金属基复合材料的部分应用-李丰解析
9第九章 金属基复合材料的应用与发展趋势PPT课件
24.09.2020
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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。
金属基复合材料在航空航天中的应用
金属基复合材料在航空航天中的应用金属基复合材料指的是，由金属和合金共同构成的复合型材料。
与聚合物基和陶瓷基复合材料共同被称为现代复合材料。
按照金属和合金的配置不同，可以被分为铝基、镁基、铜基等复合材料。
其中的铝基复合材料应用性能相对较好，为此被大量应用到航空制造，汽车产业和电子工业中。
该种材料最初产生于20世纪60年代。
但在当时的航空事业发展中，由于技术水平限制，并不能保证对新技术和新材料的有效应用。
而在科技水平不断发展的基础上，金属基复合材料才得以被应用到各类生产活动中。
一、在导弹中的应用铝基复合材料在导弹制造中的应用，集中表现在对三叉戟导弹的惯性导向球方面，与以往的铍材相比，表现出了良好的经济优势与性能优势。
从当前的国际市场来看，导弹制造行业的竞争较为激烈，制造公司为了取得竞争优势就需要根据用户的使用需求，对导弹的性能进行改进，使其寿命和全寿命周期得到有效提升。
而对于铝基复合材料的应用，为导弹技术的改进提供了可能。
主要表现在通过替换原有的应用材料可以使导弹的重要结构性能得到明显改善。
就导弹的壁板结构来说，利用铝基复合材料代替原有的壁板材料，可使其自身重量得到有效降低，同时还可使壁板结构的刚度和强度性能得到有效改善。
另外，因结构自重的减轻，也可使导弹的运行速度得到进一步提升。
材料使尾翼和弹翼刚性增强，可减少颤动与弹头偏转，从而改善导弹的制导与精度。
因此，为了适应导弹速度、制导和精度等性能的改进，需开发和应用新材料。
多年来，英国国防部投资，英国国防评估研究局与马特拉BAe动力公司研究了铝基复合材料在导弹零部件中的应用，取得了一些成效。
铝基复合材料适宜制造弹体、尾翼、弹翼、导引头组件、光学组件、推进器组件、制动器组件、发射管、三角架和排气管等导弹零部件。
目前，他们已完成第一阶段、第二阶段计划，正在实施近期研究计划，并制定了未来的研究计划。
二、铝基复合材料在航天制造中的应用美国佛罗里达州的一个材料公司最近开发成功一种新型非连续增强的高强度、高耐热性铝合金复合材料，该合金基复合材料是以Al-Mg-Sc-Gd-Zr成份合金为基体，具有优异的常温强化和低温强化能力。
金属复合材料
金属基复合材料论金属基复合材料（MMC），这一术语包括很广的成分与结构，共同点是有连续的金属基体（包括金属间化合物基体）。
现代科学技术对现代新型材料的强韧性，导电、导热性，耐高温性，耐磨性等性能都提出了越来越高的要求。
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。
这些优良的性能决定了它从诞生之日起就成了新材料家庭中的重要一员。
它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大一、金属基复合材料分类通常，金属基复合材料根据增强相、基体种类或材料特性进行分类。
由于金属基复合材料的特性，特别是力学性能与增强相的形态、体积分数、取向，以及分散等直接相关，故多采用增强相对复合材料进行分类。
但是，具有两种以上的增强相的混合复合材料是很难包括在增强相分类复合材料中的。
例如，采用晶须和颗粒两种增强材料的复合材料。
随着新型复合材料的不断开发，其分类的界线将变得模糊。
1.1. 按用途分类：⑴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。
⑵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⑶智能复合材料则强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。
1.2.按增强材料形态分类可分为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。
1.3.按金属基体分类可分为铝基复合材料，钛基复合材料、镁基复合材料、高温合金复合材料和金属间化合物复合材料。
1.4.按增强体类型分类则可分为单片、晶须（或者纤维）和颗粒二、金属基复合材料的制备2.1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。
牛基烨-3110706041-金属基复合材料的应用前景及发展趋势
金属基复合材料的应用前景及发展趋势牛基烨 31107060411前言随着近代高新技术的发展，对材料不断提出多方面的性能要求，推动着材料向高比强度、高比刚度、高比韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展。
复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题,推进了材料的进展。
复合材料(Composite Materials)是为达到预期的使用特性将不同性质的两种或两种以上材料结合为一体而设计制造的新材料。
金属基复合材料是近年来迅速发展起来的高性能材料之一，对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用。
相信随着科学技术的不断发展，新的制造方法的出现,高性能增强物价格的不断降低，金属基复合材料在各方面将有越来越广阔的应用前景。
金属基复合材料(MMCs即Metal matrix composites)是以金属、合金或金属间化合物为基体，含有增强成分的复合材料。
其目标是解决航空、航天、电子、汽车、先进武器系统等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要，它在60年代末才有了较快的发展，是复合材料一个新的分支。
