金屬基復合材料-肖晨

1、12p 金屬基復合材料的定義及特性金屬基復合材料的定義及特性p 金屬基復合材料的使用要求金屬基復合材料的使用要求p 金屬基復合材料的發(fā)展和分類金屬基復合材料的發(fā)展和分類p 金屬基復合材料的制備工藝金屬基復合材料的制備工藝3 金屬基復合材料相對于傳統(tǒng)的金屬材料來說，具有較高金屬基復合材料相對于傳統(tǒng)的金屬材料來說，具有較高的比強度與比剛度；的比強度與比剛度； 與樹脂基復合材料相比，具有優(yōu)良的導電性與耐熱性；與樹脂基復合材料相比，具有優(yōu)良的導電性與耐熱性； 與陶瓷基材料相比，具有高韌性和高沖擊性能。與陶瓷基材料相比，具有高韌性和高沖擊性能。 金屬基復合材料（金屬基復合材料（MMC）是）是，非均質(zhì)混合

2、物，共同點是具有連續(xù)的金屬基體。非均質(zhì)混合物，共同點是具有連續(xù)的金屬基體。4構件的使用性能要求構件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)，也是其發(fā)重要的依據(jù)，也是其發(fā)展的動力。展的動力。v在航天、航空技術中高比強度和比模量以及尺寸在航天、航空技術中高比強度和比模量以及尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求。穩(wěn)定性是最重要的性能要求。 作為飛行器和衛(wèi)星的構件宜選用密度小的輕金屬合金作為飛行器和衛(wèi)星的構件宜選用密度小的輕金屬合金鎂鎂合金和鋁合金作為基體，與高強度、高模量的石墨纖維、合金和鋁合金作為基體，與高強度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨硼纖維等組成石墨/ /鎂、石墨鎂、石

3、墨/ /鋁、硼鋁、硼/ /鋁復合材料。鋁復合材料。5 19631963年，年，NASANASA制備出鎢絲增強制備出鎢絲增強CuCu基復合材料，是纖維基復合材料，是纖維增強金屬基復合材料的研究起點，增強金屬基復合材料的研究起點，SiC/Al,AlSiC/Al,Al2 2O O3 3/Al/Al； 19781978年年B/AlB/Al復合材料在哥倫比亞航天飛機上應用；復合材料在哥倫比亞航天飛機上應用； 1964 1964年，年，KraftKraft通過共晶合金定向凝固制備出金屬基復通過共晶合金定向凝固制備出金屬基復合材料，界面結合良好，合材料，界面結合良好，Ni-NiNi-Ni3 3AlAl，Ni

4、-NiNi-Ni3 3SiSi； 2020世紀世紀8080年代，金屬基復合材料迅速發(fā)展，開始注重年代，金屬基復合材料迅速發(fā)展，開始注重顆粒、晶須和短纖維增強金屬基復合材料，在汽車、體育顆粒、晶須和短纖維增強金屬基復合材料，在汽車、體育用品等領域得到應用；用品等領域得到應用； 9090年代后期，電子產(chǎn)品和技術迅速發(fā)展，低膨脹、高年代后期，電子產(chǎn)品和技術迅速發(fā)展，低膨脹、高強度和高導熱性的金屬基復合材料在電子產(chǎn)品得到應用；強度和高導熱性的金屬基復合材料在電子產(chǎn)品得到應用； 近年，功能和納米金屬基復合材料成為研究熱點。近年，功能和納米金屬基復合材料成為研究熱點。6基體基體增強體增強體7 鋁基復合材料

5、是金屬基復合材料中鋁基復合材料是金屬基復合材料中、的一種。的一種。 金屬鋁為金屬鋁為結構，無同素異構體，密度結構，無同素異構體，密度為鋼的為鋼的1/3左右，具有良好的左右，具有良好的，以及，以及、及及等優(yōu)點，在工程等優(yōu)點，在工程上廣泛應用。上廣泛應用。 工業(yè)純鋁：工業(yè)純鋁： 塑性優(yōu)異，適用各種形式的冷、熱加工；塑性優(yōu)異，適用各種形式的冷、熱加工； 導電、導熱性能好，代替銅制作導線；導電、導熱性能好，代替銅制作導線； 強度不高，不適合做承力大的結構材料。強度不高，不適合做承力大的結構材料。8根據(jù)各種方法的基本特點，把金屬基復合材根據(jù)各種方法的基本特點，把金屬基復合材料的制備工藝分為四大類：料的制

