金属基复合材料
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VoL%
50 50 35~40 35 50 50 18~20 20 35 45
抗拉强度 MPa
1200~1500 1300~1500 700~900 500~800 650 900 500~620 400~510 1500~1750 1300~1500
拉伸模量 GPa
200~220 210~230 95 ~ 110 100~150 220 130 96 ~138 ~100 210 ~230 220
• 高耐磨性材料在汽车、机械工业中具有重要应
用前景。如汽车发动机、刹车盘、活塞等。
SiC颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比铝 高出２倍以上，甚至比铸铁的耐磨性还
好。
6）良好的断裂韧性和抗疲劳性能
基体中的裂纹顶端的最大应 力接近基体的抗拉强度， 而低于纤维的断裂应力时
➢ 裂纹或在界面扩展钝化 ➢ 或因基体的塑性剪切变
第六章 金属基复合材 料
内容提纲
•6.1 概述 •6.2 MMC制备技术 •6.3 MMC的性能 •6.4 MMC的应用
6.1 概述
现代 科技
高技术 产业
MMC的性能特征：
1）高比强度、高比模量 2）良好的导热、导电性能 3）热膨胀系数小、尺寸稳定性好 4) 良好的高温性能 5）耐磨性好 6）良好的断裂韧性和抗疲劳性能 7）不吸潮、不老化、气密性好
三明治复合
蜂窝
碳化硼片增强钛、胶合板等
➢薄片增强的强度不如纤维增强相高
➢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
以上各种纤维各有不足：
W、Mo丝：密度高 Be丝： 价很高 Al2O3： 提拉子晶，价高，对磨损敏感 C纤维： 细纱难浸润，与多数金属反应，抗折性差 B纤维： 以W或C丝作底，CVD沉积，价高 SiC和B4C：以W或C丝作底，CVD沉积，价高，对
•SiCp/Al复合材料
•哈尔滨工业大学研制的SiCw/Al复合材料管件用于某卫星天线丝杠 •北京航空材料研究院研制的三个SiCp/Al复合材料精铸件（镜身、镜盒和支撑轮）用 于某卫星遥感器定标装置，并且成功地试制出空间光学反射镜坯缩比件（见图9-4）。
无压漫渗近净形制备的高体积分数SiC/Al复合材料
1）高比强度、高比模量
金属基复合材料与常 用金属材料（铝、钛 合金及钢）的比强度 和比模量的比较
•纤维增强材料的比 强度和比模量明显 优于金属材料； •而颗粒增强复合材 料在比模量上有显 著提高
纤维增强金属基复合材料的比强度、比模量明显高于金属基体；颗粒增强金属
基复合材料的比强度虽无明显增加，但比模量明显提高。横向模量和剪切模量，
纤维种类 纤维排布方式
体积分数
一些增强纤维的典型性能
✓当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基 体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征
✓但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大 的作用。
(3)层状复合材料
这种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。
零件的工业CT图像
• SiCp/Al复合材料用于导弹的高性能结构件
导弹 传统 零部件 材料
前弹体 钢
新材料
传统材料 新材料
名称
减重/% 制备方法
减重/%
20%SiCp/Al-Si-Mg 粉末冶金 49
94
弹翼
铝
20%SiCp/Al-Cu-Mg 粉末冶金 15
-
尾部套管
基体和增强体的热膨胀系数
增强体类别
(1)非连续增强复合材料 (2)层状复合材料 (3)纤维增强复合材料
(1)颗粒增强
• 增强相的体积分数超过 20％
• 颗粒直径和颗粒间距大 于1um
• 可用常规方法加工
硬质合金组织(Co+WC) 硬质Baidu Nhomakorabea金铣刀
• SiC、Al2O3颗粒（晶须）
(2)纤维增强复合材料
形而钝化 ➢ 从而改善了材料的断裂
韧性
7）不吸潮、不老化、气密性好
• 与聚合物相比，金属性能稳定、组织致密，不 会老化、分解、吸潮等，在太空中使用不会分 解出低分子物质污染仪器和环境。
金属基体类别
(1)铝基、镁基复合材料
(2)钛基复合材料