目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟，但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高，同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导电性和导热性以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点，成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料。
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。
但是，由于金属基复合材料的塑性很差，室温下的延伸率一般都低于10%，即使是在高温下，采用普通的成型工艺其延伸率也没有明显的提高。
这使得金属基复合材料制作工艺复杂、成本昂贵。
所以在发展规模上一直落后于树脂基复合材料。
目前只有极少几种有应用前景，多数仍处在研究开发阶段。
2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。
金属基复合材料及其在发动机制造中的应用
收稿日期:2005201214;修回日期:2005203207作者简介:李永祥(1960-),男,山西省长治市人,河南工业大学机电工程学院副教授,西北工业大学在读博士研究生,主要从事机械设计、材料应用等研究工作.金属基复合材料及其在发动机制造中的应用李永祥,毕晓勤(河南工业大学机电工程系,河南郑州 450052) 摘要:简要概述了金属基复合材料的性能和制备方法,重点综述了其在发动机制造中的应用状况,实例表明该类先进材料在汽车工业应用方面具有广阔的前景。
关键词:金属基复合材料;制备;应用;活塞;连杆;气缸体中图分类号:TB333 文献标识码:A 文章编号:100122222(2005)022******* 材料、能源、信息被称为现代科学技术的3大支柱,随着材料科学技术的发展,各种性能优良的新材料不断出现,并得到了越来越广泛的应用。
复合材料就是其中最为突出的一类。
由于复合材料可以根据工程结构对性能的要求来进行设计,把两种或两种以上不同的材料组合在一起,得到单一材料无法比拟的优越的综合性能,具有很大的灵活性,因此发展非常迅速[1]。
金属基复合材料(MMC )是复合材料中的一类重要材料,自20世纪60年代问世以来,经过近40a 的研究开发,以其高强度、高耐磨性受到世界各国的重视[2]。
汽车工业做为目前消耗金属材料最多的行业之一,在最近10a 中越来越多地应用了MMC [3]。
据美国康涅狄格州诺沃克的商务通(BCC )公司的一份报告指出[4],1999年全球MMC 市场销量达2500t ,其总价值达1.027亿美元,其中包括Al ,Cu ,Ni 基高温合金、难熔金属和颗粒增强Ti 基复合材料以及长、短(粗、细)纤维等;BCC 公司预计到2004年MMC 市场将增至4900t (总值达1.733亿美元),增长率达14.1%,其中运输业将占有市场最大份额,并有望达到3400t ,年均增长率为17%。
由此可见,MMC 在快速发展的汽车工业领域展示出了日益广阔的应用前景。
第五章 金属基复合材料(MMC)
1.界面溶解与析出
具有第II类界面的复合材料在制备过程 和高温使用过程中，增强材料与金属基 体在界面会发生互相溶解，也可能发生 溶解后析出现象，因此采取适当的措施 使增强材料减少发生严重损伤的溶解， 就可以提高复合材料的性能稳定性。
界面溶解的防止
涂覆 加入合金元素减小溶解度 粉末冶金制备的w丝／Ni复合材料，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。为此，可采用钨丝涂覆阻挡层或在 镍基合金中添加少量台金元素，如钛和铝，可 以起到一定的防止钨丝溶入镍基台金的作用。
1、喷涂沉积
喷涂沉积(spray deposition)主要 原理是以等离子 体或电弧加热金 属粉末或金属线、 丝，甚至增强材 料的粉末，通过 喷涂气体喷涂沉 积到沉积基板上。
2、喷射沉积（Ospray）
将基体金属熔炼后， 在压力作用下通过喷咀 送入雾化器，在高速惰 性气体外流的作用 下．液态金属被分散为 细小的液滴，形成“雾 化锥”，同时通过一个 或多个喷咀向“雾化锥” 喷入增强颗粒，使之与 金属液滴一齐在一基板 上沉积并快速凝固形成 颗粒增强金属基复合材 料。
常用钛合金的性能
三、镁及镁合金
特点：密度1.74g/cm3
由于其密度低，比强度、比刚度较高， 镁具有密排六方结构，室温和低温塑性较低， 但高温塑性好可进行各类形式的热变形加工。 减震性能好，能承受较大的冲击振动负荷
四、金属间化合物
具有反常的温度 强度效应 脆性很大
第三节 MMC制备工艺
普通压铸工艺过程
将包含有增强材料的金属熔体倒入预热模 具中后迅速加压，压力约为70—l00MPa， 使液态金属基复合材料在压力下凝固。待 复合材料完全固化后顶出，即制得所需形 状及尺寸的金属基复合材料的坯料或压铸 件。
《金属基复合材料》第二章,界面及相容性
2.2 Definition of interface （界面的定义）
It is a micro-region between matrix and reinforcements where the chemical composition is changed markedly and load can be transferred. It is a new phase which has a certain thickness and structure of which has obvious difference as compared to reinforcement or matrix. So called interfacial phases.