6、備工藝分為四大類：910 擴散結合也稱擴散粘接法或擴散焊接法，是加壓焊擴散結合也稱擴散粘接法或擴散焊接法，是加壓焊接的一種，包括熱壓法和熱等靜壓法。接的一種，包括熱壓法和熱等靜壓法。 在一定的溫度和壓力下，把表面新鮮清潔的相同或在一定的溫度和壓力下，把表面新鮮清潔的相同或不相同的金屬，通過表面原子的互相擴散而連接在一起。不相同的金屬，通過表面原子的互相擴散而連接在一起。 擴散結合是在較長時間的高溫及不大的塑性變形作擴散結合是在較長時間的高溫及不大的塑性變形作用下依靠接觸部位原子間的相互擴散進行的。用下依靠接觸部位原子間的相互擴散進行的。 擴散結合的過程：粘接表面之間的最初接觸，由于擴散結合的過

7、程：粘接表面之間的最初接觸，由于加熱和加壓使表面發(fā)生變形、移動、表面膜破壞；發(fā)生加熱和加壓使表面發(fā)生變形、移動、表面膜破壞；發(fā)生界面擴散和體擴散，使接觸面密著粘接；熱擴散界面最界面擴散和體擴散，使接觸面密著粘接；熱擴散界面最終消失，粘接過程完成。終消失，粘接過程完成。 擴散結合成為一種制造連續(xù)纖維增強金屬基復合材擴散結合成為一種制造連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的傳統(tǒng)工藝方法。料的傳統(tǒng)工藝方法。11a)a)金屬箔復合法金屬箔復合法 b)b)金屬無緯帶重疊法金屬無緯帶重疊法 c)c)表面鍍有金屬的纖維結合法表面鍍有金屬的纖維結合法 12 采用攪拌法制備金屬基復合材料時，采用攪拌法制備金屬基復合材料時

8、，常常會由于強烈攪拌將氣體或表面金常常會由于強烈攪拌將氣體或表面金屬氧化物卷入金屬熔體中；同時當顆屬氧化物卷入金屬熔體中；同時當顆粒與金屬基體濕潤性差時，顆粒難以粒與金屬基體濕潤性差時，顆粒難以與金屬基體復合，而且顆粒在金屬基與金屬基體復合，而且顆粒在金屬基體中由于比重關系而難以得到均勻分體中由于比重關系而難以得到均勻分布，影響復合材料性能。布，影響復合材料性能。 半固態(tài)復合鑄造主要是針對半固態(tài)復合鑄造主要是針對而提出的改進工藝。這種方法而提出的改進工藝。這種方法是將顆粒加入處于半固態(tài)的金屬基體是將顆粒加入處于半固態(tài)的金屬基體中，通過攪拌使顆粒在金屬基體中均中，通過攪拌使顆粒在金屬基體中均勻分

9、布，并取得良好的界面結合，然勻分布，并取得良好的界面結合，然后澆注成型或?qū)牍虘B(tài)復合材料注入后澆注成型或?qū)牍虘B(tài)復合材料注入模具中進行壓鑄成型。模具中進行壓鑄成型。13是將金屬熔體的溫度控制在是將金屬熔體的溫度控制在之間，通過之間，通過攪拌使部分攪拌使部分破碎成固相顆粒，熔體中的固相顆破碎成固相顆粒，熔體中的固相顆粒是一種粒是一種，可以防止半固態(tài)熔體粘度的增加。，可以防止半固態(tài)熔體粘度的增加。 當加入預熱后的當加入預熱后的時，因熔體中含有一定量的時，因熔體中含有一定量的，在攪拌中，在攪拌中而滯留在半固態(tài)金屬熔而滯留在半固態(tài)金屬熔體中，增強顆粒不會體中，增強顆粒不會而得到一定的分散。而得到一定的

