《金属基体复合材料》PPT课件
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9第九章 金属基复合材料的应用与发展趋势PPT课件
在美国国防部“Title Ⅲ”项目支持下，DWA复合材料公司 与洛克希德·马丁公司及空军合作，将粉末冶金法制备的碳化硅 颗粒增强铝基（6062Al）复合材料用于F-16战斗机的腹鳍（见 图9-6），代替了原有的2214铝合金蒙皮，刚度提高50%，使 寿命由原来的数百小时提高到设计的全寿命8000 h.，寿命提高 幅度达17倍。此外，F-16上部机身有26个可活动的燃油检查口 盖（见图9-7），其寿命只有2000 h，并且每年都要检修2～3 次。采用了碳化硅颗粒增强铝基复合材料后。刚度提高40%， 承载能力提高28%，预计平均翻修寿命可高于8 000 h，裂纹检 查期延长为2～3年。
24.09.2020
14
F-38“大黄蜂”战斗机上采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料 作为液压制动器缸体，与替代材料铝青铜相比，不仅重量减轻、 线胀系数降低，而且疲劳极限还提高一倍以上。在直升机上的 应用方面，欧洲率先取得突破性进展，英国航天金属基复合材 料公司（AMC）采用高能球磨粉末冶金法制备出了高刚度、耐 疲劳的碳化硅颗粒增强铝基 (2009A1)复合材料，用该种材料 制造的直升机旋翼系统连接用模锻件（浆毂夹板及轴套)，已成 功地用于Eurocopter（欧直）公司生产的N4及EC-120新型直 升机（见图9-8）其应用效果为：与钛合金相比，构件的刚度 提高约30%，寿命提高约5%；与钛合金相比，构件重量下降 约25%。
24.09.2020
8
(3) 近期和未来的研究计划
在近期的研究计划中，重点研究了经过T1热处理后的SiCp/AlFe-V-Si复合材料，并与经过T1热处理后2618铝合金以及碳化硅 颗粒增强2000系列铝合金进行了对比。
研究结论是:经过Tl热处理后的17%碳化硅颗粒增强SiCp/AlFe-V-Si合金可用于制造比传统Al-Cu-Mg合金壁薄的导弹前弹体， 减重20%～35%，并有助于改善导弹的性能，例如提高速度，改 进制导与精度:这种薄壁前弹体可增加导弹的有效载荷容积。
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F-38“大黄蜂”战斗机上采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料 作为液压制动器缸体，与替代材料铝青铜相比，不仅重量减轻、 线胀系数降低，而且疲劳极限还提高一倍以上。在直升机上的 应用方面，欧洲率先取得突破性进展，英国航天金属基复合材 料公司（AMC）采用高能球磨粉末冶金法制备出了高刚度、耐 疲劳的碳化硅颗粒增强铝基 (2009A1)复合材料，用该种材料 制造的直升机旋翼系统连接用模锻件（浆毂夹板及轴套)，已成 功地用于Eurocopter（欧直）公司生产的N4及EC-120新型直 升机（见图9-8）其应用效果为：与钛合金相比，构件的刚度 提高约30%，寿命提高约5%；与钛合金相比，构件重量下降 约25%。
24.09.2020
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(3) 近期和未来的研究计划
在近期的研究计划中，重点研究了经过T1热处理后的SiCp/AlFe-V-Si复合材料，并与经过T1热处理后2618铝合金以及碳化硅 颗粒增强2000系列铝合金进行了对比。
研究结论是:经过Tl热处理后的17%碳化硅颗粒增强SiCp/AlFe-V-Si合金可用于制造比传统Al-Cu-Mg合金壁薄的导弹前弹体， 减重20%～35%，并有助于改善导弹的性能，例如提高速度，改 进制导与精度:这种薄壁前弹体可增加导弹的有效载荷容积。
复合材料的基体材料最新课件
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31
钛在较高的温度中能保持高强度，优良的 抗氧化和抗腐蚀性能。它具有较高的强度／质 量比和模量／质量比，是一种理想的航空、宇 航应用材料。
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32
钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度 高等特点，是一种可在450～700 ℃温度下使用的 合金，主要用于航空发动机等零件上。
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用高性能碳化硅纤维、碳化钛颗粒、硼化钛 颗粒增强钛合金，可以获得更高的高温性能。
美国己成功地试制成碳化硅纤维增强钛复合 材料，用它制成的叶片和传动轴等零件可用于高 性能航空发动机。
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现在已用于钛基复合材料的钛合金的成分和性能如下 钛合金的成分和性能
复合材料的基体材料最新课件
11
相反。对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属 基复合材料，基体的强度对复合材料具有决定性的影响， 因此，要选用较高强度的合金来作为基体。