Type of interfacial binding force：(界面结合力有三类) 1) Mechanical combining force —— Friction，
(机械结合——摩擦力)
2) Physical combining force —— Vanderwaals force and hydrogen bond，(物理结合——范德华力和氢键)
metal matrix composite materials cannot be considered in isolation, they are mutually related. Chemical interactions and reactions between the matrix and the reinforcement component determine the interface adhesion, modify the characteristics of the composite components and affect the mechanical characteristics significantly. In high temperature use of MMCs the microstructure has to remain stable for long service periods. Thermal stability and failure is determined by changes in the microstructure and at the interfaces, e.g. reaction and precipitation processes. Thermal stress of MMCs can take place both isothermally and cyclically. The effects show differences. During a cyclic load of monolithic materials, especially at high temperature gradients and cycle speeds, a high probability of failure by thermal fatigue is to be expected, e.g. short-fiber reinforced aluminum alloys possess good thermal shock stability. The formation of the interface between the matrix and the reinforcing phase has a substantial influence on the production and characteristics of the metallic composite materials. The adhesion between both phases is usually determined by the interaction between them. During the production of the molten matrix e.g. by infiltration, wettability becomes significant.
金属基复合材料
4、应用
➢ MMCs在陆上运输领域的应用
MMCs进入汽车行业的动力是它耐磨性和耐热性高、重 量轻的优点，因此MMCs主要用于需要减轻重量的刹车系统 和发动机系统。
碳化硅和氧化铝加强MMCs 制造的刹车转子重量仅为一 般材料的33 %～60 %，同时， 这种刹车转子具有卓越的耐 磨性，其使用期限甚至可以 与车本身的寿命一样长。
AlSiC微处理器盖板(a), AlSiC光电封装基座(b)
4、应用
➢ MMCs在航空航天领域的应用
MMCs最初发展的原动力来自于航空工业领域。
目前已用于军机和民机的MMCs主要是铝基和钛基复合 材料。NASA和DOD均在投资开发钛基复合材料(TMC)喷气涡 轮发动机。
MMCs 也用在航天飞机和火箭上。NASA采用硼连续纤 维增强的MMCs制成管材, 用作航天飞机的结构桁条, 性能 十分优越。
MMC的发展和应用
目录
MMC概述 MMC的性能特点
MMC的发展
MMC的应用
1、概述
1、金属基复合材料