中温
(3)镍基复合材料
钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维，这 是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近
石墨－铝复合材料
哈勃望远镜整体结构
Grf/Al复合材料悬架
•60%石墨纤维（Gr）（P100）/6061铝基复合材料被成功地用于哈勃太空望 远镜的高增益天线悬架（也是波导）长达3.6m，具有足够的轴向刚度和超低 的轴向线胀系数，能在太空运行中使天线保持正确位置，由于这种复合材料 的导电性好，所以具有良好的波导功能，保持飞行器和控制系统之间进行信 号传输，并抗弯曲和振动。
表面磨损敏感
6.4 金属基复合材料的应用
航空 航天
导弹
微电子
•Bf/Al复合材料
• 是实际应用最早的金属基复合材料，美国和原苏联的航天飞机 中的机身框架及支柱和起落架拉杆等都用Bf/Al复合材料制成。
美国NASA采用硼纤维增强铝基 （50%Bf/6061Al）复合材料作为 航天飞机轨道器中段（货舱段） 机身构架的加强桁架的管形支柱
金属基复合材料远高金于属聚合基物复基复合合材材料料。的力学性能一览表
复合材料
BF /Al CVD SiCF /Al Nicalon SiCF /Al CF /Al FP Al2O3 F/Al Sumica Al2O3F/Al SiCW/Al SiCP/Al CVD SiCF/Ti BF / Ti
增强相 含量
密度 g/cm3
2.6 2.85~3.0 2.6 2.4 3.3 2.9 2.8 2.8 3.9 3.7
2）导热、导电性能
• 良好的导热性可有效传热，这对尺寸稳定性要求 较高的构件和高集成度电子器件尤为重要。
• 良好的导电性可防止飞行器构件产生静电聚集的 问题。
• MMC中金属基体含量一般>60%，所以仍保持金 属所具有的良好导热和导电性。
3）热膨胀系数小、尺寸稳定性好
４）良好的高温性能
• 金属基体的高温性能比聚合物高很多，且增强材
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。
铝基体
300℃强度已下降到100MPa以下
石墨／铝
复合材料
在500℃高温下，仍具有600MPa的 高温强度
5）耐磨性好
50 50 35~40 35 50 50 18~20 20 35 45
抗拉强度 MPa
1200~1500 1300~1500 700~900 500~800 650 900 500~620 400~510 1500~1750 1300~1500
拉伸模量 GPa
200~220 210~230 95 ~ 110 100~150 220 130 96 ~138 ~100 210 ~230 220
• 高耐磨性材料在汽车、机械工业中具有重要应
用前景。如汽车发动机、刹车盘、活塞等。
SiC颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比铝 高出２倍以上，甚至比铸铁的耐磨性还
好。
6）良好的断裂韧性和抗疲劳性能
基体中的裂纹顶端的最大应 力接近基体的抗拉强度， 而低于纤维的断裂应力时
➢ 裂纹或在界面扩展钝化 ➢ 或因基体的塑性剪切变
第六章 金属基复合材 料
内容提纲
•6.1 概述 •6.2 MMC制备技术 •6.3 MMC的性能 •6.4 MMC的应用
6.1 概述
现代 科技
高技术 产业
MMC的性能特征：
1）高比强度、高比模量 2）良好的导热、导电性能 3）热膨胀系数小、尺寸稳定性好 4) 良好的高温性能 5）耐磨性好 6）良好的断裂韧性和抗疲劳性能 7）不吸潮、不老化、气密性好
三明治复合
蜂窝
碳化硼片增强钛、胶合板等
➢薄片增强的强度不如纤维增强相高
➢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
以上各种纤维各有不足：
W、Mo丝：密度高 Be丝： 价很高 Al2O3： 提拉子晶，价高，对磨损敏感 C纤维： 细纱难浸润，与多数金属反应，抗折性差 B纤维： 以W或C丝作底，CVD沉积，价高 SiC和B4C：以W或C丝作底，CVD沉积，价高，对
•SiCp/Al复合材料
•哈尔滨工业大学研制的SiCw/Al复合材料管件用于某卫星天线丝杠 •北京航空材料研究院研制的三个SiCp/Al复合材料精铸件（镜身、镜盒和支撑轮）用 于某卫星遥感器定标装置，并且成功地试制出空间光学反射镜坯缩比件（见图9-4）。