所以，要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度 铝合金作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体 的选择完全不同。
如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金（如 A365，6061，7075）为基体。
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(1) 铝和铝合金
铝是一种低密度、较高强度和具有耐腐蚀性能的 金属。在实际使用中，纯铝中常加入锌、铜、镁、锰 等元素形成合金，由于加入的这些元素在铝中的溶解 度极为有限，因此，这类合金通常称为沉淀硬化合金， 如A1--Cu--Mg和A1--Zn--Mg--Cu等沉淀硬化合金。
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C、用于600-900 ℃的复合材料的金属基体
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。
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；
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。
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。
◆ 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
《复合材料原理》金属基复合材料界面控制 ppt课件
金具有很好的润湿性，润湿性好，才能充填
纤维束和丝之间的间隙。基体改性很少采用。
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23
3 界面反应与界面控制
3.1基体改性
溶质元素可以减少碳纤维的溶解和界面反应：
提高活化能，减少碳纤维溶解 阻止碳在反应产物中的扩散
System Al-C E103
0.43
(Al/Fe)-C (Al/Ga)-C
复合材料原理
ppt课件
1
第九讲 金属基复合材料界面控制
1 强结合及其失效机制 2 界面问题与纤维涂层 3 界面反应与界面控制
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2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
0.23
0.38
System (Al/Zn)-C (Al-Mg)-C (Al-Si)-C
E103 4.8
6.0
7.1
溶质元素对C在Al中溶解的影响 ppt课件
Al4C3速度常数 24
3 界面反应与界面控制
3.1基体改性
溶质元素在界面偏聚形成溶解和反应阻挡层：
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25
3 界面反应与界面控制
表面涂层处理： (1) 改善润湿性，提高界面结合强度 (2) 防止过渡界面反应，降低界面脆性
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11
2 界面问题与纤维涂层
2.1 界面化学反应
涂层能控制界面反应，有了涂层基体元素越过涂 层扩散与纤维发生反应或纤维元素越过涂层扩散 与基体反应将受到抑制。
80
扩散控制的反应层厚度
第二章复合材料的基体材料ppt课件
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
❖ 四、 聚合物材料 ❖ 1. 复合材料中常用的聚合物种类
❖ （1）不饱和聚酯树脂。用于玻璃纤维复合材料 ❖ （2）环氧树脂。性能优异，用于碳纤维复合材
料和优质玻璃纤维复合材料。 ❖ （3）酚醛树脂。性能较差，且需高压成形，用
性好的；对于非连续性增强复合材料，选高强度
合金为基体。
• （3）根据基体金属与增强物的相容性选择
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
2.1.2 结构复合材料的基体
结构复合材料的基体大致可分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。
❖ 主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
❖
Байду номын сангаас
Al2O3（刚玉）—典型的纯氧化物陶瓷。
有较高室温和高温强度。
❖
ZrO2—使用温度达2000～2200℃，主要
用作耐火坩锅，反应堆的绝缘材料，金属表面的
二、 无机胶凝材料 水泥，石膏，菱苦土，水玻璃等。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
2.2 陶瓷材料
传统陶瓷是指陶器和瓷器，主要由含二氧化硅的 天然硅酸盐矿物质制成。
现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、 硼化物、氮化物等。
金属基复合材料制备工艺PPT课件
缺点：
出现原材料被气流带走和沉积在效应器壁上等现象而损 失较大； 材料中孔隙率较大以及容易出现的疏松； 液滴容易氧化。
