金屬基導(dǎo)電復(fù)合材料的研究.ppt

一、金屬基導(dǎo)電復(fù)合材料,金屬基復(fù)合材料特點： 用纖維、顆粒、晶須增強的金屬、合金或金屬間化合物，是當(dāng)前復(fù)合材料研究開發(fā)的重要領(lǐng)域，80年代以來發(fā)展快速。 樹脂基復(fù)合材料由于本身的特性通常只能在350以下使用。金屬基復(fù)合材料除了和樹脂基復(fù)合材料同樣具有高強度、高模量和低膨脹系數(shù)的特點外，它能耐3001200的溫度，同時還具有不燃性、高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、不放氣、不吸濕和耐老化等性能。,若與傳統(tǒng)的金屬材料相比，金屬基復(fù)合材料重量輕、強度和剛度高、耐磨損。但金屬基復(fù)合材料造價較高，有些制備工藝較為復(fù)雜。金屬基復(fù)合材料分為纖維增強型（包括短纖維和氈）、顆粒和晶須增強型、定向凝固共晶型和層狀型（交替疊層型）。 主流,1、纖維增強金屬基復(fù)合材料,由纖維增強的金屬、合金或金屬間化合物。它是在50年代末開始研究和發(fā)展起來的一種金屬基復(fù)合材料。在纖維增強金屬基復(fù)合材料中常用的增強基有：硼纖維、碳（石墨）纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、鎢絲、鉬絲、鋼絲等。常用的基體有：鋁、鎂、鈦、銅、鉛及其合金與高溫合金。其中以鋁基復(fù)合材料的研究與發(fā)展最為迅速，技術(shù)比較成熟，應(yīng)用也較廣泛。,纖維增強金屬基復(fù)合材料的性能取決于纖維和基體金屬的類型和性能，纖維的含量與分布、纖維與基體金屬間界面的結(jié)構(gòu)和性能，以及制備工藝過程。纖維增強金屬基復(fù)合材料的制備工藝與性能列于表5-9中。,各種纖維增強金屬基復(fù)合材料具有不同的綜合性能，用于不同的領(lǐng)域。 鋁鎂和鎂基復(fù)合材料主要用于航天、航空領(lǐng)域作為高性能的結(jié)構(gòu)材料。 鈦基和高溫合金基復(fù)合材料主要用于發(fā)動機零件。 銅、鉛、基復(fù)合材料主要用于電子和能源領(lǐng)域，作為特殊的導(dǎo)體和電極材料。,碳（石墨）/鋁、碳（石墨）/鎂復(fù)合材料具有高的比強度和比模量，又具有接近于零的熱膨脹系數(shù)和良好的尺寸穩(wěn)定性，已成功的用于人造衛(wèi)星支架、L頻帶平面天線、空間望遠(yuǎn)鏡和照相機的鏡筒、紅外反射鏡、人造衛(wèi)星拋物面天線等。,硼/鋁復(fù)合材料是應(yīng)用最早的纖維增強金屬基復(fù)合材料，具有很高的比強度和比模量，可作主承力構(gòu)間。硼/鋁復(fù)合材料管柱用于航天飛機機艙框架結(jié)構(gòu)，243根硼/鋁組成的航天飛機機艙框架結(jié)構(gòu)比用鋁制重量減輕44%。硼/鋁復(fù)合材料也用于航天和先進武器系統(tǒng)，例如做成B1飛機的垂直尾翼、發(fā)動機風(fēng)扇葉片、導(dǎo)彈構(gòu)件，還用于核能裝置和核燃料的儲運設(shè)備等。,鎢絲增強高溫合金、鎢絲增強銅、碳化硅纖維增強Ti3Al、TiAl、Ni3Al等金屬間化合物在燃?xì)廨啓C耐熱零件、火箭發(fā)動機發(fā)面的運用是金屬基復(fù)合材料研究的重要方向之一。這些高溫金屬基復(fù)合材料具有良好的高溫強度、抗蠕變性、抗沖擊、耐熱疲勞等性能，用作燃?xì)廨啓C葉片、轉(zhuǎn)動軸等高溫零件，能明顯提高發(fā)動機的效率。纖維增強金屬基復(fù)合材料，由于具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能和低的熱膨脹系數(shù)，在電子工業(yè)中用作大功率大規(guī)模集成電路元件基板，熱膨脹系數(shù)與硅材料相當(dāng)，可避免熱應(yīng)力造成的硅片損傷和器件失效，提高集成電路元件的可靠性。