离子弧向增强材料喷射金属微粒子，从 利用等离子弧向增强材料喷射金属微粒子， 而制备金属基纤维增强复合材料。 而制备金属基纤维增强复合材料。如：将碳化硅连 续纤维缠绕在滚筒上， 续纤维缠绕在滚筒上，用等离子喷涂的方法将铝合 金喷溅在纤维上，然后将碳化硅/ 金喷溅在纤维上，然后将碳化硅/铝合金复合材料 切片堆叠，加压后制成铝基复合材料。 切片堆叠，加压后制成铝基复合材料。
对金属基复合材料的制造技术的认识和想法
对金属基复合材料的制造技术的认识和想法金属基复合材料是以金属或合金为基体与纤维、晶须、颗粒等增强体组成的复合物。
由于金属材料熔点较高，同时不少金属对增强体表面润湿性很差加上金属原子在高温状态下很活泼，易与多种增强体发生反应，所以金属基复合材料的复合工艺比较复杂和困难，这也是金属基复合材料的发展受到制约的主要原因。
1粉末冶金复合法粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。
粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。
粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。
运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等，是一种少无切削工艺。
（1）粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。
在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料（如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用。
（2）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。
（3）可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。
（4）可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。
（5）可以实现近净形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗。
（6）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。
我们常见的机加工刀具，五金磨具，很多就是粉末冶金技术制造的。
金属基复合材料的制备工艺原理PPT课件
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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
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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。
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液压机原理图
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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。
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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 .
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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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4金属基复合材料制备方法及应用
4金属基复合材料制备方法及应用金属基复合材料是一种由金属基体和其他强化相（例如纤维增强材料、陶瓷颗粒等）复合而成的材料。
这种材料具有金属的导电、导热和机械性能，同时又兼具强度高、抗磨损和耐高温等优点。
在许多领域，如航空航天、汽车制造和能源领域等，金属基复合材料常被应用于重要零部件的制备。
下面将介绍几种金属基复合材料的制备方法及其应用。
1.焊接制备方法：通过焊接技术将金属基体与强化相材料连接在一起。
这种方法适用于金属基体与纤维增强材料的组合。
例如，利用电弧焊、激光焊或摩擦焊等技术可以将金属基体与碳纤维增强材料连接在一起，制备出具有高强度和低密度的复合材料。
这种方法常被应用于航空航天和汽车制造领域。
2.粉末冶金制备方法：通过将金属粉末与强化相粉末混合后进行压制和烧结，制备出金属基复合材料。
这种方法适用于金属基体与陶瓷颗粒的组合。
例如，将铝粉末与氧化铝颗粒混合后压制和烧结，可以获得高强度和高耐磨损性的复合材料，广泛应用于汽车制造和航空航天领域。
3.化学反应制备方法：通过金属基体和强化相之间的化学反应，制备金属基复合材料。
这种方法适用于金属基体与陶瓷颗粒的组合。
例如，将铝基金属与氧化铝颗粒放置在高温环境中，经过反应生成金属化合物后，可以形成金属基复合材料。
这种方法常被应用于能源领域，如制备高温热电材料。
金属基复合材料在许多领域有着广泛的应用。
其中，航空航天领域是最重要的应用领域之一、由于金属基复合材料具有高强度、低密度和耐高温等特点，因此被广泛应用于飞机和航天器的结构件制造。
例如，利用金属基复合材料可以制备出更轻、更强的飞机机身和发动机零部件，提高飞机的性能和燃油效率。
此外，金属基复合材料还被应用于汽车制造领域。
由于金属基复合材料的高强度和低密度，可以用来替代传统的金属材料，降低汽车的整体重量，提高燃油效率。
同时，金属基复合材料还具有良好的耐磨损性能，可以用于制造汽车发动机零部件和刹车系统，提高汽车的性能和安全性。
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液压机原理图
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20Байду номын сангаас
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我国粉末冶金专家黄培云教授得出粉末体密度的变化与压制压力的关系式 ，即双对数压制方程：
lnln(dmd0)dnlnPlnM (dmd)d0
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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。
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液压式压力机
压力机压力表
压力机压力 调节阀
上模 下模
