颗粒增强型金属基复合材料

颗粒增强金属基复合材料
一、颗粒增强金属基复合材料的制备
二、颗粒增强金属基复合材料的应用
三、颗粒增强金属基复合材料的展望
一、颗粒增强金属基复合材料的制备方法
• （一）复合原则 • 1，颗粒应高度弥散均匀地分散在基体中, 使其阻 碍导致塑性变形的位错的运动。 • 2，颗粒直径的大小要适度, 因为颗粒直径过大会 引起应力集中或本身破碎导致参量强度的降低， 颗粒直径过小, 则起不到强化的作用。因此, 一般 颗粒直径为几微米到几十微米。 • 3，研究认为颗粒的数量一般在15%-20%, 数量太 少, 达不到最佳的强化效果。 • 4，颗粒与基体之间应有一定的粘结作用，即一定 的结合强度。
颗粒增强金属基复合材料简介
材料学院金材091班
郭宾 090601124
复合材料
• 定义：复合材料是将两种或两种以上的材 料加以复合，得到物理、化学性能都非常 优异的并能满足各种不同要求的材料 。 • 分类（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
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一、颗粒增强金属基复合材料的制备方法
• ⑵高能-高速工艺 • 高能-高速工艺为短时间内供给高能量、高速度的 金属和增强颗粒的混合物，使其固结而形成复合 材料。其显著特点是高能脉冲可在冷模中快速加 热导电的粉末，使其在短时间内达到指定的温度， 从而控制相变和组织粗糙程度，但此工艺在颗粒 增强金属基复合材料的生产中应用还有待开发。
一、颗粒增强金属基复合材料的制备方法
• ⒋原位反应合成法 • 原位反应合成法制备金属基复合材料的基本原理是通过元 素间或化合物间的化学反应，在金属基体内原位生成一种 或几种高硬度高弹性模量的陶瓷材料增强相，从而达到增 强金属基体的目的。其独特有点有以下： • ①具有强界面结合、 良好的相容性； • ②不易出现增强相的团聚或偏析； • ③省去了增强物的预处理，简化了工艺流程，成本也相对 降低； • ④增强相颗粒细小，能保证铝基复合材料不但有良好的韧 性和高温性能，而且有很高的强度和弹性模量。
一、颗粒增强金属基复合材料的制备方法
• ⒊两相法 • 两相法包括半固态复合铸造工艺、喷射沉积工艺。 • • ⑴半固态复合铸造工艺 • 半固态复合铸造工艺也称流变铸造法。该工艺是美国麻省 理工学院MC flemings等人提出的， 1974年美国首次发表 了半固态复合铸造法的研究，其实质是液态搅拌法的一种 变化和改良。此法是制造颗粒、晶须和短纤维增强金属基 复合材料最常用的方法，也是成本最低的一种方法。
颗粒增强金属复合材料的性能与应用
• 颗粒增强金属基复合材料具有较高的比强度、 比刚度、 弹性模量、耐磨性和低的热膨胀系数等优异性能， 在航 空航天、汽车发动机、精密仪表、电子封装、体育器材等 方面有着重要的应用前前景。 • 20世纪70年代末， 美国政府开始将复合材料列入武器研 究清单， 并对其研究成果限制发表。日本通产省在20世 纪80年代初期开始实施的 “下世纪产业基础技术”规划 中， 把发展铝基复合材料放在了主要位置， 并在财力、 物力上向有关院所、高校和公司倾斜。我国从20世纪80年 代中期开始经过十几年的努力， 在颗粒增强金属基复合 材料的组织性能、 复合材料界面等方面的研究工作已接 近国际先进水平， 金属基复合材料已列为国家“863”新 型材料研究课题。
一、颗粒增强金属基复合材料的制备方法
• ⒉固态法 • ⑴粉末冶金法 • 粉末冶金法是最早开发用于制备颗粒增强金属基复合材料 的工艺， 具体工艺是先将金属粉末或预合金粉末和增强相 均匀混合， 制得混合坯料， 经不同的固化技术制成锭块， 再通过挤压、轧制、锻造等二次加工制成型材。粉末冶金 法的优点是增强体的加入量可以任意调节，成分比例准确， 体积分数控制方便，复合材料组织中位错密度高， 因而材 料强度大。缺点是原材料和设备成本高，制造出的复合材 料的内部组织出现不均匀现象，孔洞率较大， 因此必须对 复合材料进行二次塑性加工，以提高其综合力学性能； 工 艺比较复杂， 而且都必须在密封、真空或保护气氛下进行， 设备及生产成本较高；所制零件的结构和尺寸均受限制。
• • ⒈作为结构件在航空航天中的应用 DWA 公司的6061/ SiC/ 25p 复合材料仪表支架已应用于承载Lockheed 飞机 上的电子设备。采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料(2009/ SiC/ 15p) 制备的液 压制动器缸体(图3) 已用于F218“大黄蜂”战斗机、军用V222 型鱼鹰直升机, 与替代材料铝青铜相比,不仅质量减轻、热膨胀系数降低,而且疲劳极限还提高 1 倍以上。