金属基复合材料（Metal Matrix Composite，简称 MMC）是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非 金属增强相人工结合而成的复合材料。
其增强体大多为 无机非金属，如 陶瓷、炭、石墨 及硼，也可以用 金属丝。
➢ 涡轮发动机的各个部件对于高温高效性材料的不断需求， 触发了对金属基复合材科特别是钛基材料的广泛兴趣的复 苏。
➢ 近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。
4、应用
据预测, 2013年以前全球MMCs市场将保持5.9%的 年增长率。根据应用领域不同, MMCs市场可细分为陆上 运输、电子/热控、航空航天、工业、消费产品等5个部 分。其中, 陆上运输(包括汽车和轨道车辆)和高附加值 散热组件仍然是MMCs的主市场, 用量占比分别超过60% 和30%。
贵金属多功能复合材料的研究与应用
贵金属多功能复合材料的研究与应用复合材料是由两种或两种以上不同物质经过物理或化学方法结合而成的新型材料，具有独特的性质和优异的性能，在现代工业和科技领域有着广泛的应用。
贵金属材料是指含有黄金、银、铂等贵金属元素的合金或纯金属材料，具有高的化学惰性、良好的导电性及导热性、优秀的稳定性等优良特性，是工业制备中不可缺少的材料之一。
而将贵金属与复合材料相结合，则可以得到贵金属多功能复合材料，具有更加广泛的应用前景。
一、贵金属多功能复合材料的研究进展1. 合成方法贵金属多功能复合材料的合成方法主要有几种：溶胶-凝胶法、电化学沉积法、光化学还原法和微波合成法等。
其中，溶胶-凝胶法由于其制备工艺简单、控制性好等优点，目前应用较为广泛。
使用该法的研究团队，根据复合材料内部结构特点，将贵金属纳米颗粒先后沉积在支撑物上，焙烧制得复合材料。
2. 结构特点贵金属多功能复合材料具有特殊的结构特点，通常含有支撑剂和贵金属纳米颗粒两种成分。
其中，支撑剂材料的种类和形态不同，决定了复合材料的结构和性能，贵金属纳米颗粒则是复合材料的重要功能部分。
3. 应用领域贵金属多功能复合材料具有广泛的应用领域，主要包括电化学储能、催化、传感器等领域。
在电化学储能领域，贵金属多功能复合材料可以用于太阳能电池、锂离子电池等器件制备中，可以提高器件的效率、寿命和稳定性。
在催化领域，贵金属多功能复合材料可以应用于有机合成、环保清洁等方面，具有比传统贵金属催化剂更高的催化活性和选择性。
在传感器领域，贵金属多功能复合材料可以用于气体传感器、光学传感器等研究，可以提高传感器的灵敏度和可靠性。
二、贵金属多功能复合材料的应用案例1. 电化学储能领域贵金属多功能复合材料可以应用于太阳能电池、锂离子电池等器件制备中，以下是其中一个例子。
孟加拉国一家知名生物科技公司XCMG生物工程有限公司开发出一种基于贵金属多功能复合材料制备的锂离子电池，该电池使用该材料作为阳极催化剂，具有更高的电化学活性和较长的电池寿命。
复合材料-第四章金属基复合材料教材
第四章 金属基复合材料
第四章 金属基复合材料
金属基复合材料(Metal Matrix Composites, MMC)，是以金属及其合金为基体，与一种或 几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材 料。 其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷、碳、 石墨及硼等，也可以用金属丝。
§4－1 MMC的沿革和发展
喷射与喷涂沉积工艺的最大特点是增强材料 与基体金属间润湿性要求低；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
喷涂技术是采用由直流电驱动的等离 子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属 等材料加热到熔融或半熔融状态，并以 高速喷向经过预处理的工件表面而形成 附着牢固的表面层的方法。 可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐 高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减 磨和密封等性能。
涡轮发动机的各个部件对于高温高效性材
料的不断需求，触发了对金属基复合材科 特别是钛基材料的广泛兴趣的复苏。
