材料科學7第七章金屬基復合材料的性能課件

1、第7章 金屬基復合材料的性能 江蘇大學 材料科學與工程學院2022/7/271 現(xiàn)代科學技術的發(fā)展對材料性能的要求越來越高，特別是航天航空、軍事等尖端科學技術的發(fā)展，使得單一材料難以滿足實際工程的要求，這促進了金屬基復合材料的迅猛發(fā)展。與傳統(tǒng)金屬材料相比，金屬基復合材料具有較高的比強度、比剛度，耐磨損.與樹脂基復合材料相比，金屬基復合材料具有優(yōu)良的導電、導熱性，高溫性能好，可焊接.123與陶瓷材料相比，金屬基復合材料具有高韌性和高沖擊性能、線脹系數(shù)小等優(yōu)點.2022/7/2727.1金屬基復合材料的性能簡介幾種典型的金屬基復合材料的力學性能列于表7-1中。金屬基復合材料中所用的增強物的力學性能

2、都很高、且密度低，因此它們的比強度和比模量高。圖7-1和圖7-2中分別示出了金屬基復合材料的比強度和比模量與溫度的關系。圖7-3表示出了常見金屬基復合材料熱膨脹系數(shù)。2022/7/27310190807001.79960kevlarSuperhybrid3090807402.15960s-glassSuperhybrid602201208603.04860GrifiticSuperhybrid-18011002.436602040AlG (142m)-1407603.436502034AlG (81.3m)40303108235.34250NickelG T 75-2407905.29550N

3、ickelG T 75-1207705.28735PbG T 75-1904501.79942MgG T 7514034023014803.73738TiB4C on C1003401008403.79620AlSiC Whisker21052026012103.93135TiSiC140(140)23014802.934506061AlSiC140(140)21011703.59850201AlFP-2402906.09039CuG T 75-2007207.47441AlG T 7519046022012703.68145TiBorsic16014023013802.491506061Al

4、B on W.142-m-3005101.82733AZ31MGG HM Pitch-3206302.436416061AlG HM Pitch40701605502.43630201AlG GY7030302106602.38034201AlG GY70-1601120-49201AlG T5030501706202.38030201AlG T50模量GPa拉伸強度MPa模量GPa拉伸強度MPa橫向縱向密度g/cm3增強體體積分數(shù)vol%基體纖維表7-1 金屬基復合材料的典型力學性能2022/7/274圖7-1復合材料的比強度與溫度的關系圖7-2復合材料的比模量與溫度的關系2022/7/27

5、5圖7-3復合材料的熱膨脹系數(shù)2022/7/276 7.2顆粒增強金屬基復合材料 7.2.1顆粒增強鋁基復合材料 增強體顆粒加入到鋁合金后，引起基體合金微觀結構的變化，同時使合金的性能發(fā)生改變。1 彈性模量2 強度3 導熱性能4 熱膨脹性能5 高溫力學性能表7-2中給出一些顆粒增強鋁基復合材料的力學性能數(shù)據(jù)。2022/7/277復合材料0.2/MPab/MPa / E/GPa 制造商Al2O3/6061Al 10% (T6) 15% (T6) 20% (T6) 296 319 359 338 359 379 7.5 5.4 2.181 8798Duralcan, AlcanSiCp/6061A

6、l 10% (T6) 15% (T6) 20% (T6) 405 420 430 460 500 515 7.0 5.0 4.098105115DWADWADWAAl2O3/4042Al 10% (T6) 15% (T6) 20% (T6) 483 476 483 517 503 503 3.3 2.3 1.08492101Duralcan, AlcanSiCp/2024Al 10% (T6) 15% (T6) 20% (T6) 400 490 405 610 630 5605724 3 100 105 BritishPetroleumDWASiCp/7075Al 15% (T651) 556

7、 601 2 95Cospray, AlcanSiCp/7079Al 15% (T6) 598 643 2 90Cospray, AlcanSiCp/7079Al 20% (T6) 665 735 105 DWA表7-2 顆粒增強鋁基復合材料的力學性能2022/7/278(1) 彈性模量增強體的加入，使復合材料的彈性模量（E）顯著提高。影響復合材料彈性模量的因素主要有增強體種類、含量、長徑比、定向排布程度和基體合金種類以及熱處理狀態(tài)等。表7-2所示，隨著增強體顆粒的加入及體積分數(shù)增大，彈性模量大致呈線性關系提高。2022/7/279圖7-4說明SiC顆粒和晶須增強不同鋁合金基復合材料所產生的強