❖ 这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。 ❖ 目前这种材料的应用尚不广泛，过去主要少量应用或试用
于航空、航天及其它军用设备上，现在正努力向民用方向 转移，特别是在汽车工业上有很好的发展前景。
31
可编辑课件
二.液态金属法
➢ 方法：金属基体处于熔融状态下与固体增强物复 合成材料的方法。工艺过程：液态金属浸渍 挤压铸造成型。
2. 混合：球磨机混合法； 3. 压粉（压密）：相当于成形工艺； 4. 脱气：为除去粉末、颗粒表面水分与吸附气体，防止烧结后材料内部气孔
（相当于干燥）； 5. 压粉坯的致密化：冷等静压、挤压法； 6. 烧结（固化）：常压、热压、真空热压、热等静压、热塑性变形烧结； 7. 塑性加工：赋予材料一定形状（热加工温度下变形）。
多层滤纸 铝制多孔底盖
湿型法制备预制块示意图
37
可编辑课件
举例：挤压铸造法---SiCp/Al复合材料
配置溶胶及颗粒清洗 添加适量溶胶并震荡搅拌
浇注及过滤 压制成型并保压 低温烘干后高温处理
预制块的制备工艺流程图
38
可编辑课件
烘干与烧结处理工艺
39
可编辑课件
SiC颗粒预制块
40
可编辑课件
SiCp/Al复合材料
25
可编辑课件
5.热轧法、热挤压法和热拉法
❖ 都是塑性成形热加工方法。 ❖ 热轧法主要用来将已经复合好的颗粒、晶须、短
纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板材。 ❖ 热挤压和热拉主要用于颗粒、晶须、短纤维增强
复合材料坯料的进一步加工，制成各种形状的管 材、型材、棒材等。 ❖ 经挤压、拉拔后复合材料的组织变得均匀、缺陷 较少、性能明显提高，短纤维和晶须还有一定的 择优取向，轴向抗拉强度提高显著。
出现原材料被气流带走和沉积在效应器壁上等现象而损 失较大； 材料中孔隙率较大以及容易出现的疏松； 液滴容易氧化。
❖ 这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。 ❖ 目前这种材料的应用尚不广泛，过去主要少量应用或试用
于航空、航天及其它军用设备上，现在正努力向民用方向 转移，特别是在汽车工业上有很好的发展前景。
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二.液态金属法
➢ 方法：金属基体处于熔融状态下与固体增强物复 合成材料的方法。工艺过程：液态金属浸渍 挤压铸造成型。
2. 混合：球磨机混合法； 3. 压粉（压密）：相当于成形工艺； 4. 脱气：为除去粉末、颗粒表面水分与吸附气体，防止烧结后材料内部气孔
（相当于干燥）； 5. 压粉坯的致密化：冷等静压、挤压法； 6. 烧结（固化）：常压、热压、真空热压、热等静压、热塑性变形烧结； 7. 塑性加工：赋予材料一定形状（热加工温度下变形）。
多层滤纸 铝制多孔底盖
湿型法制备预制块示意图
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可编辑课件
举例：挤压铸造法---SiCp/Al复合材料
配置溶胶及颗粒清洗 添加适量溶胶并震荡搅拌
浇注及过滤 压制成型并保压 低温烘干后高温处理
预制块的制备工艺流程图
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烘干与烧结处理工艺
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SiC颗粒预制块
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SiCp/Al复合材料
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可编辑课件
5.热轧法、热挤压法和热拉法
❖ 都是塑性成形热加工方法。 ❖ 热轧法主要用来将已经复合好的颗粒、晶须、短
纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板材。 ❖ 热挤压和热拉主要用于颗粒、晶须、短纤维增强
复合材料坯料的进一步加工，制成各种形状的管 材、型材、棒材等。 ❖ 经挤压、拉拔后复合材料的组织变得均匀、缺陷 较少、性能明显提高，短纤维和晶须还有一定的 择优取向，轴向抗拉强度提高显著。
金属基复合材料界面问题课件.ppt
———
2．界面的作用
2024散射与吸收效应、诱导效应及不连续效 应。
传递效应：是指界面可以将外力通过基体传递给增强体，起连接基体与增强 体的作用。
阻断效应：是指界面具有阻断裂纹扩展、延缓应力集中的作用。 散射与吸收效应：是指界面具有透光、隔热、隔音、吸振、耐热冲击的性能。 诱导效应是指界面使周围物质的结构发生改变，从而产生出一系列特殊的性 质。不连续效应是指界面的物理不连续性。
产生界面反应产物一脆性相 ：界面反应结果形成各种类型的化 合物,如A14C3、AIB2、A12MgO4、MgO、Ti5Si3、TIC等。
造成增强体损伤和改变基体成份 ： 严重的界面反应使高性能纤 维损伤。
界面反应还可能改变基体的成份。
———
主要的界面问题：
1.界面反应及其控制途径: 2.界面微结构及其表征: 3.界面结构特性对微观、宏观性能的影响: 4.界面结构与复合材料组分的关系: 5.界面稳定性: 6.界面的优化设计和优化界面的有效途径
———
2024/10/8
Cf/Al复合材料界面反应工艺控制