10、分散。強烈的強烈的增強顆粒與金屬熔體的接觸、增強顆粒與金屬熔體的接觸、。 澆注時金屬基復合材料是處于半固態(tài)，直接澆注成型或澆注時金屬基復合材料是處于半固態(tài)，直接澆注成型或壓鑄成型所得的鑄件幾乎沒有縮孔或孔洞，組織細化和致密。壓鑄成型所得的鑄件幾乎沒有縮孔或孔洞，組織細化和致密。 半固態(tài)復合鑄造主要應用于顆粒增強金屬基復合材料。半固態(tài)復合鑄造主要應用于顆粒增強金屬基復合材料。短纖維、晶須在加入時容易結團或纏結在一起，雖經(jīng)攪拌也短纖維、晶須在加入時容易結團或纏結在一起，雖經(jīng)攪拌也不易分散均勻。不易分散均勻。14 半固態(tài)復合鑄造工藝中，金屬基體半固態(tài)復合鑄造工藝中，金屬基體應使熔體達到應使熔體達到3

11、0%-50%30%-50%固態(tài)；固態(tài)； 應應不產(chǎn)生湍流不產(chǎn)生湍流以防止空氣裹入，以防止空氣裹入，并使熔體中并使熔體中形成固態(tài)顆粒，降低熔體的粘形成固態(tài)顆粒，降低熔體的粘度，從而有利于增強顆粒的加入。度，從而有利于增強顆粒的加入。15 通過纖維或纖維預制件通過纖維或纖維預制件浸漬熔融態(tài)金屬而制成金屬浸漬熔融態(tài)金屬而制成金屬基復合材料的方法。基復合材料的方法。 工藝效率較高、成本較工藝效率較高、成本較低，適用于制成板材、線材低，適用于制成板材、線材和棒材等。和棒材等。 加工時，可以抽真空，加工時，可以抽真空，利用滲透壓迫使熔融金屬浸利用滲透壓迫使熔融金屬浸透到纖維的間隙中，也可以透到纖維的間隙中，

12、也可以在熔融的金屬一側(cè)用惰性氣在熔融的金屬一側(cè)用惰性氣體或外載荷施加壓力的方法體或外載荷施加壓力的方法實現(xiàn)滲透。實現(xiàn)滲透。16將增強材料制成將增強材料制成，置于氧化鋁容器內(nèi)。，置于氧化鋁容器內(nèi)。將基體金屬坯料置于可滲透的將基體金屬坯料置于可滲透的上部或下部。上部或下部。 氧化鋁容器、預制體和基體金屬坯料均裝入可通氧化鋁容器、預制體和基體金屬坯料均裝入可通入流動氮氣的入流動氮氣的中。中。通過加熱，通過加熱，并自發(fā)滲透進入網(wǎng)絡，并自發(fā)滲透進入網(wǎng)絡狀狀中。中。17 例如以例如以55-60%Al55-60%Al2 2O O3 3或或SiCSiC預制成零件的形狀，放入同樣形預制成零件的形狀，放入同樣形狀

13、的狀的，將含有，將含有3%-10%Mg3%-10%Mg的的（基體）（基體）放置在放置在上，在流動的氮氣氣氛下，加熱上，在流動的氮氣氣氛下，加熱至至800-1000800-1000，鋁合金熔化并自發(fā)滲入預制體內(nèi)。，鋁合金熔化并自發(fā)滲入預制體內(nèi)。 由于由于發(fā)生反應，在金屬基復合材料的顯微發(fā)生反應，在金屬基復合材料的顯微組織中還有組織中還有AlNAlN?？刂啤？刂?、以及以及，可以，可以控制控制AINAIN的生成量。的生成量。AlNAlN在在中起到提高復合材中起到提高復合材料料，降低，降低的作用。的作用。采用這種方法制備的采用這種方法制備的是鋁合金基體的兩倍，是鋁合金基體的兩倍，而而SiC/AlSiC

14、/Al的剛度也達到鋼的水平，但強度水平較低。的剛度也達到鋼的水平，但強度水平較低。 18加壓熔浸裝置加壓熔浸裝置1920 將將在坩堝中熔化在坩堝中熔化后，在壓力作用下通過噴咀后，在壓力作用下通過噴咀送入霧化器，在高速惰性氣送入霧化器，在高速惰性氣體射流的作用下，體射流的作用下，形成，形成所謂所謂“” ； 通過一個或多個通過一個或多個向向“霧化錐霧化錐”噴射入噴射入，使之與使之與一齊在一齊在基板（收集器）上沉積，并基板（收集器）上沉積，并快速凝固形成顆粒增強金屬快速凝固形成顆粒增強金屬基復合材料?；鶑秃喜牧?。211) 共晶合金定向凝固法共晶合金定向凝固法2) 直接金屬氧化法（直接金屬氧化法（DI

