金属基复合材料知识讲解

金属基复合材料
1、复合材料的定义和分类是什么？
定义：是由两种或多种不同类型、不同性质、不同相材料，运用适当的方法，将其组合成具有整体结构、性能优异的一类新型材料体系。

分类：按用途可分为：功能复合材料和结构复合材料。

结构复合材料占了绝大多数。

按基体材料类型分类可分为：聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料（包括陶瓷基复合材料、水泥基复合材料、玻璃基复合材料）按增强材料形态可分为：纤维增强复合材料（包括连续纤维和不连续纤维）、颗粒增强复合材料、片材增强复合材料、层叠式复合材料。

3、金属基复合材料增强体的特性及分类有哪些？
增强物是金属基复合材料的重要组成部分，具有以下特性：1）能明显提高金属基体某种所需特性：高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等，以便赋予金属基体某种所需的特性和综合性能；2）具有良好的化学稳定性：在金属基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显的变化和退化；3）有良好的浸润性：与金属有良好的浸润性，或通过表面处理能与金属良好浸润，基体良好复合和分布均匀。

此外，增强物的成本也是应考虑的一个重要因素。

分类：纤维类增强体（如：连续长纤维、短纤维）、颗粒类增强体、晶须类增强体、其它增强体(如：金属丝)。

4、金属基复合材料基体的选择原则有哪些？ 1）、金属基复合材料的使用要求；2）、金属基复合材料组成的特点；3）、基体金属与增强物的相容性。

5、金属基复合材料如何设计？
复合材料设计问题要求确定增强体的几何特征（连续纤维、颗粒等）、基体材料、增强材料和增强体的微观结构以及增强体的体积分数。

一般来说，复合材料及结构设计大体上可分为如下步骤：1）对环境与负载的要求：机械负载、热应力、潮湿环境 2）选择材料：基体材料、增强材料、几何形状 3）成型方法、工艺、过程优化设计 4）复合材料响应：应力场、温度场等、设计变量优化 5）损伤及破坏分析：强度准则、损伤机理、破坏过程
6、金属基复合材料制造中的关键技术问题有哪些？
1）加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应。

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。

2）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。

3）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。

7、金属基复合材料的成形加工技术有哪些? 1）铸造成型，按增强材料和金属液体的混合方式不同可分为搅拌铸造成型、正压铸造成型、铸造成型。

2）塑性
成形，包括铝基复合材料的拉伸塑性、金属基复合材料的高温压缩变形、铝基复合材料的轧制塑性、铝基复合材料的挤压塑性、金属基复合材料的蠕变性能、非连续增强金属基复合材料的超塑性（包括组织超塑性、相变超塑性、其他超塑性）。

3）连接，具体又可分为：应用于MMCs 的常规连接技术（包括熔融焊接、固相连接、钎焊、胶粘），新型MMCs 连接技术（包括等离子喷涂法、快速红外连接法(RIJ )），机械切削加工（包括5.4.1 SiCw/Al复合材料的切削加工、（Al3Zr+Al2O3）P/ZL101A原位复合材料的切削加工）。

8、金属基复合材料的各种界面结合机制？
1）机械结合：基体与增强物之间纯粹靠机械连接的一种结合形式，由粗糙的增强物表面及基体的收缩产生的摩擦力完成；2）溶解和润湿结合：基体与增强物之间发生润湿，并伴随一定程度的相互溶解而产生的一种结合形式；3）反应结合：基体与增强物之间发生化学反应，在界面上形成化合物而产生的一种结合形式；4）交换反应结合：基体与增强物之间，除发生化学反应在界面上形成化合物外，还有通过扩散发生元素交换的一种结合形式；5）氧化物结合：这种结合实际上是反应结合的一种特殊情况；6）混合结合：这种结合是最重要、最普遍的结合形式之一，因为在实际的复合材料中经常同时存在几种结合形式。

9、影响金属基复合材料性能的关键因素?损伤及失效机制？
性能影响因素：基体影响、增强体影响、基体和增强体相容性的影响、工艺的影响、界面的影响。

金属基复合材料的损伤与失效通常包括三种形式：增强相的断裂导致的基体塑性失效，增强相和基体之间界面的脱开导致的基体塑性失效，基体内孔洞的成核、长大与汇合导致的基体塑性失效。