无压漫渗近净形制备的高体积分数SiC/Al复合材料
1）高比强度、高比模量
金属基复合材料与常 用金属材料（铝、钛 合金及钢）的比强度 和比模量的比较
•纤维增强材料的比 强度和比模量明显 优于金属材料； •而颗粒增强复合材 料在比模量上有显 著提高
纤维增强金属基复合材料的比强度、比模量明显高于金属基体；颗粒增强金属
基复合材料的比强度虽无明显增加，但比模量明显提高。横向模量和剪切模量，
纤维种类 纤维排布方式
体积分数
一些增强纤维的典型性能
✓当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基 体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征
✓但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大 的作用。
(3)层状复合材料
这种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。
零件的工业CT图像
• SiCp/Al复合材料用于导弹的高性能结构件
导弹 传统 零部件 材料
前弹体 钢
新材料
传统材料 新材料
名称
减重/% 制备方法
减重/%
20%SiCp/Al-Si-Mg 粉末冶金 49
94
弹翼
铝
20%SiCp/Al-Cu-Mg 粉末冶金 15
-
尾部套管
基体和增强体的热膨胀系数
增强体类别
(1)非连续增强复合材料 (2)层状复合材料 (3)纤维增强复合材料
(1)颗粒增强
• 增强相的体积分数超过 20％
• 颗粒直径和颗粒间距大 于1um
• 可用常规方法加工
硬质合金组织(Co+WC) 硬质Baidu Nhomakorabea金铣刀
• SiC、Al2O3颗粒（晶须）
(2)纤维增强复合材料
形而钝化 ➢ 从而改善了材料的断裂
韧性
7）不吸潮、不老化、气密性好
• 与聚合物相比，金属性能稳定、组织致密，不 会老化、分解、吸潮等，在太空中使用不会分 解出低分子物质污染仪器和环境。
金属基体类别
(1)铝基、镁基复合材料
(2)钛基复合材料
中温
(3)镍基复合材料
钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维，这 是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近
石墨－铝复合材料
哈勃望远镜整体结构
Grf/Al复合材料悬架
•60%石墨纤维（Gr）（P100）/6061铝基复合材料被成功地用于哈勃太空望 远镜的高增益天线悬架（也是波导）长达3.6m，具有足够的轴向刚度和超低 的轴向线胀系数，能在太空运行中使天线保持正确位置，由于这种复合材料 的导电性好，所以具有良好的波导功能，保持飞行器和控制系统之间进行信 号传输，并抗弯曲和振动。
表面磨损敏感
6.4 金属基复合材料的应用
航空 航天
导弹
微电子
•Bf/Al复合材料
• 是实际应用最早的金属基复合材料，美国和原苏联的航天飞机 中的机身框架及支柱和起落架拉杆等都用Bf/Al复合材料制成。
美国NASA采用硼纤维增强铝基 （50%Bf/6061Al）复合材料作为 航天飞机轨道器中段（货舱段） 机身构架的加强桁架的管形支柱
金属基复合材料远高金于属聚合基物复基复合合材材料料。的力学性能一览表
复合材料
BF /Al CVD SiCF /Al Nicalon SiCF /Al CF /Al FP Al2O3 F/Al Sumica Al2O3F/Al SiCW/Al SiCP/Al CVD SiCF/Ti BF / Ti
增强相 含量
密度 g/cm3
2.6 2.85~3.0 2.6 2.4 3.3 2.9 2.8 2.8 3.9 3.7
2）导热、导电性能
• 良好的导热性可有效传热，这对尺寸稳定性要求 较高的构件和高集成度电子器件尤为重要。
• 良好的导电性可防止飞行器构件产生静电聚集的 问题。
• MMC中金属基体含量一般>60%，所以仍保持金 属所具有的良好导热和导电性。
3）热膨胀系数小、尺寸稳定性好
４）良好的高温性能
• 金属基体的高温性能比聚合物高很多，且增强材
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。
铝基体
300℃强度已下降到100MPa以下
石墨／铝
复合材料
在500℃高温下，仍具有600MPa的 高温强度
5）耐磨性好