15、MOXTM）3) 反應自生成法（反應自生成法（XDTM）22 增強材料增強材料從從基體中凝固析出，通過控制冷基體中凝固析出，通過控制冷凝方向，在基體中生長出排列凝方向，在基體中生長出排列整齊的類似纖維的條狀或片層整齊的類似纖維的條狀或片層狀狀。 要求合金成分為共晶或接要求合金成分為共晶或接近共晶成分，以及有包晶或偏近共晶成分，以及有包晶或偏晶反應的兩相結合。晶反應的兩相結合。 工藝過程：合金原料在真空或惰性氣體中通過感應加熱熔工藝過程：合金原料在真空或惰性氣體中通過感應加熱熔化，控制冷卻方向，進行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方化，控制冷卻方向，進行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方向整齊排列，連續(xù)

16、相為基體，類似纖維的條狀或片層狀的分向整齊排列，連續(xù)相為基體，類似纖維的條狀或片層狀的分散相為增強體。散相為增強體。23 DIMOXDIMOXTMTM是一種可以制備金屬基復合材料和陶瓷基復合材料是一種可以制備金屬基復合材料和陶瓷基復合材料的的。DIMOXDIMOXTMTM法根據(jù)是否有法根據(jù)是否有又可分為又可分為和和，兩者原理相同。，兩者原理相同。制備金屬基復合材料的制備金屬基復合材料的沒有填充物沒有填充物（增強材料預成型體）和增強相，只是通過（增強材料預成型體）和增強相，只是通過來獲取復合材料。來獲取復合材料。 利用利用，制備，制備AlAl2 2O O3 3/Al/Al。 通過通過來獲取來獲取

17、AlAl2 2O O3 3增強相。通常鋁合金表面迅速氧化，增強相。通常鋁合金表面迅速氧化，形成一種內(nèi)聚、結合緊密的形成一種內(nèi)聚、結合緊密的，這層氧化鋁膜使得氧無法進，這層氧化鋁膜使得氧無法進一步滲透，從而阻止了膜下的鋁進一步氧化。但是在一步滲透，從而阻止了膜下的鋁進一步氧化。但是在DIMOXDIMOXTMTM工藝工藝中，中，上升到上升到900-1300900-1300，遠超過鋁的熔點，遠超過鋁的熔點660660。通過進。通過進一步加入一步加入SiSi和和MgMg，使熔化金屬通過顯微通，使熔化金屬通過顯微通道道，并順序氧化，即鋁被氧化，但，并順序氧化，即鋁被氧化，但未被堵塞。未被堵塞。24 利用

18、唯一基體法工藝，可以根據(jù)氧化程度來控制增強利用唯一基體法工藝，可以根據(jù)氧化程度來控制增強相的含量。相的含量。 如果工藝過程在所有金屬被氧化之前停止的話，則所如果工藝過程在所有金屬被氧化之前停止的話，則所制備的復合材料就是致密互連的制備的復合材料就是致密互連的AlAl2 2O O3 3陶瓷基復合材料，陶瓷基復合材料，其中含有其中含有5%-30%5%-30%的的AlAl。 除了可以直接氧化外，還可以直接氮化。通過除了可以直接氧化外，還可以直接氮化。通過DIMOXDIMOXTMTM工藝還可以獲得工藝還可以獲得AlN/AlAlN/Al，ZrN/AlZrN/Al和和TiN/TiTiN/Ti等金等金屬基或陶瓷基復合材料。屬基或陶瓷基復合材料。 當當DIMOXDIMOXTMTM工藝采用增強材料預成型體時，由于增強工藝采用增強材料預成型體時，由于增強材料預成型體是透氣的，金屬基體可以通過滲透的氧或材料預成型體是透氣的，金屬基體可以通過滲透的氧或氮順序氧（氮）化形成基體。氮順序氧（氮）化形成基體。25 是新近發(fā)展起來的技術，主要用于制造金屬間化合物是新近發(fā)展起來的技術，主要用于制造金屬間化合物復合材料。復合材料。 在反應自生成法中，增強材料是由加入基體中的相應在反應自生成法中，增強材料是