8、化效果與基體強度密切相關，強度低的基體對顆粒或晶須的增強效果明顯。圖7-4 不同鋁基復合材料的室溫拉伸強度(2) 強度2022/7/2710相對于基體合金具有更高的耐熱性是復合材料的又一重要特點。圖7-5和圖7-6分別為40%（體積分數(shù)）AlNp/6061 Al復合材料和不同合金基復合材料的高溫拉伸性能。圖7-5 AlNp/6061Al復合材料以及基體合金的高溫強度2022/7/2711圖7-6 復合材料的拉伸強度與溫度之間的關系曲線2022/7/2712(3) 導熱性 傳統(tǒng)的Invar和Kovar系列合金、Mo合金、W合金等由于電阻、熱阻或密度較大的原因，都難以滿足現(xiàn)代航空航天電子封裝集成材

9、料的要求。而目前大部分電子封裝材料主要采用Al2O3陶瓷，SiC陶瓷和AlN陶瓷，前兩種材料的熱導率較低且密度較高，后者成型較為困難。表7-3顯示了部分傳統(tǒng)材料和目前使用的電子封裝材料的熱導率和熱膨脹性能。圖7-9為SiCp/A1復合材料的熱導率和線脹系數(shù)與SiC體積分數(shù)的關系，可見通過適當條件可以獲得不同的熱導率與線脹系數(shù)匹配，以滿足不同的電子元器件的要求。2022/7/2713材料AlNBeOAl2O3WSiCInvarSiMoKovar線脹系數(shù)/10-6K-14.76.78.34.53.80.44.15.05.9熱導率/W.(m.k)-125025020174701113.514017表

10、7-3 部分材料的熱導率和熱膨脹性能2022/7/2714(4) 熱膨脹性能性能AB2Cr13電鍍Ni線脹系數(shù)/10-6K-19.712.49.312.1熱導率/W.(m.K)-112712324.98.0彈性模量/GPa1451172.912002.0密度/g.cm-32.917.87.75表7-4 SiCP/Al復合材料與常規(guī)材料力學性能的比較注:A用于精密儀器的金屬基復合材料，6061-T6,40%SiCP(體積分數(shù))；B用于光學儀器的金屬基復合材料，2124-T6，30% SiCp(體積分數(shù)).2022/7/2715圖7-7中SiCP/2024Al復合材料線脹系數(shù)與SiC顆粒體積分數(shù)的

11、關系.這表明復合材料的線脹系數(shù)在一定范圍可調，因此，SiCP/Al復合材料在光學儀表和航空電子元件領域具有較好的應用前景。 圖7-7 SiCp/Al性能與SiC體積的關系2022/7/2716(5) 高溫力學性能 表7-5給出了SiCP/A356復合材料的高溫性能由表中可見SiC顆粒體積分數(shù)增加,復合材料的高溫性能提高,當體積分數(shù)為20%時,復合材料在200左右的強度仍與鋁基合金室溫強度相當。溫度/拉伸強度/MPa0% SiC10%SiC15%SiC20%SiC2226230333135214916525528329620410322124824826076131145152316286976

12、76表7-5 SiCP/A356復合材料高溫性能2022/7/27177.2.2 顆粒增強鎂基復合材料 SiCP/Mg復合材料的性能見表7-6。由表7-6可見在同一溫度下，隨著增強顆粒的加入及其體積含量的增加，復合材料的屈服強度、拉伸強度、彈性模量都有所提高，伸長率則有所下降。但對于同一含量增強相而言，隨著溫度的升高，屈服強度、拉伸強度、彈性模量都有所降低，伸長率有所提高，說明溫度對這種材料的性能有較大的影響。另外，對鑄態(tài)復合材料進行壓延，可使其力學性能大大提高，壓延之所以能達到這種效果是由于經過壓延陶瓷顆粒增強相在基體內分布更加均勻，消除了氣孔、縮松等缺陷。2022/7/2718表7-6 S