10、金属基复合材料的应用及发展趋势？制约其应用的关键问题？
金属基复合材料自进入工业应用发展阶段以来，逐步拓宽了应用范围，大体有以下应用：1）在航天领域的应用：连续纤维增强金属基复合材料在航天器上的应用，铝基复合材料在导弹中的应用，铝基复合材料在航天领域的其他应用；2）在汽车工业上的应用：在内燃机方面的应用，在制动系统上的应用；3）在电子封装领域的应用。

其发展趋势集中在以下方面：完善非连续增强金属基复合材料体系，重点发展高性能低成本非连续增强金属基复合材料，开展非连续增强金属基复合材料制备科学基础和制备工艺方法研究，开展非连续增强金属基复合材料热处理技术的研究，开展非连续增强金属基复合材料高温塑性变形和高速超塑性研究，开展非连续增强金属基复合材料的机械加工研究，开展非连续增强金属基复合材料在不同环境下的行为研究，开展非连续增强金属基复合材料的连接技术研究。

有许多因素与金属基复合材料（MMCs ）的大规模应用相关联，原材料制备方法、二次加工、回收能力、质量控制技术等都制约着MMCs 的应用。

从MMCs 在汽车和航空、航天领域中的应用来看，应用成本是主要的制约因素，而增强体的成本高是造成复合材料应用成本居高不下的主要原因。

具体关键问题有：增强体的选择问题、生产数量、局部增强手段、二次加工性能、回收能力、质量控制体系。

11、什么是SHS法原位生成技术，举例说明其过程。

其基本原理是：将增强相的组分原料与金属粉末混合，压坯成型，在真空或惰性气氛中预热引燃，使组分之间发生放热化学反应，放出的热量、引起未反应的邻近部分继续反应，直至全部完成。

反应生成物即为增强相呈弥散分布于基体中，颗粒尺寸可达亚微米级。

其典型工艺为：利用合金熔体的高温引燃铸型中的固体SHS系，通过
控制反应物和生成物的位置，在铸件表面形成复合涂层，它可使SHS材料合成与致密化、铸件的成形与表面涂层的制备同时完成。

潘复生等人将SHS技术和铸渗工艺相结合，制备了颗粒增强的铁基复合材料涂层。

在这种工艺中，SHS 过程使基体产生一定数量的增强颗粒，而随后的熔铸过程则利用高温金属液的流动，对SHS过程中易产生的孔隙进行充填，因此两个过程的综合作用下获得较为致密的复合材料。

12、什么是LSM法原位生成技术，举例说明其过程。

其基本原理是将含有Ti和B的盐类（如KBF4和K2TiF6）混合后，加入到高温的金属熔体中，在高温作用下，所加盐中的Ti和B就会被金属还原出来而在金属熔体中反应形成TiB2增强粒子，扒去不必要的的副产物，浇注冷却后即获得了原位TiB2增强的金属基复合材料。

13、金属基复合材料的界面优化和控制途径有哪些？
1）对增强材料进项表面涂层处理：在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应阻挡层的作用；2）选择金属元素：改善基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应，尽量选择避免易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素；3）优化制备工艺和参数，金属基复合材料的界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应发应的有效途径。

14、汽车、摩托车的刹车盘原来采用铸铁材料，查找相关资料并结合你的思考，分析其工作条件和提出其性能要求，然后指出你选用或设计何种复合材料并说明，最后提出你的制备思路。

汽车、摩托车的刹车盘工作在高温、高压
下，摩擦的条件下，磨损非常严重。

因此刹车盘应该具有耐磨、耐高温（良好的导热性）、抗疲劳性等性能。

综合其工作条件及满足其性能要求，我们可以选用颗粒增强型铝基复合材料。

选用的增强体颗粒是SiCP，制备方法为真空压力浸渍法。

因为颗粒增强铝，得到的材料具有耐一定的高温，耐磨，导热性好，抗疲劳性好的优点。

制备思路：同下图
15、集成电路现在应用广泛，现在集成电路现在越来越来越高，功率越来越大，为保证其可靠性，查找相关资料并结合你的思考，分析其工作条件和提出其性能要求，然后指出你选用和设计何种复合材料并说明理由，最后提出你的制备思路。