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4.1.1 金属基复合材料制造方法的类型
固态制造技术 液态制造技术
新型制造技术
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固态法是在基体金属处于固态情况下，与 增强材料混合组成新的复合材料的方法。 其中包括粉末冶金法、热压法、热等静压 法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法 等。
液态法是在基体金属处于熔融状态下，与增 强材料混合组成新的复合材料的方法。其中 包括：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、热 喷涂法等。
第4章 金属基复合材料的制造技术
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4.1 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金 属基复合材料的的制造方法和工艺。 金属基复合材料的制造相对比较复杂和困难: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。因此,研究发展有效的金属基复合材料制造方法一直是金属 基复合材料研究中最重要的问题之一。 202本1/3章/13 将涉及不同金属基复合精材品课料件的制造方法、原理及特点等。2
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4.1.3 金属基复合材料制造的关键性技术
由于金属所固有的物理和化学特性，其加工性能不如树脂 好，在制造金属基复合材料中还需解决一些关键技术，其 中主要表现于： 加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应;
增强材料与基体浸润性差;
增强材料在基体中的分布。
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新型制造方法包括：原位自生成法、物理 气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀和 电镀法及复合镀法等。
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4.1.2 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.
QM-星行球磨机
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球磨工艺
球磨时间 球料比 球磨转速 球磨气氛（干磨、湿磨）
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球磨工艺-球磨时间
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球磨工艺-球料比
球料比越大，硬质粉体越细小。而塑性较好 的金属粉体如图
解决的方法是：
① 加入合金元素，优化基体组分，改善基体对增强材料的
浸 润性，常用的合金元素有：钛、锆，铌、铈等；
② 对增强材料进行表面处理，涂敷一层可抑制界面反应的
涂层，可有效改善其浸润性， 表面涂层涂覆方法较多，
如化学气相沉积，物理气相沉积，溶胶－凝胶和电镀或
化学 镀等。
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按结构设计需求，使增强材料按所需方向均匀地分布于基体中 也是金属基复合材料制造中的关键技术之一。增强材料的种类 较多，如短纤维、晶须、颗粒等，也有直径较粗的单丝，直径 较细的纤维束等。在尺寸形态、理化性能上也有很大差异，使 其均匀地、或按设计强度的需要分布比较困难。
解决的方法是： ① 对增强体进行适当的表面处理，使其浸渍基体速度加快； ② 加入适当的合金元素改善基体的分散性； ③ 施加适当的压力，使其分散性增大。 ④ 施加外场(磁场,超声场等)
解决的方法是： ① 尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应时
间降低至最低程度； ② 通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快； ③ 采用扩散粘接法可有效地控制温度并缩短时间。
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增强材料与基体浸润性差是金属基复合材料制造的又一关键 技术，绝大多数的金属基复合材料如：碳/铝、碳/镁、碳化 硅/铝、氧化铝/铜等，基体对增强材料浸润性差，有时根本 不发生润湿现象。
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4.2 固态制造技术
固态制造技术主要包括：
粉末冶金 热压 热等静压 热轧 热挤压 热拉 爆炸焊接
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粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金 属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金 属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末 冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶 金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术 的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的 发展中起着举足轻重的作用。
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粉末冶金工艺的基本工序是：
1、原料粉末的制备。
现有的制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。 而机械法可分为：机械粉碎及雾化法；物理化学法又分 为：电化腐蚀法、还原法、化合法、还原-化合法、气相 沉积法、液相沉积法以及电解法。
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不锈钢真空球磨罐
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在加工过程中，为了确保基体的浸润性和流动性，需要采用很 高的加工温度（往往接近或高于基体的熔点）。在高温下，基 体与增强材料易发生界面反应，有时会发生氧化生成有害的反 应产物。这些反应往往会对增强材料造成损害，形成过强结合 界面。过强结合界面会使材料产生早期低应力破坏。高温下反 应产物通常呈脆性，会成为复合材料整体破坏的裂纹源。因此 控制复合材料的加工温度是一项关键技术。