13、iCpMg復合材料不同溫度的力學性能材料溫度0.2MPabMPa%EGPa15.1% SiCpAZ9121207.9235.91.153.919.6% SiCpAZ9121212.1231.00.757.425.4% SiCpAZ9121231.7245.00.765.125.4% SiCpAZ91177159.6176.41.556.025.4% SiCpAZ9126053.268.63.6-20% SiCpAZ9125+壓延251.0336.05.779.02022/7/2719寶馬方向盤2022/7/2720鎂合金摩托車車輪鎂合金汽車車輪2022/7/2721筆記本電腦外殼2022/7/

14、27227.2.3 顆粒增強鋅基復合材料 SiCP/Zn復合材料的性能見表7-7。由表7-7可見隨著SiC顆粒體積分數(shù)的增加， SiCP/ZA27復合材料的彈性模量及硬度均有所提高，拉伸強度降低，這可能是因為ZA27基體塑性差所致，但是對于SiCPZA22復合材料而言拉伸強度卻有一個峰值，可能是由于位錯密度升高導致的結果。材料b/MPa/%E/GPaHBS10% SiCP/ZA27396092121.020% SiCP/ZA273300110159.05% SiCP/ZA224853.696101.010% SiCP/ZA225182.8105116.520% SiCP/ZA224800131

15、121.6表7-7 SiCP/Zn復合材料的性能2022/7/2723 將ZA27合金在坩堝中熔化,并在600保溫,隨后在熔體表面加入SiC顆粒,用高能超聲處理6090s,得到熔體-顆粒懸浮液,并在金屬型中澆注成形，得到SiCp/ZA27復合材料。 圖7-10為SiC增強體在相同的顆粒粒徑(7m)條件下,顆粒的體積分數(shù)對復合材料力學性能的影響。2022/7/2724圖7-8 SiCp(7m)/ZA27的室溫性能與SiC體積分數(shù)的關系 2022/7/2725 選用粒度約為10m的SiC顆粒作為增強相，基體材料是ZA27合金，其成分為(質量分數(shù)，下同)Al為25%28%,Cu為1.25%1.75%

16、,Mg為0.01%0.15%。用擠壓浸滲法制備SiCp/ZA27復合材料，預制塊和模具預熱溫度為650，浸滲壓力為9.0MPa。室溫磨損試驗在國產MM200磨損試驗機上進行，摩擦副為40Cr鋼。表7-8為復合材料的磨損結果。從表中可以看出，復合材料中由于增強相顆粒的加入，ZA27合金的耐磨性提高了77.85倍。隨著SiC顆粒含量的增加，ZA27合金的耐磨性進一步提高，當SiC顆粒含量質量分數(shù)達30%時，耐磨性提高了126.5倍。 表7-8 SiCp/ZA27復合材料的磨損結果2022/7/27267.2.4 顆粒增強銅基復合材料TiB2-Cu基復合材料和TiB2陶瓷材料的力學性能如表7-9所示

17、。由表可見，由于金屬Cu的加入，TiB2-Cu基復合材料的致密度、彎曲強度和斷裂韌性均大幅度提高。材料密度/g.cm-3致密度/%硬度HRA彎曲強度/MPa斷裂韌性/MPa.m1/2TiB2-Cu5.41796.176.55838.32TiB24.1391.482424.84.71表7-9 TiB2-Cu基復合材料的力學性能2022/7/2727采用內氧化工藝制備了質量分數(shù)為0.89%銅基復合材料，其增強體Al2O3的質量分數(shù)為0.89%，其增強體比例與用機械合金化工藝的相當。復合材料經燒結、擠壓和冷拔后的綜合性能列于表7-10，復合材料加工率與強度的關系、復合材料硬度與退火溫度的關系分別示于

18、圖7-9和圖7-10。2022/7/2728工藝方法質量分數(shù)%試驗溫度bMPa0.2MPa%HRB相對電導率(LACS)/%機械合金化法0.9254054006.560844271821566-內氧化法0.8925565545128578.834275254708-表7-10 Al2O3/Cu復合材料的力學及電學性能2022/7/2729 圖7-9 復合材料加工率與強度的關系圖7-10 復合材料硬度與退火溫度的關系2022/7/27307.2.5 顆粒增強鈦基復合材料鈦基復合材料比鈦合金具有更高的比強度、比剛度、抗高溫性能等，使其成為先進飛行器和航空發(fā)動機的候選材料，而成本較低的顆粒增強鈦基復