集成电路长时间高负荷运转，因此本身处于较高温度条件下，因此需要寻找高导热系数的材料作为分装基材，但这种材料还需要同时满足与电路硅片及基绝缘陶瓷基板的热膨胀系数（CTE）相匹配的要求，否则会因热失配形成残余应力损害电路。

因此可以选用真空压力浸渍法进行了碳化硅颗粒增强铝封装器件。

基体是铝，增强颗粒是碳化硅。

这种铝基复合材料导热系数高，并且能与电路硅片和基绝缘陶瓷基板热膨胀系数相匹配，满足集成电路所需要的性能要求。

1.内生增强的金属基复合材料具有如下特点（第5页）：
1）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，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。

2）通过合理
选择反应元素（或化合物）的类型、成分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量。

3）省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，因此，其工艺简单，成本较低。

4）从液态金属基体汇总原位形成增强体的工艺，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的近净成形构件。

5）在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。

2.金属基复合材料特性（第5页）：高比强度，高比模量良好的导电导热性能
热膨胀系数小，尺寸稳定性好良好的高温性能耐磨性能好
良好的疲劳性能和断裂韧度不吸潮，不老化，气密性好
1.增强体的作用（第8页）增强体是金属基复合材料的重要组成部分，它起着提高金属基体的强度、模量、耐热性、耐磨性等性能的作用。

2.选择增强体的主要考虑因素（5个）（原则）（1）力学性能：杨氏模量和塑性强度；（2）物理性能：密度和热扩散系数；（3）几何特性：形貌和尺寸；（4）物理化学相容性；（5）成本因素。

3.制造碳纤维需要经历的5个阶段：（第12页）
(1)拉丝：可用湿法、干法或者熔融状态三种任意一种； (2)牵伸：在室温以上，通常是100～300℃范围内进行； (3)稳定：通过400℃加热氧化的方法； (4)碳化：在1000～2000℃范围内进行； (5)石墨化：在2000～3000℃范围内进行。

4.溶胶-凝胶法的特点（第18页）优点：
制品的均匀度高，尤其是多组分的制品，其均匀程度可达分子或原子水平；制品纯度高，而且溶剂在处理过程中容易被除去；烧结温度比传统方法低
400~500℃；制备的氧化铝纤维直径小，因而抗拉强度有较大提高；溶胶－凝胶法工艺简单，可设计性强，产品多样化，是一种很有发展前途的制备无机材料的方法。

5.晶须的分散技术有哪些？（第21页）
球磨分散、超声分散、溶胶凝胶(sol –gel)法分散以及分散介质选择、pH值的调整等。

1.分析论述金属基复合材料的可设计性（为什么复合材料具有可设计性）（1）复合材料是由增强体、基体、界面三部分组成。

（2）基体和增强体材料是可以选择的，比如增强体的大小、形貌、分布等都会造成所制备复合材料性能的不同。

（3）此外，选择不同的制备工艺和成型工艺也会影响复合材料性
能。

综上，设计者可以根据外部环境的变化与要求来设计具有不同特性与性能的复合材料。

2.复合材料的设计主要包含哪几部分？（第28页）功能设计、结构设计和工艺设计
3.选择基体的原则（第29页）：金属基复合材料的使用要求金属基复合材料组成的特点基体金属与增强物的相容性
4.功能复合材料调整优值的途径（第38页）：
（1）调整复合度（2）调整联接方式（3）调整对称性（4）调整尺度（5）调整周期性
5.复合效应包括（第39页）：什么是乘积效应乘积效应、系统效应、诱导效应和共扼效应
乘积效应：在复合材料两组分之间产生可用乘积关系表达的协同作用。

6.热膨胀系数以及表达公式（第54页）定义：表征材料受热时线度或体积变化程度。

表达公式:线膨胀系数：体膨胀系数：
式中，L为材料的线度，T为材料的热力学温度，V为材料的体积。

7.提高或改善金属基复合材料的阻尼性能可以采用的方法（第59页）
（1）用高阻尼基体金属（2）用高阻尼增强物（3）设计高阻尼界面
1.金属基复合材料制备方法分类（第60页）
固态法：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：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。