在现有的金属基复合材料体系中， Cf/Al复合材料对界面是最为敏感的， 甚至成为复合材料能否成功应用的关键技术障碍一般地,C 与 Al的复合界面在 773K便可生成 Al4C3
三方面的危害： 1.呈脆性，可降低界面在复杂应力下传递载荷的作用; 2.会导致碳纤维损伤，降低纤维的承载能力 3.易于水解，潮湿环境下易腐蚀。
———
3．界面的类型
3.界面分类
2024/10/8
•结合的原理 机械结合 化学结合
•相互作用
既不反应又不扩散 不反应但溶解扩散 界面反应
———
4.界面反应
4.1界面过程 （1）界面的吸附和偏聚 （2）扩散和传质 （3）成核和生长 （4）界面化学反应
《金属基复合材料》PPT课件
2、高温金属基复合材料的研究
• 主要针对高性能发动机发展的需要。研究发动机滑轮盘、 转轴等关键部件的高性能耐高温结构材料。
3、金属基复合材料制备新工艺和新设备的研究
• 目前研究的重点是：真空液态金属浸渍、液态金属挤压铸 造、液态金属和颗粒共喷沉积、粉末热等静压工艺等。可 望解决批量制造性能稳定的金属基复合材料制件，并降低 成本。同时研究工艺因素对复合材料结构和性能的影响。
• 碳化硅晶须和颗粒增强铝基复合材料被用于制造战术坦克 的反射镜部件、轻型坦克的履带、空间激光镜等等。
h
9
Metal－Matrix
发展方向
1、大力研究发展颗粒增强的铝基、镁基复合材料。
• 国际ALCON公司已建成年产1.1万吨颗粒增强铝基复合材 料型材、棒材、锻材、铸锭以及零件的专业工厂。生产的 SiCp/Al（Mg）锭块单重达596公斤。
钢
7.8
1460
0.46
29
13.3
2070
210
超合金
8.3
1390
0.42
19
10.7
1100
210
Ta
16.6 2990
0.17
55
6.5
410
190
Sn
7.2
230
0.21
64
23.4
10
40
Ti
4.4
1650
0.59
7
9.5
1170
110
W
19.4 3410
0.13
168
Zn
6.6
390
0.42
h
2
Metal－Matrix
特点
1、比金属的比强度高，比刚度大 纤纤维维来增增强强金金属属基，复与合金材属料相多比数，足在由纤Vf维＝方20向%具-7有0%很的高高的强比度强和度高和模比量模的量。 特别是纤维增强镁、铝等，具有很显著的效果。
• 主要针对高性能发动机发展的需要。研究发动机滑轮盘、 转轴等关键部件的高性能耐高温结构材料。
3、金属基复合材料制备新工艺和新设备的研究
• 目前研究的重点是：真空液态金属浸渍、液态金属挤压铸 造、液态金属和颗粒共喷沉积、粉末热等静压工艺等。可 望解决批量制造性能稳定的金属基复合材料制件，并降低 成本。同时研究工艺因素对复合材料结构和性能的影响。
• 碳化硅晶须和颗粒增强铝基复合材料被用于制造战术坦克 的反射镜部件、轻型坦克的履带、空间激光镜等等。
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Metal－Matrix
发展方向
1、大力研究发展颗粒增强的铝基、镁基复合材料。
• 国际ALCON公司已建成年产1.1万吨颗粒增强铝基复合材 料型材、棒材、锻材、铸锭以及零件的专业工厂。生产的 SiCp/Al（Mg）锭块单重达596公斤。
钢
7.8
1460
0.46
29
13.3
2070
210
超合金
8.3
1390
0.42
19
10.7
1100
210
Ta
16.6 2990
0.17
55
6.5
410
190
Sn
7.2
230
0.21
64
23.4
10
40
Ti
4.4
1650
0.59
7
9.5
1170
110
W
19.4 3410
0.13
168
Zn
6.6
390
0.42
h
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Metal－Matrix
特点
1、比金属的比强度高，比刚度大 纤纤维维来增增强强金金属属基，复与合金材属料相多比数，足在由纤Vf维＝方20向%具-7有0%很的高高的强比度强和度高和模比量模的量。 特别是纤维增强镁、铝等，具有很显著的效果。
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。
复合材料概论第2章--复合材料的基体材料ppt课件
常见的陶瓷基体有：微晶玻璃、氧化物陶瓷、 非氧化物陶瓷等。
.
31
1 微晶玻璃
微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中 形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶 材料，又称为玻璃陶瓷。
微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相 的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中 了玻璃与陶瓷的特点。
碳化硼属于六方晶系。重量轻，硬度高（50GPa， 仅次于金刚石），耐磨性好，热稳定性好，耐酸。耐 碱性。可用作喷砂嘴，切削工具，高温热交换器、轻 型装甲陶瓷等。
B4C粉末一般用适量的碳还原氧化硼制得： B2O3+C→B4C
B4C陶瓷难以烧结，原因是烧成温度范围窄，温度 过低，烧结不致密，温度太高易导致B4C分解。
化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。
.