19、合材料在廣泛的民用領域則有著巨大的應用市場。表7-11列出了鈦合金和顆粒增強鈦基復合材料的機械性能。表7-11 顆粒增強鈦基復合材料的室溫拉伸性能2022/7/2731圖7-13為TiC顆粒增強鈦基復合材料（TP-650）在不同試驗溫度下的強度與延伸率關系曲線。圖7-11 TP-650復合材料在不同試驗溫度下的強度與延伸率關系曲線2022/7/27321）SiCW/Al復合材料的彈性模量SiC晶須的加入，可以明顯提高復合材料的彈性模量和強度。表7-12給出了采用粉末冶金法制備的SiCw/Al復合材料的室溫拉伸性能。 7.3 晶須增強金屬基復合材料7.3.1 晶須增強鋁基復合材料2022/7/2

20、733材 料熱處理工藝E/GPa0.2/MPab/MPa/%nPM54568Vol% SiCw/545620Vol% SiCw/54568Vol% SiCp/545620Vol% SiCp/5456淬火淬火淬火淬火淬火71881198110625927538025332443350363545955223721570.010.050.130.070.11PM2124PM2124PM2124PM2124T4T6T8退火73697275414400428110587566587214181723190.020.010.010.108Vol% SiCw/21248Vol% SiCw/21248Vol

21、% SiCw/21248Vol% SiCw/2124T4T6T8退火97959490407393511145669642662324989100.010.090.020.2520Vol% SiCw/212420Vol% SiCw/212420Vol% SiCw/212420Vol% SiCw/2124T4T6T8退火13012812812849749771822189088089750432320.120.140.040.408Vol% SiCp/21248Vol% SiCp/2124T4T89187368475-20Vol% SiCp/212420Vol% SiCp/2124T4T81101

22、10435573-表7-12 SiCw/Al復合材料的拉伸性能2022/7/27342）SiCw/Al復合材料的強度 SiCw/Al復合材料的強度與晶須體積分數(shù)、晶須排列與分布、界面狀態(tài)、基體合金種類以及熱處理狀態(tài)等因素有關.雖然SiCw/Al復合材料的比例極限與鋁合金相近甚至要低于鋁合金的比例極限，但其屈服與拉伸強度要遠高于相應的鋁合金。 有關SiCw/Al復合材料的強度理論研究較多，最簡單的為混合定則，但其理論值與實際強度值差異很大，主要原因為混合定律并未考慮進諸如增強體形狀、空間分布等組織有關的因素。此外，對于SiCw/Al復合材料，混合定律的等應變假設也不成立，由此模型預報的流變應力與

23、彈性模量通常是正確值的上限。2022/7/27353）斷裂韌性 關于SiC晶須或顆粒增強鋁基復合材料斷裂行為的研究涉及的斷裂形式有拉伸斷裂、壓縮斷裂、彎曲斷裂、疲勞斷裂、蠕變、應力腐蝕斷裂等諸種，其中有關拉伸斷裂、疲勞斷裂的研究占絕大部分，而后者的內容又為復合材料疲勞研究的重點。2022/7/2736材料晶須含量(體積分數(shù))/%制備方法狀態(tài)斷裂應變/%SiCw/1100Al202828SQPMSQ-443.7SiCw/6061Al151718202020222530PMSQPMPMPMSQ+EXTRSQPMPMT6T6T6T6T6T6T6T6T63.63.52.82.32.23.52.851.