70年代中，液钠法和Ti—B工艺的研究成功，解决 了碳纤维与铝液的浸润问题，从而使碳纤维增强 铝基复合材料的研制及应用取得了较大进展。 70年代末出现了碳化硅纤维、晶须、颗粒和氧化 铝纤维增强铝、钛等多种金属基复合材料，使金 属基复合材料向多品种发展、逐渐形成了金属基 复合材料体系。 80年初开始重视对其制备工艺技术的研究，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。
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。 例如：石墨／铝复合材 料在５００℃高温下， 仍具有６００ＭＰａ的 高温强度；而铝基体在 ３００ ℃强度已下降到 １００ＭＰａ以下。
5）良好的耐磨性好
2-金属基复合材料
铁及铁合金
金属基复合材料中使用的铁，主要是铁基高温合金， 可在600-900℃使用，分为变形和铸造高温合金。 铁基变形高温合金是奥氏体可塑性变形高温合金，强 化方式有： 碳化物、氮化物和碳氮化物强化合金，Ni含量较低， 添加钨、钼、铌、钒等，用于早期航空发动机热端部件； 金属间化合物强化合金，加入钛、铝，形成强化相，用 于燃气轮机叶片及涡轮盘；固溶强化合金，加入铬 （20%）、钨、钼、铝、钛、铌等。 铁基铸造合金是面心立方结构的奥氏体，通过铸造工 艺成型的高温合金。与钨、钼、钛、铝等形成固溶强化 和沉淀强化，与硼元素形成晶界强化。 16
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镁及镁合金
纯镁的强度低，尤其是屈服强度很低，不适合作 结构材料。 合金化后，利用固溶强化和时效强化提高合金的 常温和高温性能。 镁合金的合金化元素有铝、锌、锆、锰和稀土等， 铝和锌是主要合金化元素。 根据生产工艺及性能特点，分为变形镁合金和铸 造镁合金。 镁合金主要有Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr及稀土镁合金， 热处理方式和铝合金基本相同。
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复合材料组分的相容性
复合材料包含有两种或两种以上的相，要使组分间具 有良好的配合，则这两相间必须具备物理相容性和化学 相容性。 对于金属基复合材料，用薄片或纤维增强金属基复合 材料的物理相容性问题一般都和压力或热变化时反映材 料伸缩性能的材料常数有关。 化学相容性问题主要与复合材料加工过程中的界面结 合、界面化学反应以及环境的化学反应等因素有关。
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物理相容性
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钛及钛合金
钛及钛合金具有重量轻、比强度高、耐高温、耐 腐蚀以及良好的低温韧性等特点。 钛的密度为4.4g/cm3，熔点高达1678℃，线膨胀 系数低。 钛的导电和导热性性能差，导热系数只有铜的 1/17，比电阻为铜的25倍。 钛及其合金具有优异的耐蚀性，在硫酸、盐酸、 硝酸和氢氧化钠等介质中都很稳定。 钛在固态时有密排六方和体心六方两种同素异构 体，可利用同素异构转变进行强化。
第五章 金属基复合材料(MMC)
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。
第五章 金属基复合材料（MMC)
MMC的起源 MMC的定义与分类 各类MCC特点简介 MMC制备工艺 MMC界面 典型MMC性能与应用
MMC的起源与发展
• 20世纪60年代，美苏在宇宙空间开展竞争导致航空 航天技术发展而产生。
• 最早是硼纤维增强铝基复合材料的成功使用，接着是 在70年代中期，碳（石墨）纤维增强铝基复合材料研 制及应用取得了较大进展，其后各种不同金属基体、 不同类型和增强形态的增强材料以及多种增强形式的 金属基复合材料不断发展，逐渐形成了金属基复合材 料体系，
MMC制备工艺（续）
• 工艺优点：
• 可以根据所设计的金属基复合材料的性能要求．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，这在液态法中是无法达 到的。