45
2 辅助剂：
（1）交联剂（引发剂、促进剂）
交联剂：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互键合 交联成网络结构的物质。 促进或调节聚合物分子链间共价键或离子键形 成的物质。也称为固化剂。(为什么要用交联剂？常用的交联剂，p25)
引发剂：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、 双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固 化和高分子交联反应。 （临界温度和半衰期，常用的引发剂，p26）
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42
碳化硼和碳化钛陶瓷 —碳化钛陶瓷
碳化钛结晶为面心立方晶格（NaCl型)。晶格常数为 0.4319nm，密度为4.93～4.9 g·cm-3 ，熔点为3160～ 3250℃，1.15K时TiC呈现超导特性，TiC莫氏硬度9～ 10，弹性模量322MPa，可用作耐磨材料。 TiC粉末制 取方法：
.
31
1 微晶玻璃
微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中 形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶 材料，又称为玻璃陶瓷。
微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相 的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中 了玻璃与陶瓷的特点。
碳化硼属于六方晶系。重量轻，硬度高（50GPa， 仅次于金刚石），耐磨性好，热稳定性好，耐酸。耐 碱性。可用作喷砂嘴，切削工具，高温热交换器、轻 型装甲陶瓷等。
B4C粉末一般用适量的碳还原氧化硼制得： B2O3+C→B4C
B4C陶瓷难以烧结，原因是烧成温度范围窄，温度 过低，烧结不致密，温度太高易导致B4C分解。
化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。
.
45
2 辅助剂：
（1）交联剂（引发剂、促进剂）
交联剂：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互键合 交联成网络结构的物质。 促进或调节聚合物分子链间共价键或离子键形 成的物质。也称为固化剂。(为什么要用交联剂？常用的交联剂，p25)
引发剂：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、 双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固 化和高分子交联反应。 （临界温度和半衰期，常用的引发剂，p26）
.
42
碳化硼和碳化钛陶瓷 —碳化钛陶瓷
碳化钛结晶为面心立方晶格（NaCl型)。晶格常数为 0.4319nm，密度为4.93～4.9 g·cm-3 ，熔点为3160～ 3250℃，1.15K时TiC呈现超导特性，TiC莫氏硬度9～ 10，弹性模量322MPa，可用作耐磨材料。 TiC粉末制 取方法：
金属基复合材料 (3)(共17张PPT)
功纤能维复 在合室材温料拉是伸除实具验有时某具些有烧特完殊全结功弹能性特的性应外力烧，—还应结有变一特定性力，学在性高能温要下求具预的有符很烧合高结材的料抗；蠕变能力，不会有烧什么缩塑性延伸。
高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久性也常常是重要的。 直接涂覆通常在较低温度下进行，或者虽然温度很高，但纤维与基体在高温下接触的时间极短，因而不必担心他们之间发生严重的化学反 应的危险。
• 二、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）：
• 三、压力加工法；
• 四、爆炸焊接法（特点是作用时间极短，材料几乎不加 热）。
第8页，共17页。
粉末冶金工艺过程
原料粉末
混合
其它添加剂
金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。 等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：
分硼为--铝：复一合、材连料续在浸研渍究法上。很重视。浸适 热处理 电镀 高温烧结 复压 精整 锻造 轧制 挤压 烧结
碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。 直接涂覆法用于制造长纤维复合材料，系将基体涂于纤维上而得，一般只能制造半成品—复合丝或无纬带。
在实验室中直接涂覆法常被用来制造供基础研究用的材料。 锻打 复烧 （浸油）热处理
天构件的理想Βιβλιοθήκη 料； 硼--铝复合材料在研究上很重视。
围又可分为低温、中温、高温三类； 又可分为：（1）、真空压力铸造法；
由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴向断裂延伸率小于1％，致使零件的加工制造在很多情况下是在复合材料热压过程中用易于 弯曲的预制板加工成最终形状的。
高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久性也常常是重要的。 直接涂覆通常在较低温度下进行，或者虽然温度很高，但纤维与基体在高温下接触的时间极短，因而不必担心他们之间发生严重的化学反 应的危险。
• 二、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）：
• 三、压力加工法；
• 四、爆炸焊接法（特点是作用时间极短，材料几乎不加 热）。
第8页，共17页。
粉末冶金工艺过程
原料粉末
混合
其它添加剂
金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。 等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：
分硼为--铝：复一合、材连料续在浸研渍究法上。很重视。浸适 热处理 电镀 高温烧结 复压 精整 锻造 轧制 挤压 烧结
碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。 直接涂覆法用于制造长纤维复合材料，系将基体涂于纤维上而得，一般只能制造半成品—复合丝或无纬带。
在实验室中直接涂覆法常被用来制造供基础研究用的材料。 锻打 复烧 （浸油）热处理
天构件的理想Βιβλιοθήκη 料； 硼--铝复合材料在研究上很重视。
围又可分为低温、中温、高温三类； 又可分为：（1）、真空压力铸造法；
由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴向断裂延伸率小于1％，致使零件的加工制造在很多情况下是在复合材料热压过程中用易于 弯曲的预制板加工成最终形状的。
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.