24、91.5-1.8SiCw/2024Al2020PMPMT6T62.0-2.52.4SiCw/2124Al202020152013.230PMPMPMPMPMPMPMT4T6T8T6T6T6T63233.73.04.01.4-1.8SiCw/7075Al17.52030PMPMPMT6T6T62.83.41.2-1.5SiCw/5456Al20PMQuenched2表7-13 SiCw/Al復合材料室溫拉伸的斷裂應變2022/7/2737(1) SiCw/Al復合材料的斷裂特怔 斷裂應變小、斷裂韌性低 是SiCw/Al復合材料斷裂的顯著特征，也是目前限制該種材 料推廣應用的主要障礙。SiCw/A

25、l復合材料的斷裂在宏觀上 表現(xiàn)為脆性斷裂，而微觀上則表現(xiàn)出韌窩塑性斷裂的特 征。(2) SiCw/Al復合材料的斷裂應變與斷裂韌性 SiCw/Al復合 材料通常具有較低的塑性。表7-13給出了以不同鋁合金 為基體的復合材料的拉伸斷裂應變，可見對于晶須體積 分數(shù)Vf為15%30%的SiCw/Al復合材料，其最大斷裂應變 b只有3%左右，并且基體合金的種類和增強體含量的變 化（上述Vf范圍內）對b的影響不大。 研究表明，SiCw/Al復合材料的斷裂韌性明顯低于相應的基體合金。2022/7/2738 目前對SiCw/Al復合材料斷裂韌性的測定還沒有標準化，其中一個主要的原因是預制裂紋的加工比較困難，

26、而產生疲勞裂紋的門檻值Ka較高，裂紋萌生后又迅速擴展難以控制。很多研究參考金屬材料的標準如ASTM399平面斷裂韌性的測試方法及ASTM813J積分的測量方法測試中大都采用緊湊拉伸試樣，在試樣加工時通過計算機控制缺口試樣底部的曲率半徑來解決預制裂紋的加工問題。根據(jù)SiC/Al復合材料的性質，許多工作研究測試復合材料裂紋萌生斷裂韌性，也有人研究裂紋長大過程中復合材料的斷裂韌性，但主要是針對顆粒增強的復合材料。 2022/7/2739 SiCw/Al復合材料的斷裂韌性受到晶須體積分數(shù)及分散程度、基體合金的種類及其微觀結構、SiCw-Al界面性質、時效處理工藝等因素的影響。試驗表明，提高晶須的體積分

27、數(shù)、晶須分散不均勻、增大SiC粒子的尺寸，界面產生析出物或結合強度過高、基體合金的韌性差均可導致復合材料斷裂韌性的降低。2022/7/2740表7-14給出了熱處理工藝對20%SiC/6061Al復合材料斷裂韌性的影響。材料狀態(tài)斷裂韌性K1C/MPa.m1/2備注SiCw/6061Al制造態(tài)T6真空除氣真空除氣+T619.523.418.922.4測試前不進行任何熱處理527固溶1h水淬、177時效8h500真空保溫48h先真空除氣然后T6處理6061AlT636.8527固溶1h水淬、177時效8h表7-14 熱處理工藝對SiCw6061Al復合材料斷裂韌性的影響 綜上所述，應通過控制SiC

28、晶須的分布、改善基體的韌性、凈化基體以及熱加工等手段提高SiCw/Al復合材料的斷裂韌性。2022/7/27417.3.2 晶須增強鎂基復合材料的性能 表7-15為采用不同粘結劑的壓鑄態(tài)SiCW/AZ91鎂基復合材料的拉伸性能.與基體合金AZ91相比, SiCW/AZ91的屈服強度、拉伸強度和彈性模量均大大提高,而伸長率下降。材料Vf/%0.2/MPab/MPa伸長率/%E/GPaAZ9101022056.0046SiCW/AZ91(酸性磷酸鋁粘結劑)212403701.1286SiCW/AZ91(硅膠粘結劑)212363320.8280SiCW/AZ91222233251.0881表7-15

29、 采用不同粘結劑的SiCW/AZ91鎂基復合材料的拉伸性能2022/7/2742 圖7-14為采用硅膠粘結劑與采用酸性磷酸鋁粘結劑的SiCW/AZ91鎂基復合材料中，復合材料鑄錠不同部位沿壓鑄方向的拉伸強度。在采用硅膠粘結劑的復合材料中,不僅拉伸強度較低，而且強度分散性較大，復合材料靠近表面部分的強度要高于心部強度。而采用酸性磷酸鋁粘結劑的復合材料的強度分布比較均勻，雖然邊界部的強度稍高。 圖7-14 采用不同粘結劑的SiCw/AZ91鎂基復合材料鑄錠不同部位的拉伸強度2022/7/2743 表7-16為采用酸性磷酸鋁粘結劑的SiCw/AZ9l復合材料與SiCw/6061Al復合材料性能的比較