,碳/銅復(fù)合材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和耐燒蝕性，做成的單級慣性電極電刷課通過1000A/cm2的大電流，在粒子束武器中有重要作用。碳/鉛復(fù)合材料可用作核潛艇大型蓄電池極板。,纖維增強金屬基復(fù)合材料在汽車、體育、紡織等工業(yè)中應(yīng)用也正在迅速發(fā)展。特別是在汽車工業(yè)中用纖維增強金屬基復(fù)合材料在內(nèi)燃機活塞、連桿、活塞銷等發(fā)動機零件，有效地減輕云固定部件的重量，提高發(fā)動機的效率和使用壽命。用氧化鋁、硅酸鋁纖維增強的鋁活塞是金屬基復(fù)合材料在民用工業(yè)中應(yīng)用最成功的實例。由于在鋁合金中加入氧化鋁短纖維而有效地提高了合金的高溫強度。耐磨性和減少熱膨脹系數(shù)，使發(fā)動機效率提高5%，壽命提高5倍以上。,2、顆粒增強金屬基復(fù)合材料,定義：以一種或多種金屬、非金屬或陶瓷的顆粒作增強體，彌散于金屬基體中所制成的一種金屬基復(fù)合材料。 特點：制備工藝比較容易，成本低，并可用熱壓、熱擠壓、熱軋等常規(guī)熱加工工藝加工成型，增強相在基體內(nèi)彌散分布具有各向同性，適于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下使用。,、基體材料 基體材料是金屬基復(fù)合材料的主要組成部分，起固結(jié)增強顆粒、傳遞和承受各種載荷的作用。金屬基體材料的性能對所制備的金屬基復(fù)合材料的性能起著非常重要的作用，其密度、強度、塑性、耐蝕耐熱性能、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能等均影響復(fù)合材料的整體性能。,、增強顆粒 增強顆粒也是金屬基復(fù)合材料的重要組成部分之一，其作用是提高金屬基體的強度、剛度、耐磨損等性能。隨著顆粒增強復(fù)合材料的發(fā)展，新的增強顆粒不斷現(xiàn)。 在了解各種增強顆粒的性能、結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)如下所述的原則選定增強顆粒： 最主要,顆粒的硬度、剛度要高，用于增強復(fù)合材料耐磨損耐沖擊性能。根據(jù) Richardon 1的觀點，要提高耐磨材料的耐磨性，必須設(shè)法使材料表面硬度 Hu 與磨料硬度 Ha 的比值超過轉(zhuǎn)折點，即 Hu / Ha 0.8。 增強顆粒與基體材料的高溫潤濕性應(yīng)盡可能好一些，根據(jù)顆粒間的毛細(xì)作用原理2，潤濕角越小，鑄滲深度越大，鐵液的滲透能力越強，均越有利于形成結(jié)合致密、沒有氣孔和裂紋的優(yōu)質(zhì)復(fù)合材料。,增強顆粒應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在復(fù)合材料的制備和使用過程中其組織結(jié)構(gòu)和性能不發(fā)生明顯的變化或退化。 增強顆粒的粒度要適宜，太大或太小都有可能產(chǎn)生不利影響。顆粒粒度太大，影響鑄件尺寸精度和表面光潔度； 顆粒粒度太小，比表面積大會導(dǎo)致溶解嚴(yán)重下降而降低顆粒體積含量3顆粒的增強效果，也不利于形成復(fù)合良好、表面完整的復(fù)合材料。,、界面 復(fù)合材料的性能受界面結(jié)合狀況的影響很大，界面結(jié)合主要取決于金屬基與陶瓷增強相之間的化學(xué)結(jié)合和晶格匹配4?；瘜W(xué)結(jié)合與晶格匹配越好，界面能越低，潤濕性越好，在不產(chǎn)生脆性界面相的條件下，復(fù)合材料的力學(xué)性能越好。