第16页/共104页
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密度小、弹性模量高，但室温脆性是致命弱点
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14
Ti - Al 系金属间化合物
低密度、高强度、高刚度、良好的高温性能、 抗蠕变和抗氧化性能。Ti-Al系金属间化合物 一般分 2-Ti3Al和 - TiAl两类。
但目前实用化的主要障碍有：1) 难以热压加工； 2) 严重的室温脆性。
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15
编辑ppt
4
金属基复合材料中，最早源于1963美国国家航空 和宇宙航行局成功研制出钨丝增强铜基复合材料， 之后又有SiC/Al、Al2O3/Al复合材料的报道研究。 1982年日本丰田公司率先报道Al2O3·SiO2/Al复合 材料在汽车发动机活塞上应用，开创了金属基复 合材料在民用产品的先例。
近年来，功能金属基复合材料和纳米金属基复合 材料成为了复合材料的研究热点。
高性能发动机则要求复合材料有高比强度和比模量，耐 高温性能。此时应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作 为基体材料。
第六章 金属基体复合材料
2011.05.01
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1
目标与要求
掌握常见的金属基体性能
掌握金属基复合材料基体的选择 原则
掌握金属复合材料的性能 掌握金属复合材料的制备方法 掌握铝基复合材料的性能、制备 了解铝基复合材料应用
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2
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。
在实际使用中，纯铝中常加入锌、铜、镁、锰等元素
形成合金。铝合金密度2.5～2.88g/cm3，熔点降低，与
掺如合金元素有关，都低于纯铝。
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7
2、镁和镁合金
镁密度1.74g/cm3，熔点650℃。镁的低温塑性较低。
镁的强度和模量都较低，但比模量和比强度高。镁的 化学性能活泼，在室温可以与大气中氧发生作用生成 氧化镁薄膜，抗腐蚀能力差。但在氢氟酸水溶液中和 碱类以及石油产品中具有较高的抗腐蚀能力。
二、金属基体材料的选择原则
基体材料成分的正确选择，对能否充分组合和 发挥基体金属和增强物的性能特点，获得预期的优 异综合性能满足使用要求十分重要。所以，在选择 基体金属时应考虑以下几方面：
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16
1、根据金属基复合材料的使用要求
使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。
在航天、航空技术中，要求高比强度和比模量以及尺寸 稳定性，宜选用密度小的轻金属合金（如镁合金和铝合金） 作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成复 合材料。
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9
3、钛及钛合金
钛 密度4.4 g/cm3，有两种晶形，-钛：六方密堆 积，低于885℃时稳定； -钛：体心立方，高于 885℃时稳定，熔点1678℃。
导热性好，热膨胀系数小。塑性好，延伸率可达
50～70％。力学性能明显高于铝和镁。化学性能
活泼，易与氧、氢、氮、碳发生化学反应形成稳
定的化合物，极难提炼。在海水中具有极高的抗
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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3
金属基复合材料相对于传统金属材料，具有较高 的比强度与比刚度；与树脂基复合材料相比，具 有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比， 具有高韧性和高冲击性能。
从复合材料的使用温度和比强度考虑，聚合物基 复合材料在室温附近具有优势，Al和Ti基等金属 基复合材料在中温区域、金属间化合物材料在高 温领域，而陶瓷基复合材料在更高温度具有优势。
加入钨、钼、钴、铬、铌等合金元素，使用温度可
达650～1000℃，具有较高的强度、良好的抗氧化
和抗燃气腐蚀能力，用于制造燃气涡轮发动机的燃
烧室等。用钨丝、钍钨丝增强镍基合金还可以大幅
度提高高温性能。
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12
5、铜及铜合金
密度8.94g/cm3，熔点1080℃。导电导热性好。 铜的塑性好，强度和弹性模量不高，热膨胀系 数大，容易铸造和加工。
310
70
Ti 4.4 1650 0.59
7
9.5
1170 110
Ni 8.9 1440 0.46 62
13.3
760
210
Cu 8.9 1080 0.38 391
17.6
340
120
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6