30、，采用流體靜力法測得SiCw/AZ91復合材料的密度為2.08g/cm3，僅為SiCw/6061Al復合材料密度的74%，雖然其強度、彈性橫量比SiCw/6061Al低，但其比彈性模量比SiCw/6061Al高，比強度也與之相當。材料Vf/%/g.cm-3E/GPa0.2/MPab/MPa(E/)/103m(/)/103m伸長率/%SiCwAZ9l(酸性磷酸鋁粘結劑)202.08862403704.1917.91.1SiC6061A202.801103005003.8317.92.5表7-16 SiCw/AZ9l與SiCw/6061Al復合材料的拉伸性能 2022/7/2744 大量的研究表明

31、，對AZ91鎂合金，其最佳的人工時效溫度為175，對鎂合金和SiCw/AZ9l復合材料進行了175時效處理，圖7-13是AZ9l鎂合金和采用酸性磷酸鋁粘結劑的SiCw/AZ91鎂基復合材料在175時效的時效硬化曲線。圖7-13 AZ91鎂合金及SiCw/AZ91鎂基復合材料在175下的時效硬化2022/7/2745 表7-17是SiCw/AZ91鎂基復合材料在不同熱處理狀態(tài)下的拉伸性能。固溶處理明顯提高了復合材料的斷裂應變量：峰時效處理（T6）顯著提高了SiCw/AZ9l復合材料的強度，但是其斷裂應變顯著降低，這與復合材料的時效析出有關，峰時效時，SiCw/AZ9l鎂基復合材料中存在兩種時效析

32、出相：晶體內的片層狀析出相以及SiCw-AZ91界面處的胞狀析出相，這兩種析出相均為Mg17Al12。性能條件HV0.2/MPab/MPaE/GPa伸長率/%鑄態(tài)178240370861.12淬火態(tài)175220355851.40T6(175,40h)202-398920.62表7-17 SiCw/AZ9l在不同熱處理狀態(tài)下的拉伸性能2022/7/27467.4 短纖維增強金屬基復合材料7.4.1 短纖維增強鋁基復合材料 20世紀80年代初，日本Toyota公司和Art Metal公司利用擠壓鑄造技術制備了氧化鋁短纖維局部增強AC8A鋁活塞，使活塞環(huán)槽區(qū)的耐磨性能明顯改善；AC8A鋁合金用Vf=

33、5%7%的氧化鋁短纖維增強后，其耐磨性比高鎳奧氏體鑄鐵高70%。2022/7/2747 用擠壓鑄造法制備Al2O3短纖維增強鋁基復合材料，用英國Saffil短纖維作為增強體，分別用Al25.5Mg、Al25.3Cu、ZL109等合金作為基體材料，用10%的硅溶膠水溶液作為粘結劑。纖維體積分數(shù)分別選用8%、15%、20%。 擠壓鑄造的工藝參數(shù)：預制件預熱700，壓力150MPa，保壓時間45s，澆注溫度730760。表7-18為Al2O3短纖維增強鋁基復合材料室溫拉伸性能。2022/7/2748表7-18 Al2O3 短纖維增強鋁基復合材料室溫拉伸性能2022/7/2749 采用壓力浸滲法制備了

34、硅酸鋁（Al2O3-SiO2）短纖維增強ZL109復合材料。其中硅酸鋁短纖維的直徑為3-5m，長度為50-250m。對該復合材料進行拉伸和壓縮性能測試，實驗結果如表7-19所示。表7-19 硅酸鋁短纖維ZL109復合材料的力學性能2022/7/2750 該復合材料在不同溫度下的拉伸斷裂強度、延伸率的測量結果如表7-20。從表中可以看出，隨著拉伸溫度的升高，復合材料的延伸率增加，塑性提高。在高溫下，復合材料的強度隨纖維體積分數(shù)的增加而增加，高溫性能良好。當纖維的含量為30%時，300時的斷裂強度仍有214MPa，相當于基體合金的兩倍以上。表7-20 不同溫度下復合材料的斷裂強度、延伸率2022/