表面复合法：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。

2.制备技术应具备的条件（60页）
(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体金属的增强、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.
3.金属基复合材料制造的关键性技术及解决方法（第61页）（与成形对照）
1)加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应; 解决方法：①尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应降低至最低程度；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。

2)增强材料与基体浸润性差; 解决方法：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；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。

3)增强材料在基体中的分布。

解决方法：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)
4.热压和热等静压技术基本原理（第62页）
热压法和热等静压法亦称扩散粘接法，是加压焊接的一种，因此有时也称扩散焊接法。

它是在较长时间的高温及不大的塑性变形作用下依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。

扩散粘接过程可分为三个阶段：①粘接表面之间的最初接触，由于加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜（通常是氧化膜）破坏；②随着时间的进行发生界面扩散和体扩散，使接触面粘接；③由于热扩散结合界面最终消失，粘接过程完成。

影响扩散粘接过程的主要参数：温度、压力和一定温度及压力下维持的时间，其中温度和气氛最为重要.
5.液态制造技术的种类（举几例说明）（第65页）（给两三个空让填种类）：真空压力浸渍技术、挤压铸造技术、液态金属搅拌铸造技术、液态金属浸渍技术、共喷沉积技术、热喷涂技术。

6.液态金属搅拌铸造技术的特点、技术问题（第67页）特点：工艺简单，制造成本低廉。

存在问题：一是为了提高增强效果要求加入尺寸细小的颗粒，10～30μm之间的颗粒与金属熔体的润湿性差，不易进入和均匀分散在金属熔体中，易产生团聚；二是强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量吸入空气。

因此必须采取有效的措施来改善金属熔体对颗粒的润湿性，防止金属的氧化和吸气等。

注意事项及措施：（1）在金属熔体中添加合金元素. 合金元素可以降低金属熔体的表面张力。

（2）颗粒表面处理. 比较简单有效的方法是将颗粒进行高温热处理，使有害物质在高温下挥发脱除。

（3）复合过程的气氛控制由于液态金属氧化生成的氧化膜阻止金属与颗粒的混合和润湿，吸入的气体又会造成大量的气孔，严重影响复合材料的质量，因此要采用真空、惰性气体保护来防止金属熔体的氧化和吸气。

（4）有效的机械搅拌。

强烈的搅动可使液态金属以高的剪切速度流过颗粒表面，能有效改善金属与颗粒之间的润湿性，促进颗粒在液态金属中的均匀分布。

7.共喷沉积技术（第71页）
工艺过程：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。

特点：适用面广；生产工艺简单、效率高；冷却速度快；颗粒分布均匀；复合材料中的气孔率较大
8.原位自生成技术（72页），尤其是熔体直接反应法（第80页）（方程式问题、熔体直接反应法的特点、工艺过程、问题）熔体直接反应法：
实例：熔体原位反应合成(Al3Zr+Al2O3)铝基复合材料反应式：
3Zr(CO3)2+13Al(l)→6CO2↑+3Al3Zr+2Al2O3
特点：(1)该工艺以现有的铝合金熔炼工艺为基础，在熔体中直接形成增强颗粒，并且可以直接铸造成各种形状的复合材料铸件； (2)增强体颗粒大小和分布易于控制，并且其数量可在较大范围内调整; (3)该工艺可同时获得高强度、高韧性的复合材料。

制备工艺过程(基本原理):将含有增强相颗粒形成元素的固体颗粒或粉末在某一温度下加到熔融的铝合金表面，然后搅拌使反应充分进行，从而制备内生颗粒增强的复合材料。

2.铸造成形的技术问题以及如何解决（第86页）（1）增强颗粒与金属熔体的润湿性解决方法：①增强颗粒表面涂层②金属基体中加入某些合金元
素③用某些盐对增强颗粒进行预处理④对增强颗粒进行超声清洗或预热处
理（2）增强颗粒分布均匀性解决方法：调整提高金属熔体粘度，减小增强颗粒的粒径。

