金属基复合材料

前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先铸锭 然后再锻成零件的形状。
Cf／Al复合材料
碳纤维密度小，具有优异的力学性能，是目前 可作金属基复合材料增强物的高性能纤维中价格 最便宜的一种，它们与很多种金属基体复合，制 成了高性能的金属基复合材料。 但是由于碳(石墨)纤维与液态铝的浸润性差， 高温下相互之间又容易发生化学反应，生成严重 影响复合材料性能的化合物。人们采取了多种纤 维表面处理方法来解决这个问题，比如在碳纤维 表面镀铬、铜等。
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
（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。
主要使用的有SiC、Al2O3颗粒(晶须)增强铝基 复合材料。 SiC颗粒(晶须)增强铝基复合材料具有良好的 力学性能和耐磨性能。随着SiC含量的增加，其热 膨胀系数降低，并低于基体。这些复合材料的韧 性低于基体，但高于连续纤维增强铝基复合材料 ，而且其刚度比基体提高很多。由于SiC的硬度很 高，使得这种复合材料的硬度大大提高，其耐磨 性也相应大大提高。
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（2）短纤维增强铝基复合材料
与长纤维相比，短纤维增强铝基复合材料具 有增强体来源广、价格低、成形性好等优点，可 采用传统的金属成形工艺如铸、锻、挤、轧等， 而且材料的性能是各向同性的。 可用做铝基复合材料增强物的短纤维有氧化 铝、硅酸铝和碳化硅等。
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。

层状陶瓷复合材料断口形貌
这种材料是各向 异性的(层内两
三明治复合
维同性)。如碳
化硼片增强钛、
胶合板等。
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• 双金属、表面涂层等也是层状复合材料。
• 结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、 运输及包装等。
有TiN涂层的 高尔夫球头
层 状 复 合
铝 合 金 蜂 窝 夹 层 板
3、颗粒(晶须)增强铝基复合材料
金属基复合材料品种繁多，有各种分类方式，归纳为以 下3种：
按增强体类型分
颗粒增强金属基复合材料 层状增强复合材料
纤维（长短及晶须）增强金属基复合材料
（1）、颗粒增强金属基复合材料
颗粒增强复合材料是指增强相为弥散分布的颗 粒体，颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于 1微米。 在这种复合材料中，增强相是主要的承载相， 而基体的作用则在于传递载荷。颗粒增强复合材料 的强度通常取决于增强颗粒的直径和体积分数，同 时还与基体性质，颗粒与基体的界面及颗粒排列的 形状密切相关。
纤维含量越高，其拉伸强度的变化。
硼-铝复合材料的耐高温性突出。
硼-铝复合材料中由于纤维的纵向热膨胀系数 与基体的热膨胀系数差别较大，因此在界面会产生 较高的残余应力。
Bf／Al复合材料的制造 复合材料的制造包括将复合材料的组分组装并压合 成适于制造复合材料零件的形状。 常用的工艺有两种: 一、纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行; 二、先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品 制成最终形状的零件。
类较多，主要有两大类：变形合金和铸造合金。
(1)、长纤维增强铝基复合材料
长纤维对铝基体的增强方式可以以单向纤维、二 维织物和三维织物存在。长纤维增强铝基复合材料主 要有：Bf／Al、Cf／Al、SiCf／Al、Al203f／Al和不锈 钢丝／Al等。
Bf／Al复合材料
硼纤维是在钨或碳丝化学气相沉积而形成的单丝， 直径较粗(100～140μm)，因而在工艺上较易制造。
碳纤维对复合材料的力学性能影响很大。 表5-10是液态金属浸渍法制备的碳纤维增强铝合金 的拉伸强度。最后一项是碳与铝反应产物的数量。表中前 4种纤维都是经高温石墨化处理的石墨纤维，它们与铝的 反应产物Al4C3的量较少，拉伸强度较高。最后一种纤维 是未经高温石墨化处理的碳纤维，它与铝的反应产物 Al4C3的量很高，其拉伸强度大大下降。因此，未经高温 石墨化处理的碳纤维是不适宜作铝基体的增强物，除非经 过表面处理。
的特性独立存在。
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。
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金属基复合材料(Metal Matrix Composite, 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）。
目的：
把基体的优越的塑性和成形性与增强体的承受 载荷能力及刚性结合起来。
金属基复合材料的性能特点
（1）、高比强度、比模量
在金属基体中加入适量的高强度，高模量，低 密度的纤维，晶须及颗粒等增强体，显著提高了复 合材料的比强度，比刚度和比模量。 在金属中加入高性能，低密度的增强体，可使 复合材料的比强度，比模量成倍增加。采用高比强 度，高比模量的金属基复合材料制成的构件相对密 度轻，强度高，刚性好，是航空，航天领域中的理 想材料。
（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。 例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含 量达到48％时，复合材料的热膨胀系数为零，在温度变 化时使用这种复合材料做成的零件不发生变形。
• 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 塑性好制备铝薄容易。
基体与增强体
铝基复合材料的增强体主要有3种：长纤维，晶
须和颗粒；基体主要有纯铝及其合金。基体合金的种
金属基复合材料实例
铝木复合板
钛/铜复合
铝蜂窝复合板
陶瓷/钢复合管
铜包钢导线
镍/不锈钢
三 、铝基复合材料
航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材 料，例如波音747大型运输机、远距离通信天线、 巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问 题之一就涉及到平方—立方尺寸关系，即结构的强 度与刚度随其尺寸的平方增加．而重量却随其线尺 寸的立方增加。所以，假若要保证大型结构的机动 性和高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。

