05-1 金属基复合材料.ppt

5 金属基复合材料 5.1 金属基复合材料基本性能 5.2 金属基体 5.3 金属基复合材料制造技术 5.4 典型金属基复合材料 以金属或金属间化合物作为基体的复合材料称为金属基复合材料 (metal matrix commpsite；简记为MMC) 金属基复合材料是为了满足现代科技发展的要求而诞生的一种高性能复合材料。仅有50年的发展历史。 优势：具有比传统的金属材料高的比强度与比刚度；有比树脂基复合材料更优良的导电性与耐热性；有比陶瓷基材料高韧性和高冲击性能。 金属基复合材料的性能取决于所选的金属或合金基体和增强体的特性、含量、分布等。主要的性能特点有： （1）高比强度和高比模量 由于在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，明显地提高了复合材料的比强度和比模量，特别是高性能连续纤维—B纤维、C纤维、SiC纤维等增强体，具有很高的强度和模量。 （2）良好的断裂韧性和抗疲劳性能 金属基复合材料相对与聚合物基、陶瓷基复合材料具有高的高韧性和耐冲击性能。 （3）热膨胀系数小、尺寸稳定性好 由于增强体C纤维、B纤维、SiC纤维、晶须、颗粒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甚至具有负的热膨胀系数。通过选择不同的金属基体和增强体，以一定的比例复合在一起，可得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复合材料。 例：石墨纤维/镁基复合材料 当纤维含量达到48%时，复合材料的热膨胀系数为0 （4）良好的导电、导热性能 金属基复合材料导热、导电性能比聚合物或者陶瓷基结构好得多。它可以使局部高温热源和集中电荷很好扩散消除。 如碳纤维增强铝基复合材料可以作为航空航天技术领域中的结构材料，还可以作为空间装置的热传导和散热器面板应用。 （5）良好的高温性能 和聚合物基复合材料相比，MMC的物理和力学性能具有高温稳定性，即对温度变化不敏感，具有较好的高温性能，可作为在一定高温下使用的结构材料。 例子： Cgr/Al基复合材料在500℃高温下，仍具有600MPa的强度，而铝基体在300℃时强度已下降到100MPa以下； Wf/耐热合金，在1100℃/100h下持久强度为207MPa，而基体耐热合金在同样条件下的持久强度只有48MPa. （6）良好耐磨性与阻尼性 由于加入了大量的陶瓷增强体，而陶瓷增强体硬度高、耐磨、化学性质稳定，用它们来增强金属材料，不仅提高了材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度、耐磨性和阻尼性。 （7）性能再现性及可加工性好 与其它材料相比，金属材料的力学、物理和化学性能比较稳定，性能可以通过合金化，得到精确的控制。如何提高金属基体与增强材料之间的结合性能和界面控制，成为目前提高金属基复合材料性能稳定性和再现性的关键。 MMC可如其它金属材料一样，可以借用金属材料加工成型的方法来制备，如扩散结合、粉末冶金、铸造成型等，也可通过轧制、拉拔、挤压等金属材料的压力加工方法进行第二次加工，进一步提高复合材料的性能。甚至可以进行超塑性加工成型。这是PMC、CMC和C/C复合材料所不具备的加工性能。 （8）不吸潮、不老化、气密性好 与聚合物材料相比，MMC的性能稳定、组织致密、不会老化、分解、和吸潮等，也不会发生性能的自然退化，在太空中使用也不会分解出低分子物质污染仪器和环境。 5.2 金属基体 基体主要是各种金属、合金或金属间化合物。 品种繁多，目前用作金属基体材料的主要有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、钢与铜合金、锌合金、铅、钛铝金属间化合物等。 5.2.1 用于450℃以下的金属基体 主要是铝、镁及其合金，被广泛的应用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等。 (1) 铝和铝合金 面心立方，无同素异构转变。 20℃时纯铝的密度为2.698g/cm3，熔点660.37℃，沸点2467℃; 导电、导热性好，抗大气腐蚀能力强，易加工、塑料好。 但纯铝的强度很低，但不宜直接做结构材料。 为了提高铝的强度，可在铝中加入适当的其它元素(如Cu、Mg、Mn、Zn、Si、Li等)组成的合金。 根据其特性的不同，将铝合金分为铸造铝合金和形变铝合金两种。 (A) 铸造铝合金 有良好的铸造性能和力学性能。合金元素总量为8％-25％。 有铝硅系、铝铜系、铝镁系、铝锌系四种，其中以铝硅系合金应用最广。 铸造铝合金牌号用“ZL”后跟三位数字表示: 第一位数表示合金系列，1为Al-Si系合金；2为Al-Cu系合金；3为Al-Mg系合金；4为Al-Zn系合金。 第二、三位数表示合金的顺序号。 如ZL201表示1号铝铜系铸造铝合金，ZL107表示7号铝硅系铸造铝合金 (a)铝硅系铸造铝合金 特点：铸造性能好，线收缩小，流动性好，热裂倾向小，具有较高