第一章-金属基复合材料概述.ppt

1）高比强度、高比模量 高强度、高模量、低密度的增强纤维的加入，使MMC的比强度和比模量成倍地提高。 例如：铝合金的比强度为1.4×106Pa·cm3/g、比模量为2.8×108Pa·cm3/g； 而石墨/铝合金的比强度为3.6×106Pa·cm3/g、比模量达到10.5×108Pa·cm3/g。 2）导热、导电性能 良好的导热性可有效传热，减少构件受热后产生的温度梯度和迅速散热，这对尺寸的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%（vf），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 MMC所用增强物如碳纤维、SiC纤维、B纤维，均具有很小的热膨胀系数，又有很高的模量，特别是高模量、超高模量石墨纤维具有负的热膨胀系数。 加入适当含量增强物，并合理设计纤维铺层可使ＭＭＣ的热膨胀系数明显下降，甚至可以实现ＭＭＣ的零膨胀。 ４）良好的高温性能 金属基体的高温性能比聚合物高很多，加上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。 例如：石墨／铝复合材料在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。 5）耐磨性好 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。ＭＭＣ中加入了硬度高、耐磨的陶瓷纤维、晶须、颗粒，具有良好的耐磨性。 例如：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 ＭＭＣ的断裂韧性和抗疲劳性能取决于纤维等增强物与金属基体的界面状态、增强物的分布以及各组分本身的特性。适中的界面结合强度既可有效地传递荷载，又能阻止裂纹的扩展，提高断裂韧性。 例如：Ｃ／Ａｌ复合材料的疲劳强度与拉伸强度比约为0.7。 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。 20世纪60年代，美苏在宇宙空间开展竞争导致航空航天技术发展而产生。 最早是硼纤维增强铝基复合材料的成功使用，接着是在70年代中期，碳（石墨）纤维增强铝基复合材料研制及应用取得了较大进展，其后各种不同金属基体、不同类型和增强形态的增强材料以及多种增强形式的金属基复合材料不断发展，逐渐形成了金属基复合材料体系。 80年代后，为解决金属基复合材料制备成本高难以广泛应用，各种新制备技术用于颗粒和晶须增强金属基复合材料，使复合材料成本不断下降，在民用方面如汽车行业等逐步获得应用，进而促进了金属基复合材料的发展。 现代科学技术的飞速发展，对材料的要求越来越高。对于结构材料，不单要求强度高，还要求其重量要轻，在航空航天领域尤其如此。金属基复合材料正是为了满足这些要求而诞生的。 与传统的金属材料相比，它具有较高的比强度和比刚度，而相对于树脂基复合材料，它具有优良的导电性与耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有高的韧性和高的冲击性能。这些优良的性能决定了它从诞生之日起就成了新材料家族中的重要一员。 下图为采用硼纤维增强铝基复合材料代替铝合金制造的航天飞机主舱体的主龙骨支柱，减轻重量达145公斤，效果显著。 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。 金属基复合材料的研究重点 1）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能； 2）增强相/基体的界面优化、界面设计； 3）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和降低成本； 4）新型增强剂的研究开发； 5）复合材料的扩大应用。 (1)颗粒增强复合材料 　　这里的颗粒增强复合材料是指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。 　　此外，颗粒增强复合材料的颗粒直径和颗粒间距很大，一般大于1um。 　　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和便于加工。 (2)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。 　　层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近。 　　因为增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小。 (3)纤维增强复合材料 碳纤维的用途 碳纤维的用途 4.3 芳纶纤维（KF，VF） KF是一种低密度、高强度、高模量和耐腐蚀的有机纤维，1960