1、铝和铝合金
铝 面心立方点阵。第三周期第三主族元素，原子序
数为13，原子核最外层电子有3个。
密度2.72g/cm3，熔点660℃，导热和导电性能极好， 化学性质活泼，但在大气中具有很好的抗腐蚀性（酸 碱除外）。具有很高的塑性核较低的强度，加工性能 好。
铜在复合材料中的主要用途是作为铌基超导体 的基体材料。
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13
6、金属间化化物、铍化物 等），使用温度可达1600℃决定金属间化合物相结构的主 要因素有电负性、尺寸因素和电子浓度等
使用温度界于高温合金和高温结构陶瓷之间。根据其组成， A、B两元之间可形成AB、A2B、A3B、A5B3 、A7B6等化合 物；根据组成元素，可分为铝化物、硅化物和铍化物。
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5
6.1、常见的金属基体性能
金属 密度
(g/cm3)
熔点
/℃
比热容
/(J/g/℃)
热导率
/[W/(m∙℃ )]
热膨胀系 数/(10-6/℃)
抗拉强度 弹性模量
/(N/mm2) /(kN/mm2)
Mg 1.74 570 1.0
76
25.2
280
40
Al 2.72 580 0.96 171
23.4
目前常用的镁合金主要包括Mg--Mn，Mg--Al--Zn，
Mg--Cr等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合
材料的基体。
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8
镁和镁合金基体复合材料
铝、镁基复合材料用于450 ℃以下，属于低温复 合材料
主要是以合金的形式被广泛的应用。例如，用于 航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、 刹车盘等，并已形成工业规模生产。
腐蚀性。在室温下对不同浓度的酸、碱的抗腐蚀
性，但是不耐氢氟酸
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10
钛合金
通过添加不同的合金元素，可以改变钛同素异 形体的转变温度。添加铝、氧、氮、碳等元素， 可以扩大相区，称为稳定剂。添加钼、钒、 铌、钽等元素，可以扩大相区，所以称为稳 定剂
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11
4、镍及镍合金
密度8.9 g/cm3，熔点1455℃。有铁磁性和延展性， 导电和导热性能好，力学性能明显好于铝和镁。常 温下，在潮湿空气中表面形成致密的氧化膜，耐碱、 盐溶液。用来制造不锈钢和其他抗腐蚀合金，也作 加氢催化剂和用于陶瓷制品等。
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14
Ti - Al 系金属间化合物
低密度、高强度、高刚度、良好的高温性能、 抗蠕变和抗氧化性能。Ti-Al系金属间化合物 一般分 2-Ti3Al和 - TiAl两类。
但目前实用化的主要障碍有：1) 难以热压加工； 2) 严重的室温脆性。
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15
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4
金属基复合材料中，最早源于1963美国国家航空 和宇宙航行局成功研制出钨丝增强铜基复合材料， 之后又有SiC/Al、Al2O3/Al复合材料的报道研究。 1982年日本丰田公司率先报道Al2O3·SiO2/Al复合 材料在汽车发动机活塞上应用，开创了金属基复 合材料在民用产品的先例。
近年来，功能金属基复合材料和纳米金属基复合 材料成为了复合材料的研究热点。
高性能发动机则要求复合材料有高比强度和比模量，耐 高温性能。此时应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作 为基体材料。
第六章 金属基体复合材料
2011.05.01
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1
目标与要求
掌握常见的金属基体性能
掌握金属基复合材料基体的选择 原则
掌握金属复合材料的性能 掌握金属复合材料的制备方法 掌握铝基复合材料的性能、制备 了解铝基复合材料应用
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2
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。
在实际使用中，纯铝中常加入锌、铜、镁、锰等元素
形成合金。铝合金密度2.5～2.88g/cm3，熔点降低，与
掺如合金元素有关，都低于纯铝。
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2、镁和镁合金
镁密度1.74g/cm3，熔点650℃。镁的低温塑性较低。
镁的强度和模量都较低，但比模量和比强度高。镁的 化学性能活泼，在室温可以与大气中氧发生作用生成 氧化镁薄膜，抗腐蚀能力差。但在氢氟酸水溶液中和 碱类以及石油产品中具有较高的抗腐蚀能力。
二、金属基体材料的选择原则
基体材料成分的正确选择，对能否充分组合和 发挥基体金属和增强物的性能特点，获得预期的优 异综合性能满足使用要求十分重要。所以，在选择 基体金属时应考虑以下几方面：