• 热等静压或烧结温度低于金属熔点。因而由高温引起的增强材料 与金属基体界面反应少，减小了界面反应对复合材料性能的不利 影响，同时还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。
• 与传统的金属材料相比，它具有较高的比强 度和比刚度，而相对于树脂基复合材料，它 具有优良的导电性与耐热性、与陶瓷材料相 比，它又具有高的韧性和高的冲击性能。这 些优良的性能决定了它从诞生之日起就成了 新材料家族中的重要一员。
金属基复合材料的部分应用-李丰
教 师 ： 崔 岩 教Байду номын сангаас授
组 员 ： 李 丰 、 刘 园 园
班 级 ： 机 研
主 讲 ： 李 丰
汽车工业的应用
and 其他工业的应用
-14
01
汽车工业的 应用篇
1、内燃机方面
2、制动系统 3、传动系统
4、其他应用
02
1、电力行业 2、体育用品 3、电子和光学仪器
离合器/传动轴
离 合 器
传 动 轴
02、汽车传动轴是由管材制造的,它将动力传递到减 速器,工作时要求有极高的动力稳定性和抗扭曲能力, 发生动力学不稳定的临界转速w取决于轴尺寸和管材 的刚度和密度。
金属基复合材料的应用
汽车工业的应用篇·传动系统
03、MMCs管材由MMSc铸锭无缝接挤压法制造。
离合器/传动轴
丰田86漂移赛车 发动机
金属基复合材料的应用
汽车工业的应用篇·内燃机方面
01、轿车发动机中的摇臂是主要的运动部件之 一，因此减小它的质量对节省燃油，提高燃油 效率，减少排放具有非常积极的意义，它的头 部要求有良好的耐磨性。
摇臂
发 动 机 摇 臂
金属基复合材料的应用
汽车工业的应用篇·内燃机方面
02、日本采用铝合金上镶嵌硬质合金头的技术，与钢 摇臂相比，既减小了质量，也满足了耐磨的要求。而采 用铝基复合材料摇臂，质量将更小，优异的耐磨性能可 提高摇臂的工作效率和工作寿命，较小的质量可使摇臂 的运动惯性减小，节省了燃油，提高了发动机的燃油效 率，降低了排放。 发 动 机 摇 臂
其他应用
弹簧座
金属基复合材料的应用
轴承
缸盖
高 尔 夫 球 杆
金属基复合材料 应用
金属基复合材料应用
金属基复合材料（MMC）是一种以金属为基础的合金材料，它结合了金属强度和其他材料的有益性质，能够克服金属和材料中单独金属或其它材料缺点，带来出色的力学性能。
通常，金属基复合材料由可塑料、增强纤维（如碳纤维）、陶瓷（如铝氧化物）或金属与金属组成。
这些材料共同构成一种轻质及长度较大的苛刻材料，具有极高的力学强度和抗腐蚀性，通常用于制造诸如航空和汽车引擎部件等要求高强度的产品。
此外，它们也用于装饰及加固建筑物等用途，因为具有良好的美观性和低重量。
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汽车工业的应用篇·内燃机方面
01、活塞是汽车发动机中传递能量的一个非 常重要的构件 02、工作条件：高温高压及高应力状态，并 与活塞环、气缸壁之间不断产生摩擦，润滑 条件不充分，工作条件极其恶劣。 03、传统材料：铝硅合金/铸铁
活塞环
活塞
活塞
活塞销
金属基复合材料的应用
汽车工业的应用篇·内燃机方面
发
动
发
机
动
缸
机
套
缸
体
缸体及缸套
金属基复合材料的应用
汽车工业的应用篇·内燃机方面
03、实验表明
缸体及缸套
采用含量为 10%~20%氧 化铝或碳化硅
铸铁发动机 气缸体/套
非连续增强铝
基复合材料涂 层制造缸套， 可减少质量 3~4.5Kg，并 可提高发动机 工作效率，改 善热传导，提
铝合金气 缸体，铸 铁气缸套
发 动 机 摇 臂
摇臂
金属基复合材料的应用
汽车工业的应用篇·内燃机方面
03、典型的金属基复合材料——硬质合金 硬质合金是指以一种或几种难熔碳化物（如碳化钨、碳 化钛等）的粉末为主要成分，加人起粘结作用的金属钴 粉末，用粉末冶金法制得的材料。
摇臂
04、硬质合金的性能特点 硬质合金硬度极高，高于任何一种钢，且热硬性、耐磨 性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。脆性大。
日本马自达
多孔性镍泡沫体增强SL3.5L 直喷式涡轮增压柴油机活塞 的第一道环槽部分
发动机功率提高了10%，磨损减少 了20%，重量减轻10%。（与镶奥 氏体铸铁圈活塞相比）
美国Atlantic Richfield公司
真空热压碳化硅颗粒或晶须 耐热性，耐磨性和强度非常好（
增强的铝基复合材料活塞
装机试车试验）
减少质量，提高耐磨 性，提高发动机输出 功率，降低油耗。（ 与铸铁缸套的铝缸体 相比）