35、7/2751 將經過預處理的硅酸鋁短纖維增強體加入適量的有機粘結劑放入模具中，用壓鑄設備將其壓制成具有一定高度和空隙率的預制件，并將預制件連同模具一起預熱，然后采用擠壓鑄造法把熔煉好的ZL109合金液滲入預制件中，獲得硅酸鋁短纖維體積分數(shù)為32%的復合材料。圖7-16是復合材料在200經不同時間時效后在干摩擦條件下的磨損曲線。圖7-14 復合材料經200不同時間時效后的磨損曲線2022/7/27527.4.2 短纖維增強鋅基復合材料 表7-21為鋅合金與鋅基復合材料的拉伸強度。由表可以看出，復合材料的常溫拉伸強度比基體合金略有下降。試樣ZA27ZA4-3Al2O3/ZA27Al2O3/ZA4-

36、3拉伸強度/MPa319272.6281.14290.8表7-21 鋅合金與鋅基復合材料的拉伸強度鋅合金與鋅基復合材料的壓縮強度見表7-22。試樣ZA27ZA4-3Al2O3/ZA27Al2O3/ZA4-3壓縮強度/MPa453.6443.6639.2604.6表7-22 鋅合金與鋅基復合材料的壓縮強度2022/7/2753 鋅合金與鋅基復合材料的的硬度見圖7-15。由圖可以看出，隨著溫度升高，復合材料和基體的硬度均降低。但在同一溫度下，復合材料硬度明顯高于基體合金。 圖7-15 ZA合金與Al2O3f/ZA27復合材料硬度的比較2022/7/2754 鋅合金與鋅基復合材料的線脹系數(shù)列于表7-

37、23。由表可見，向金屬基體中加入線脹系數(shù)較小的短纖維可以降低材料的線脹系數(shù)。試樣T0-150T0-250T0-350/10-6K-1/10-6K-1/10-6K-1ZA27480048740049.341100044Al2O3/ZA27220020480022.86780025.16表 7-23 ZA27與Al2O3/ZA27線脹系數(shù)2022/7/2755 7.4.5 短纖維增強鎂基復合材料 未增強鎂合金的性能在100150以上便顯著降低。加入增強體可顯著改進基體合金的高溫性能。 復合材料的高溫性能與基體合金的種類有關。對壓鑄20%SaffilAl2O3短纖維增強CPMg、AZ9l和QE22鎂

38、基復合材料，基體合金對鎂基復合材料的高溫性能有顯著影響，如圖7-16所示。圖7-16 Al2O3 纖維增強不 同鎂基復合材料的拉伸強度與溫度的關系 2022/7/2756 7.5 長纖維增強金屬基復合材料 連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的比強度、比模量均比未加增強體的基體材料顯著提高，延伸率明顯下降，高溫強度明顯提高，斷裂韌性有所降低，當界面結合好時，金屬基復合材料的疲勞性能較好。纖維增強金屬基復合材料的典型性能如表7-24所示。復合材料纖維體積分數(shù)/%密度/gcm-3max（方向）/MPaE/GPaB/AlSiC/AlSiC/Ti-6Al-4VFP-Al2O3/Al-Li505050503535

39、60602.652.652.842.843.863.863.453.451500(0)140(90)250(0)105(90)1750(0)410(90)690(0)172207(90)210150310-300-262152表7-24 單向纖維增強金屬基復合材料的性能2022/7/2757 影響纖維增強金屬基復合材料力學性能的因素有基體種類、纖維種類、纖維橫截面形狀、纖維體積分數(shù)、纖維取向、界面結合狀態(tài)、制備工藝等。圖7-17反映硼纖維在不同取向下、體積分數(shù)為10%時、增強鎂基復合材料的應力-應變曲線。圖7-17 不同纖維取向的B(10%)/Mg復合材料的應力-應變曲線2022/7/2758