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16
1、根据金属基复合材料的使用要求
使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。
在航天、航空技术中，要求高比强度和比模量以及尺寸 稳定性，宜选用密度小的轻金属合金（如镁合金和铝合金） 作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成复 合材料。
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9
3、钛及钛合金
钛 密度4.4 g/cm3，有两种晶形，-钛：六方密堆 积，低于885℃时稳定； -钛：体心立方，高于 885℃时稳定，熔点1678℃。
导热性好，热膨胀系数小。塑性好，延伸率可达
50～70％。力学性能明显高于铝和镁。化学性能
活泼，易与氧、氢、氮、碳发生化学反应形成稳
定的化合物，极难提炼。在海水中具有极高的抗
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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3
金属基复合材料相对于传统金属材料，具有较高 的比强度与比刚度；与树脂基复合材料相比，具 有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比， 具有高韧性和高冲击性能。
从复合材料的使用温度和比强度考虑，聚合物基 复合材料在室温附近具有优势，Al和Ti基等金属 基复合材料在中温区域、金属间化合物材料在高 温领域，而陶瓷基复合材料在更高温度具有优势。
加入钨、钼、钴、铬、铌等合金元素，使用温度可
达650～1000℃，具有较高的强度、良好的抗氧化
和抗燃气腐蚀能力，用于制造燃气涡轮发动机的燃
烧室等。用钨丝、钍钨丝增强镍基合金还可以大幅
度提高高温性能。
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12
5、铜及铜合金
密度8.94g/cm3，熔点1080℃。导电导热性好。 铜的塑性好，强度和弹性模量不高，热膨胀系 数大，容易铸造和加工。
310
70
Ti 4.4 1650 0.59
7
9.5
1170 110
Ni 8.9 1440 0.46 62
13.3
760
210
Cu 8.9 1080 0.38 391
17.6
340
120
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6
1、铝和铝合金
铝 面心立方点阵。第三周期第三主族元素，原子序
数为13，原子核最外层电子有3个。
密度2.72g/cm3，熔点660℃，导热和导电性能极好， 化学性质活泼，但在大气中具有很好的抗腐蚀性（酸 碱除外）。具有很高的塑性核较低的强度，加工性能 好。
铜在复合材料中的主要用途是作为铌基超导体 的基体材料。
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6、金属间化化物、铍化物 等），使用温度可达1600℃决定金属间化合物相结构的主 要因素有电负性、尺寸因素和电子浓度等
使用温度界于高温合金和高温结构陶瓷之间。根据其组成， A、B两元之间可形成AB、A2B、A3B、A5B3 、A7B6等化合 物；根据组成元素，可分为铝化物、硅化物和铍化物。
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5
6.1、常见的金属基体性能
金属 密度
(g/cm3)
熔点
/℃
比热容
/(J/g/℃)
热导率
/[W/(m∙℃ )]
热膨胀系 数/(10-6/℃)
抗拉强度 弹性模量
/(N/mm2) /(kN/mm2)
Mg 1.74 570 1.0
76
25.2
280
40
Al 2.72 580 0.96 171
23.4
目前常用的镁合金主要包括Mg--Mn，Mg--Al--Zn，
Mg--Cr等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合
材料的基体。
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镁和镁合金基体复合材料
铝、镁基复合材料用于450 ℃以下，属于低温复 合材料
主要是以合金的形式被广泛的应用。例如，用于 航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、 刹车盘等，并已形成工业规模生产。
腐蚀性。在室温下对不同浓度的酸、碱的抗腐蚀
性，但是不耐氢氟酸
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钛合金
通过添加不同的合金元素，可以改变钛同素异 形体的转变温度。添加铝、氧、氮、碳等元素， 可以扩大相区，称为稳定剂。添加钼、钒、 铌、钽等元素，可以扩大相区，所以称为稳 定剂
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4、镍及镍合金
密度8.9 g/cm3，熔点1455℃。有铁磁性和延展性， 导电和导热性能好，力学性能明显好于铝和镁。常 温下，在潮湿空气中表面形成致密的氧化膜，耐碱、 盐溶液。用来制造不锈钢和其他抗腐蚀合金，也作 加氢催化剂和用于陶瓷制品等。