金属基复合材料考试题目

1、金属基复合材料的特性有哪些？请详细说明。

答：金属基复合材料的性能取决于所选的金属和或合金基体和增强体的特性、含量、分布等。通过优化组合可以获得既具有金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等综合性能。综合归纳金属基复合材料具有以下性能特点：

1. 高比强度、高比模量

由于金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强体，明显提高复合材料的比强度和比模量，特别是高性能连续纤维—硼纤维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的强度和模量。

2. 导热、导电性能

金属基复合材料中金属基体占有很高的体积分数，一般在60%以上，因此仍然保持金属所特有的良好的导热和导电性。在金属基复合材料中采用高导热性的增强体可以进一步提高金属基复合材料的热导率比纯金属基体还高。

3. 热膨胀系数小，尺寸稳定性好

金属基复合材料中所用的增强物碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等既具有很小的热膨胀系数，又有很高的模量，特别是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体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体的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种工况要求。

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，增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有高的高温强度和模量，因此金属基复合材料具有比基体金属更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料。

5. 耐磨性好

金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强的金属基复合材料具有很好的耐磨性。

6. 良好的疲劳性能和断裂韧度

金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧度取决于纤维等增强体与金属基体的界面结合状态，增强体在金属体重的分布以及金属、增强体本身的特性，特别是界面状态。最佳的界面状态既可以有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧度。

7. 不吸潮，不老化，气密性好

与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，具有明显的优越性。

总之，金属基复合材料具有高比强度、高比模量等以上所述的优异的综合性能，使金属基复合材料在航天、航空、电子、汽车等领域均具有广泛的应用前景。

2、金属基复合材料基体的选择原则有哪些？请详细说明。

答：金属与合金的品种繁多，目前用作金属基复合材料的基体金属有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。基体材料的正确选择，对于能否充分组合和发挥基体金属和增强物性能，获得预期的优异综合性能以满足使用要求十分重要。

1. 金属基复合材料的使用要求

金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。在宇航、航空、先进武器、电子、汽车等技术领域和不同的工作条件下，对复合材料的性能要求很大，需选择不同基体的复合材料。在航天、航空技术中高比强度、高比模量、尺寸稳定性是最重要的性能要求。此外，高性能发动机还要有优良的耐高温性能。电子工业集成电路则需要高导热、低热膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。

2. 金属基复合材料组成的特点

金属基复合材料有连续增强和非连续增强金属基复合材料，由于增强体的性质和增强机制不同，在基体材料的选择原则上有很大差别。

对于连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体。纤维本身具有很高的强度和模量，金属基体的强度和模量远低于纤维的性能，因此在连续纤维增强金属基复合材料中基体主要作用是以发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，基体不需要很高的强度。

对于非连续增强金属基复合材料，基体的强度对非连续增强金属基复合材料有绝对的影响。因此要获得高性能的金属基复合材料必须选用高强度的铝合金为基体。

总之针对不同的增强体系，要充分分析和考虑增强体的特点来正确选择基体合金。

3. 基体金属与增强体的相容性

金属基复合材料制备过程中金属基体与增强体在高温复合过程中会发生不同程度的界面反应，基体金属中往往含有不同烈性的合金元素，这些合金元素与

增强体的反应程度不同，反应后生成的反应产物也不同，在选用基体合金成分时尽可能选择既有利于金属与增强体浸润复合，又有利于形成合适稳定的界面的合金元素。如碳纤维增强铝基复合材料中，在纯铝中加入少量的Ti、Zr等元素可以明显的改善复合材料的界面结构和性能，提高复合材料的性能。铁镍元素是促进碳石墨化的元素，用铁镍作为基体，碳纤维作为增强体是不可取的。

金属基复合材料需要在高温下成型，制备过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应层。界面反应层大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。在选择基体时要充分考虑与增强体的相容性，特别是化学相容性，并尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应。

3、请陈述金属基复合材料增强体的特性及分类。

答：金属基复合材料的增强体的基本特性如下：

1．增强体应具有能明显提高金属基体某种所需特性的性能，如高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀等，以便赋予金属基体所需的某种特性和综合性能。

2．增强体应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，与金属基体有良好的化学相容性，不发生严重的界面反应。

3．与金属好的浸润性，或通过表面处理能与金属基体良好浸润、复合和分布均匀。此外，增强体的成本也是应考虑的一个重要因素。

金属基复合材料的增强体分类如下：

1．纤维类增强体。包括连续长纤维和短纤维两种。连续长纤维的长度均超过数百米，纤维性能有方向性，一般沿轴向有很高的强度和弹性模量。短纤维一般由几毫米到几十毫米，排列无方向性，通常采用生产成本低、生产效率高的喷射法制造。

2．颗粒增强体，包括外加和内生两种，一般是陶瓷和石墨等非金属颗粒。

3．晶须类增强体。根据化学成分不同，晶须可分为陶瓷晶须和金属晶须两类。陶瓷晶须包括氧化物和非氧化物晶须，金属晶须包括Cu、Cr、Fe、Ni晶须。

4．其他增强体。用于金属基复合材料的高强度、高模量金属丝增强体，主要有铁丝、高强度钢丝、不锈钢丝和钨丝等。