金属基复合材料的应用
汽车工业的应用篇·内燃机方面
01、连杆是发动机的运动件,减轻其重量就能降低发动机 噪声和振动;减小其摩擦损失,发动机燃油消耗率就能得到 改善。
连杆
发动机活塞连杆
金属基复合材料的应用
汽车工业的应用篇·内燃机方面
课 教 组班 主
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汽车工业的应用 and
其他工业的应用
01
汽车工业的 应用篇
1、内燃机方面 2、制动系统 3、传动系统 4、其他应用
金属基复合材料的应用
02
其他工业的 应用篇
1、电力行业 2、体育用品 3、电子和光学仪器 4、其他领域
（重量减轻许多）
发展历程
金属基 复合材料 气缸体/套
（缸体内径部位 得到增强）
高缸体刚性和
过共晶铝硅合
尺寸稳定性，
金气缸体/套
金属基复合材料的应用
减少摩擦。
（生产率低而生产成本高）
汽车工业的应用篇·内燃机方面
缸体及缸套
初代的本田Prelude的1.8L排量的EK型发动机
日本本田气缸体
日本本田公司
12%氧化铝短纤维和 9%碳纤维增强的铝基 MMC（16气门、排量 2L的Preluda发动机 缸体）
丰田86漂移赛车 发动机
金属基复合材料的应用
汽车工业的应用篇·内燃机方面
01、轿车发动机中的摇臂是主要的运动部件之 一，因此减小它的质量对节省燃油，提高燃油 效率，减少排放具有非常积极的意义，它的头 部要求有良好的耐磨性。
发 动 机 摇 臂
摇臂
金属基复合材料的应用
汽车工业的应用篇·内燃机方面
02、日本采用铝合金上镶嵌硬质合金头的技术，与钢 摇臂相比，既减小了质量，也满足了耐磨的要求。而采 用铝基复合材料摇臂，质量将更小，优异的耐磨性能可 提高摇臂的工作效率和工作寿命，较小的质量可使摇臂 的运动惯性减小，节省了燃油，提高了发动机的燃油效 率，降低了排放。
04、随着发动机向大功率、高速度、低能耗的方向 发展 ,对活塞材料提出了越来越高的要求。
日本丰田汽车公 司
美国的活塞制造 厂家
5%氧化铝短纤维局部增强铝 合金活塞
陶瓷纤维增强镶环
质轻，耐磨性好（磨损减少1/5） ，高温强度高，热稳定性和导热 性好，寿命提高。（与铝合金活 塞相比）
重量减轻，满足性能要求，可消 除由于热循环应力，塑性变形和 蠕变引起的热疲劳裂纹，提高发 动机效率。（与高镍铸铁镶环活 塞相比）
连杆
日本丰田汽 车和美国杜 邦公司
连续氧化铝纤维增
强复合材料连杆（ 应用到FX-1实验赛 车上）
比刚连杆重量减轻1/3，而且还可提 高燃油利用率，减少发动机的震动， 是发动机具有更快的反应特性。
日本Mazda 公司
氧化铝/铝合金复 合材料连杆
重量轻，比钢质连杆轻35%，抗拉强 度和疲劳强度高，分别为560MPa和 392MPa。而且线性膨胀系数小，可满 足两岸工作时性能要求。
部分应用实例
活塞
活塞镶环
金属基复合材料的应用
汽车工业的应用篇·内燃机方面
活塞
日本丰田汽车
丰田汽车 活塞配件
1986年日本丰田汽车公司生产的陶瓷纤维增强复合材料月产 量可达28000多件，年产量相当于35万件，并在市场上已知 公开销售这种活塞。
日本Art金属制造公司于1986年投产了一条缸径在200mm以下 的发动机复合材料活塞专用生产线，当年月产量10万只，供 应丰田公司，并努力向世界范围扩展。
市场供应
金属基复合材料的应用
汽车工业的应用篇·内燃机方面
01、用 MMC生产内燃式发动机缸体具有很大 的技术意义 ,因为这一部件的世界年销售量很 大 , MMC用于这一部件的突破预示它作为大工 业主体材料时代的到来。
02、 性能要求：由于气缸承受高温载荷，需 要具备抗磨损、耐擦伤、耐疲劳和抗蠕变等各 种性能。
金属基复合材料用于汽 车工业主要是颗粒增强和短 纤维增强的铝基、镁基、钛 合金等有色合金基复合材料。 由于铝合金、镁合金等是传 统的轻质材料，随着汽车轻 量化进程的不断推进和科学 技术的日益进步，将来在汽 车工业中采用铝合金、镁合 金的要求越来越高，要求其 具有良好的耐磨、抗腐蚀、 耐热和尺寸稳定性，并且要 求质量更轻，强度、刚度更 高。
美国杜邦公 司与克莱斯 勒公司
日本本田研 究开发中心
碳化硅纤维增强铝 锂合金基汽车连杆
不锈钢增强铁基合 金连杆
密度小，强度好，膨胀系数低，其刚 度、强度和疲劳极限都能够满足高性 能汽车的材质要求，且使用这种连杆 可以提高发动机的效率。
质量减少30%，应用于家庭轿车上， 提高了发动机功率和燃油经济性。