作为增强体的连续纤 维主要有硼纤维、 SiC和C纤维；Al2O3 纤维通常以短纤维的 形式用于MMC中。
金属基复合材料纤维选择要点 • 高强度、高模量。（明显高于金属基体） • 耐热性高 • 价格低 • 相容性好 （如：KF不宜选用） （比较突出的制约因素） （膨胀系数相近，高温惰性）
按基体材料分类：
金属基复合材料
姓名： 学号： 班级：
目 录
• • • • • • 金属基复合材料概述 金属基复合材料的种类及性能 铝基复合材料 镁基复合材料 钛基复合材料 金属基复合材料成型工艺简介
一、金属基复合材料概述
金属基复合材料是指以金属及其合金为基体，
一种或几种金属或非金属为增强相，人工结合成 的复合材料。组成复合材料的各种分材料称为组 分材料，组分材料一般不发生作用，均保持各自
(3)、纤维（长短及晶须）增强复合 材料
金属基复合材料中的纤维根据其长度的不 同可分为长纤维、短纤维和晶须，它们均属于 一维增强体。因此，由纤维增强的复合材料均 表现出明显的各向异性特征。 短纤维和晶须在基体中为随机分布，因而 性能在宏观上表现为各向同性。
纤维增强金属基复合材料
• 金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合 材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。 • 常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁金。
应当注意，功能复合材料和智能复合材料 容易混淆。
MMC的性能特征
MMC的性能取决于所选组分的特性、含量、分布等。 通过优化组合可以具有金属特性，又有较好综合性能的 MMC。归纳起来MMC有以下性能特点： • 高比强度、高比模量 • 导热、导电性能 • 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 • 良好的高温性能 • 耐磨性好 • 良好的断裂韧性和抗疲劳性能 • 不吸潮、不老化、气密性好
(2)、层状增强复合材料
层状复合材料是指在韧性和成型性较好的金 属基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量 片层状增强物的复合材料。 由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因 此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而， 在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和 模量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材 料相比具有明显的优越性。
（4）、良好的高温性能
由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强材 料主要是无机物，在高温下又都具有很高的高温强度和 模量，因此金属基复合材料比基体金属具有更高的高温 性能。 如石墨纤维增强铝基复合材料在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。又如钨纤维增强耐热合金，在1100℃， 100h高温持久强度为207MPa，而基体合金的高温持久强 度只有48MPa。 因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件 上，可大幅度提高发动机的性能和效率。
把基体的高热传导性与增强体的低热膨胀系数 结合起来。
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金属基复合材料相对于传统的金属材
料来说，具有较高的比强度与比刚度；
而与树脂基复合材料相比，它又具有 优良的导电性与耐热性； 与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性 和高冲击性能。
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二、金属基复合材料的分类及性能
金属基复合材料是以金属或合金为基体，以高性能 的第二相为增强体的复合材料。
（5）、良好的耐磨性
金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、 颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。
如碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比 基体金属高出2倍以上；与铸铁比较，SiCp／Al 复合材料的耐磨性比铸铁还好。可用于汽车发动 机、刹车盘、活塞等重要零件，能明显提高零件 的性能和使用寿命。
（6）、良好的断裂韧性和抗疲劳性能
金属基复合材料的断裂韧性和抗疲劳性能 取决于增强物与金属基体的界面结合状态，增 强物在金属基体中的分布以及金属基体、增强 物本身的特性，特别是界面状态，适中的界面 结合强度既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹 的形成与扩展和位错运动，提高材料的断裂韧 性。
（7）、不吸潮、不老化、气密性好 与聚合物相比金属基复合材料性质稳 定、组织致密，不老化、分解、吸潮等， 也不会发生性能的自然退化，这比聚合物 基复合材料好，在太空使用不会分解出低 分子物质污染仪器和环境，有明显的优越 性。
• 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。
• 纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。 均一方向的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。
纤维在基体中的不同分布方式
层状复合材料
• 层状复合材料是指在 基体中含有多重层片 状高强高模量增强物 的复合材料。
铝基复合材料 镁基复合材料 钛基复合材料 金属间化合物基复合材料
目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较 为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等 工业中应用。
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按用途分 （1）、结构复合材料 （2）、功能复合材料 （3）、智能复合材料
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。 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。化学性能包括抗氧化性和耐腐蚀性等， 用于电子、仪器、汽车等工业。 智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、 自修复等特性。