,顆粒增強鋁基復(fù)合材料是比較成熟的金屬基復(fù)合材料。其中碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料，由于碳化硅顆粒與鋁偶良好的界面結(jié)合強度，鋁基經(jīng)碳化硅顆粒增強后能顯著提高彈性模量、抗拉強度、高溫強度和耐磨性，采用常規(guī)粉末冶金法或鑄造法即可制備，它是當(dāng)前金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用最廣、最早能實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的品種。,碳化硅顆粒增強鋁的密度僅為鋼的1/3，為鈦合金的2/3而與鋁合金相近。它的強度比中碳鋼好，與鈦合金相近而比鋁合金略高。模量略高于鈦合金比鋁合金搞很多。其價格與鋁合金大致相當(dāng)，而僅為鈦合金的1/5。目前已經(jīng)小批量用于汽車工業(yè)和機械工業(yè)中?？蓱?yīng)用于火箭和導(dǎo)彈構(gòu)件、紅外及激光制導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)件、超輕空間望遠(yuǎn)鏡、精密航空電子器件封裝材料、坦克履帶板等。,3、晶須增強金屬基復(fù)合材料,定義：以晶須為增強體，以金屬為基體所形成的一種金屬基復(fù)合材料。 （晶須： 性能特點：充分利用基體的強韌性和晶須的高強度、高耐熱性、高耐磨性、高絕緣性能，使其具有傳統(tǒng)金屬材料所無法比擬的優(yōu)異性能。晶須的制備工藝復(fù)雜，成本極高，大大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域5-7。,制備特點：可以進行二次加工，一般采用熱擠壓、熱軋制和熱旋壓等方法。 二次加工可以消除復(fù)合材料中的孔洞，提高晶須分布的 均勻性，從而能提高強度并明顯改善材料的塑性。 近年來，為了獲得具有優(yōu)異力學(xué)性能，且成本較低的晶須，國內(nèi)外重點開展了硼酸鹽晶須的制備及其在鎂、鋁基等復(fù)合材料中的應(yīng)用研究7。晶須增強金屬基復(fù)合材料已經(jīng)在航太航空、汽車、體育器械及紡織等部門得到應(yīng)用。,4、定向凝固共晶復(fù)合材料,定義：是一種自生纖維（或片層）增強的金屬基復(fù)合材料。它的纖維或片層是合金熔煉體定向凝固時和基體同時生長的。 特點：a、它是由結(jié)晶所獲，兩相間界面結(jié)合較強。 b、它是在高溫下接近平衡條件下緩慢生長而成，兩相間處于化學(xué)平衡狀態(tài)，相界面試保持半共格的低能界面8,所以在高溫下比較穩(wěn)定，能保持其結(jié)構(gòu)和性能。,C、纖維分布比較均勻。 d、可避免由于物理壓制過程中對纖維的損傷。 應(yīng)用：1960年定向凝固技術(shù)開始用于制備復(fù)合材料，采用定向凝固法能生產(chǎn)出具有特殊物理性能和力學(xué)性能的金屬基復(fù)合材料。定向共晶復(fù)合材料的兩相具有不同的電、磁、熱等物理性能以及由規(guī)則排列引起的各向異性，是這類材料可用作電磁材料、電子材料等。,80年代定向凝固共晶合金出現(xiàn)了咦NiAl、 Ni3Al為基體的新型合金。同時，用NbC、TaC纖維強化的定向共晶高溫合金已逐步向?qū)嵱没A段過渡。1977年，美國成功地進行了NiTaCl3定向共晶合金制造的低壓渦輪實心葉片發(fā)動機剎車，80年代后期，美國有采用NiTaCl4B定向共晶合金制作高壓渦輪空心冷卻葉片。因而，定性凝固共晶復(fù)合材料具有潛力，有待于進一步研究開發(fā)。