通常金属熔体的黏度是通过添加合金元素来提高的，但粘度增大会导致复合材料存在气体及夹杂物不易排出的问题。

（3）增强颗粒与基体金属的界面结构解决方法：选择合适的增强颗粒与金属基体组合，是保证界面结合良好的重要途径。

（4）PRMMC 的凝固过程研究复合材料凝固过程中颗粒被生长界面推移的距离，对分析颗粒分布的均匀性更为合理。

3.铝基复合材料的挤压塑性（92页）
影响挤压成型的的主要因素：润滑剂、挤压温度、挤压比、挤压速度、SiC颗粒的体积分数、热挤压对颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响。

4.超塑性的定义以及超塑性变形过程中组织变化的特点（95页）超塑性又分为组织超塑性、相变超塑性和其他超塑性。

（1）组织超塑性：又称细晶超塑性或恒温超塑性。

指材料晶粒通过细化、超细化和等轴化，在变形期间保持稳定，在一定变形温度区间（T>0.5Tm）和一定变形速度条件下(应变速率在10-4～10-1之间)所呈现出的超塑性。

（2）相变超塑性：又称为转变超塑性或变态超塑性。

是材料在变动频繁的温度环境下受应力作用时经多次循环相变或同素异形转变而得到的很大的变形量。

（3）其他超塑性：其他超塑性主要包括短暂超塑性、相变诱发超塑性以及消除应力退火过程中，应力作用下积蓄在材料内能量释放获得的超塑性。

超塑性变形过程中组织变化特点：（1）晶粒形状与尺寸的变化（2）晶粒的滑动、转动和换位（3）晶粒折皱带（4）位错（5）空洞
5.道具的磨损机理（第110页）、刀具模型（112页、114页）
道具磨损机理：①磨粒磨损；②粘结磨损；③扩散磨损；④氧化磨损。

道具模型：
1.关于界面的不稳定性因素的物理不稳定性和化学不稳定分别指什么？（135页）金属基复合材料的界面不稳定因素有两类：物理不稳定因素和化学不稳定因素。

物理不稳定因素：这种不稳定因素主要表现为基体与增强物之间在使用的高温条件下发生溶解以及溶解与再析出现象。

化学不稳定因素：化学不稳定因素主要是复合材料在制造、加工和使用过程中发生的界面化学作用，它包括界面反应、交换反应和暂稳态界面的变化几种现象。

1.金属基复合材料性能的影响因素有哪些？（以TiB2/Al复合材料为
例） 1)TiB2的体积分数、颗粒大小、分布、颗粒形貌等；Al基体的成分配比 2)制备工艺：内生还是外加 3)成形工艺：塑性成形等 4)后序处理：挤压锻等 5)服役条件等
1.长纤维增强金属基复合材料的失效机制是什么？（第205页）
累积失效机制、非累积失效机制（接力失效机制、脆性粘性失效机制、最弱环节机制）、混合失效机制
2.原位拉伸的特点、作用；裂纹的产生、长大和扩展（会用文字描述或者作图）补充：强化机制怎么没有考~~
1.金属基复合材料在哪些领域应用（2~3个例子）（207页） 1)金属基复合材料在航天领域的应用（连续纤维增强金属基复合材料在航天器上的应用；铝基复合材料在导弹中的应用）
2)金属基复合材料在航空领域的应用 3)在汽车工业上的应用（在内燃机方面的应用；在制动系统上的应用；有传动系统上的应用） 4)在电子封装领域的应用2.金属基复合材料的再生与回收的方法与目的（第218页）
颗粒增强Al基复合材料再生的工艺方法，主要采用重熔后重新复合的方法，控制重熔时的温度、保温时间等工艺参数，以及采取有效的措施控制颗粒与基体的界面反应和凝固过程。

同时采用二次加工和热处理的方法，使其性能不降低，从而达到PRMMCs的再生利用。

3.Al4C3相的特点、强度以及其他物理化学性能；SiO2呢？（第219页）
Al4C3析出于增强体与基体的界面上，使界面结合强度降低，降低了熔体的流动性，增大了复合材料的环境敏感性，同时， Al4C3的含量对复合材料的刚。