二、颗粒增强金属基复合材料的应用
• ⒉作为精密构件在航空航天中的应用 • 1985 年美国采用Al/ SiCp 复合材料制成导弹惯性器件仪表壳体,用以 替代铍合金和铝合金,并发展为继铝合金、铍合金之后的第三代航天惯 性器件。1985 年以后这种材料迅速应用到航天飞机、导弹和卫星等 航天器的零部件上。1987～1988 年美国ACMC 公司与亚利桑那大学 光学研究中心合作,采用SiC 颗粒增强铝基复合材料研制成超轻量化 (ULW)空间望远镜(包括结构桁架部件与反射镜)。
一、颗粒增强金属基复合材料的制备方法
• ⑵喷射共沉积技术 • 该技术是20世纪80年代逐渐成熟的一种新的粉末 冶金技术，其具体工艺过程如下： 将金属在坩埚 中熔化，加压流经雾化器后被高速气体分散成极 其细小的微滴，微滴高速冷却后沉积到基板上， 便可得到理想的快凝材料；若同时通过一个或几 个喷嘴射入增强粒子并使之与雾化液滴一起沉积 在基板上，这样便制得了复合材料。
一、颗粒增强金属基复合材料的制备方法
• 颗粒增强金属基复合材料的制备方法主要有液态法、固态 法、两相法和原位复合法。 • ⒈液态法 • 液态法包括无压浸渍工艺、挤压铸造法、真空压力浸渍法、 搅拌铸造法。采用液态法制造金属基复合材料时，制造温 度高，易发生严重的界面反应，对界面的控制是制备复合 材料的关键，也是限制复合材料应用的关键因素。目前改 善基体与颗粒间界面性能的方法主要有基体合金化、颗粒 的表面处理及超声处理。
复合材料
金属基复合材料
• 定义：是以金属为基体，以高强度的第二 相为增强体而制得的复合材料。 • 颗粒增强金属基复合材料：颗粒增强金属 基复合材料是以碳化物、氮化物、石墨等 颗粒增强金属或合金基体的金属基复合材 料统称，是弥散的硬质增强相的体积超过 20%的复合材料, 而不包括那种弥散质点体 积比很低的弥散强化金属的金属基复合材 料。
颗粒增强金属基复合材料的加工设备
颗粒增强金属基复合材料的界面
二、颗粒增强金属基复合材料的应用
• 颗粒增强金属基复合材料的应用
• 由于具有较高的比强度、比刚度、弹性模量、耐 磨性和低的热膨胀系数等优异性能，颗粒增强铝 基复合材料在航空航天、 汽车发动机、精密仪表、 电子封装、体育器材等方面有着重要的应用前景。 近年来，国际上相继涌现出一批生产颗粒增强金 属基复合材料的公司，在具有研发能力的同时已 形成较大的生产规模，这对颗粒增强金属基复合 材料的广泛应用和性能提高起到了积极的作用
三、颗粒增强金属基复合材料的发展前景
• 颗粒增强金属基复合材料作为一种高性能、低成本的金属 基复合材料，被认为是应用范围最广、开发和应用前景最 好的一类金属基复合材料，目前国外已将其应用于航空、 航天、军械、汽车、农机、航空航天工业中某些关键零部 件的制造一直是其特殊的应用领域。在耐磨材料领域，由 于颗粒增强复合材料可针对不同的工况人为地对材料的主 要组成相进行设计、控制及选用，因此可突破传统金属材 料设计的局限性，全面地提高材料在各种复杂工况下要求 的各种性能。Duralcan 等欧美公司及日本工业界已对颗 粒增强金属基复合材料的规模生产作了有益到的尝试，我来自百度文库国科研人员在理论研究的同时也逐步涉足到实际应用领域。 随着对界面结构、凝固过程等方面理论研究的深入和复合 工艺的发展，颗粒增强黑色金属基复合材料必将日益被人 们所认识和重视，规模化生产也将成为现实。
二、颗粒增强金属基复合材料的应用
• ⒈作为结构件在航空航天中的应用 • 低体积分数(15 %～20 %) 的碳化硅颗粒增强金属基复合材料早在20 世纪80 年代就作为非主承载结构件而成功地应用于飞机。然而,直到 最近几年,该种复合材料才作为主承载结构件在先进飞机上获得正式应 用。
二、颗粒增强金属基复合材料的应用
一、颗粒增强金属基复合材料的制备方法
• ⑴基体合金化 • 顾名思义，就是在金属基中添加不同种金属及金属化合物 从而改变金属的结构，有效阻止界面反应，提高基体的强 度、硬度等力学性能， 提高界面结合力。 • ⑵颗粒表面处理方法 • 主要有氧化处理、化学气相沉积、物理气相沉积、电镀法 和化学镀法。如在铝熔体中加入8%的Si， 可以控制重熔温 度，甚至当重熔温度达到1050℃时也不会发生界面反应， 使铝和ZnO一同烧结，可以得到Al-Zn基复合材料， 同时得 到均匀分布的矾土增强颗粒。 • ⑶超声处理 • 超声处理可以使颗粒与基体间的润湿性得到改善，较容易 进入到基体熔体中，所形成的复合材料颗粒偏聚现象与未 经处理过的颗粒相比明显减少，组织致密，晶粒细小，致 密度正常， 耐磨性较高，而且没有无界面反应。