,5、層狀金屬基復(fù)合材料,定義：在金屬基體外包覆以金屬、聚合物或陶瓷而制成的材料，又稱交替疊層型金屬復(fù)合材料。 層狀金屬基復(fù)合材料的使用歷史悠久，在古代就已使用鋼材和鐵制成利而韌的刀劍。應(yīng)用最多的是金屬/金屬層狀材料，表5-10中列有各種金屬材料的肯能組合。,制備：層狀金屬基復(fù)合材料的制備方法有涂飾法和包覆法。 涂飾法是將第二種組分材料覆蓋在金屬基體上并形成一層連續(xù)的薄膜，通常使用的方法有電鍍、熱浸、噴涂和化學(xué)氣相沉淀等。 包覆法是將熔化的材料或固體材料黏結(jié)在金屬基表面，采用的方法有軋制、熱壓、鑄造、擠壓、爆炸復(fù)合、釬焊和焊接等。,應(yīng)用：層狀金屬基復(fù)合材料在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如下所述。 在航空工業(yè)中用作飛機蒙的鋁包覆硬鋁（稱三夾板），其中間層鋁合金提供所需的高力學(xué)性能，兩層純鋁外層具有穩(wěn)定的耐腐蝕性能，保護了不耐腐蝕的鋁合金。,鈦、鉭有優(yōu)異的耐蝕性能，被用于化工設(shè)備，但由于鈦和鉭的價格是不銹鋼的數(shù)倍，而使其應(yīng)用受到限制。用軋合法或爆炸復(fù)合法將鈦包覆在鋼板上制成鈦包鋼復(fù)合板，或?qū)g包覆在銅板上制成鉭包銅復(fù)板。這種復(fù)合板的包覆層提供了優(yōu)異的耐蝕性能，基體金屬提供了足夠的力學(xué)性能，又能大幅度降低成本。,輕型汽車軸瓦使用的鋁基鋼帶是由純鋁帶、鋁合金帶、純鋁帶三層金屬冷軋復(fù)合，然后再與鋼帶冷軋而成的金屬復(fù)合帶。這種層狀鋁基鋼帶中的鋼背能夠給軸瓦提供足夠的強度與剛度，既彌補了鋁合金的不足，又能充分發(fā)揮鋁合金軸瓦的固有性能。,美國除了紀(jì)念硬幣外的大小硬幣都是用層狀金屬基復(fù)合材料制成的。這種材料是由銅層和外包兩層較薄的銅鎳合金（75%銅和25%鎳）組成，其體積比例為：1/6:4/6:1/6。外層銅鎳合金提供了所需的外觀、耐磨損和耐蝕性能，內(nèi)層銅保證了所要求的密度。,許多接點材料是由銀、鉑、鉑族金屬包覆鋼、青銅或鎳而制成的。恒溫元件由兩層或多層膨脹系數(shù)不同的組份制成，溫度變化時材料的曲率也隨之變化。高膨脹組分有黃銅、蒙乃爾合金、奧氏體鎳-鉻-鐵和鎳-錳-鐵、鎳-鉬-鐵合金和鎂-鎳-銅合金等。低膨脹組分有鎳-鐵合金（即因瓦恒范鎳鋼）。,近年來，國家確定優(yōu)先發(fā)展：復(fù)合材料制備工藝及其成套設(shè)備。 近期產(chǎn)業(yè)的重點是：建設(shè)鋁-不銹鋼、鋁-鋼、鈦-鋼、銅-鋼帶液-固相復(fù)合工藝生產(chǎn)，鋼-不銹鋼復(fù)合產(chǎn)線；開發(fā)顆粒增強鋁基復(fù)合材料規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)、半固態(tài)成型技術(shù)、連續(xù)包覆復(fù)合高速鋼材料及制品，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。,1T W 克萊因，P J 威瑟斯著 （ 余永寧，房志剛譯） 金屬基復(fù)合材料導(dǎo)論M 北京： 冶金工業(yè)出版社，1996： 6，278-280. 2王恩澤 鑄滲法制備顆粒增強耐熱鋼基表面復(fù)合材料的研究D 西安： 西安交通大學(xué)，1998 3 王華明 鑄件表面復(fù)合合金層組織與性能的研究D 西安：西安交通大學(xué)，1986 4 K Sugknuma Ann Rer MaterJ Sci，1988，（ 18） ： 47-73,5Suganuma K, Fujita T, Suzuki N, et al Aluminum composites reinforce