第九章--金属基复合材料.pptVIP

1．增强纤维 对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复合材料。与这些要求有关的纤维主要性能已列于表6—2中，在表中的每一种纤维与硼纤维相比都各有缺点。 玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易与铝起反应。氧化铝纤维的比模量和比强度较低且价格昂贵。碳化硅纤维与铝的反应比硼小，并已作为硼纤维的涂层使用．但其密度比硼高30％、且强度较低。高模量石墨纤维似乎很有吸引力，但它以纱线形式出现却是一个严重缺点，因为用固态制造方法很难使金属渗入为数一万根的纤维束中，而熔融的铝合金又会与纤维起剧烈反应。?--?钛合金Ti-6Al-4V的冷拉丝材和沉淀硬化钢“火箭”丝NS—355，内于密度大而在比强度和比模量上难以与硼相比。冷拉铍丝性能好，但生产成本太高也限制了其应用。 硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成的。将钨丝电阻加热到1100—1300℃并连续拉过反应器以获得一定厚度的硼沉积层．这样便在钨丝上沉积了颗粒状的无定形硼。目前大量供应的纤维有100um和140um两种直径，有的纤维带有2um厚的碳化硅涂层，其目的是为了改进纤维的抗氧化性能。140um硼纤维的室温密度为2．55g／cm3。由于硼纤维的表面具有高的残余压缩应力，因此纤维易操作处理，并对表面磨损和腐蚀不敏感，这是硼纤维的一项很有意义的特性。 此外，硼纤维还具有良好的高温性能，它在600℃时仍保持75％强度，在600℃和700℃时的蠕变性能比钨还好。但在500℃以上暴露于氧气中短时间纤维的强度就会严重受损，在表面涂一层碳化硅正是为了防止这种破坏作用。 2．基 体 硼纤维选择铝合金作为基体是出于铝合金具有良好的综合性能。所谓良好的综合性能是指良好的结合性能，较高的断裂韧性．较强的阻止在纤维断裂或劈裂处的裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性，较高的强度等。对于高温下使用的复合材料．还要求基体具有较好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能熔焊或钎焊，而对于某些应用还要求基体能采用复合蠕变成型技术。 目前普遍使用的铝台金有变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝等。这些铝合金并不完全符合硼纤维对金属基体的要求．但某些合金已得到了成功的使用，这其中最普遍的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合材料。 三、铝基复合材料的制造 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，第一种是纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行；第二种是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。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。 制造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材料组分的组装压合和零件层压。大多数硼—铝复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。前述的两种工艺具有十分相似的制造工艺，这就是把树脂粘合的或者是等离子喷涂的条带预制品再经过热压扩散结合。 1．挥发性粘合剂工艺 这种工艺是一种直接的方法，几乎不需要什么重要设备或专门技术。制造预制品的材料包括成卷的硼纤维、铝合金箔、气化后不留残渣的易挥发树脂以及树脂的溶剂。铝箔的厚度应结合适当的纤维间距来选择，通常为50~75um。 所用的纤维排列方法有两种，单丝滚筒缠绕和从纤维盘的线架用多丝排列成连续条带：前一种工艺因为简单而较常使用。利用滚筒缠绕可能做成幅片，其尺寸等于滚筒的宽度和围长。由于简单的螺杆机构便能保证纤维盘的移动与滚筒转动相配合，故能使间距非常精确和满足张力控制。 第二种纤维排列法是制造连续多丝条带，它要求更完善的设备条件。目前的设备可同时输出600根脆性丝。 等离子喷涂的硼—铝带用同样的方法制造，只是不喷挥发性粘合剂．而在纤维一箔片上喷一层基体铝合金，将纤维和箔片粘在一起。因为选择的等离子喷涂合金与箔基体相同，所以这两种材料都变成基体的一部分。铝合金粉注入到灼热的等离子气流中并在放热区内被熔化。熔融质点打在纤维—箔片上并急冷到纤维的反应温度以下。由于纤维周围充满了等离子焰射流中含有的惰性气体，因而能防止纤维氧化。 　　如果这些力平均分配在最近邻的六根纤维上及平均纤维应力是2.8GPa时，则在纤维断裂时，加给邻近纤维的局部附加张应力就是2.8GPa，或者说每邻近纤维上的附加张应力是0.45GPa。 　　纤维断裂处的附加应力值最大，而在离开断头端的距离等于临界剪切传递长度处，附加应力减小到零。 　　当弱纤维断裂时，复合材料应力状态的第三种变化与由此产生的冲击波有关。金属基复合材料中的断裂通常用声发射检查。 　　动载断裂能主要被试样所吸收，但关于它对复合材料抗拉强度的影响还没有定量的研究。 　　总之，组分性能和复合材料强度之间的关系比弹性模量更为复杂，因为强度和局部材料有关，而不是整个材料