40、 圖7-18示出FP-Al2O3/增強鋁鋰合金（A1-Li）復合材料的彈性模量和屈服強度與纖維體積分數(shù)的關系。復合材料的彈性模量和屈服強度均隨纖維體積分數(shù)的增加而增加。軸向彈性模量和屈服強度比橫向增加得更快。圖7-18 FP-Al2O3/A1-Li復合材料的彈性模量和屈服強度與纖維體積分數(shù)的關系2022/7/2759圖7-19示出SiC纖維增強鋁復合材料的高溫性能和作為比較的基體鋁的高溫性能。圖7-19 SiCf/Al復合材料及鋁的高溫性能2022/7/2760SiC/Al復合材料的高溫力學性能示于表7-25。復合材料制備工藝試驗溫度/彈性模量/GPa拉伸強度/MPa斷裂強度/%6%SiCf/

41、Al-4.5Cu10%SiCf/Al-4.5Cu20%SiCf/Al606120%SiCf/Al6061液態(tài)模鍛液態(tài)模鍛PM+擠壓PM+擠壓2502502004509010411923961091632514.76-表7-25 SiC/Al復合材料的高溫力學性能2022/7/2761表7-26示出硼纖維直徑大小、纖維相對于載荷軸的取向和鋪層方式對B/Al-1100復合材料斷裂能和斷裂韌性的影響。纖維直徑/m斷裂能/KJm-2鋪層方式斷裂韌性KIC/MPam1/2100140200901502003000900/9010034.160.963.1表7-26纖維直徑和鋪層方式對B/Al-1100復

42、合材料斷裂能和斷裂韌性的影響2022/7/27627.5.1 碳纖維增強鋁基復合材料 碳纖維增強鋁基復合材料具有密度小，比強度、比模量高，導電導熱性好，高溫強度及高溫下尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在許多領域特別是航天航空領域得到廣泛應用。 表7-27為碳纖維增強鋁基復合材料力學性能，該復合材料具有高強度和高模量，其密度小于鋁合金，模量卻比鋁合金高24倍，因此用復合材料制成的構件具有重量輕、剛性好、可用最小的壁厚做成結構穩(wěn)定的構件，提高設備容量和裝載能力，可用于航天飛機、人造衛(wèi)星、高性能飛機等方面。2022/7/2763纖 維基 體纖維含量Vf/%密 度/g.cm-3拉伸強度/MPa模 量/GPa碳纖維

43、T50201鋁合金302.38633169碳纖維T300201鋁合金402.321050148瀝青碳纖維6061鋁合金412.44633320碳纖維HT5056鋁合金352.34800120碳纖維HM5056鋁合金352.38600170表7-27 碳纖堆增強鋁基復合材料力學性能2022/7/2764 圖7-20是復合材料與鋁合金的高溫性能.在復合材料中纖維是主要承載體,纖維在高溫下仍保持很高的強度和模量,因此纖維增強金屬基復合材料的強度和模量能保持到較高溫度,這對航天航空構件、發(fā)動機零件等十分有利。 圖7-20 鋁合金與鋁基復合材料的高溫性能2022/7/27657.5.2 碳纖維增強銀基復

44、合材料 電觸頭材料要求具有良好的導電性，抗熔焊與耐磨損(電磨損、機械磨損)等性能。這類材料主要是以銀為基體的復合材料。通常采用粉末冶金法把具備良好導電性、化學穩(wěn)定性的組成(銀)與高熔點、抗磨的組成配制并經燒結而成。如銀-石墨、銀-鎢、銀-氧化鋅等都是常用的觸頭材料。 碳纖維不僅強度與彈性模量高，并且具備一定的導電導熱性。采用碳纖 維作為觸頭材料的一個增強組成，通過正確選用復合工藝，同時提高觸頭的電性能與力學性能，使用壽命可大大延長。2022/7/2766 表7-28為銀觸頭材料的物理性能。銀-碳纖維3其含銀量與銀-石墨5相等。在電阻率相同情況下，硬度卻高得多。與銀-氧化鋅相比，兩者硬度相等，但

45、銀-碳纖維3電阻率卻較小。名 稱牌 號密 度/g.cm-3硬 度HV電阻率/.cm備 注銀-碳纖維3CAgCF38.9880842.51-銀-碳纖維5CAgCF78.2472802.83-銀-碳纖維7CAgCF77.8265753.28-銀-石墨5PCAgC58.625403.2普通型銀-石墨5QCAgC5Q8.630352.4擠壓型銀-氧化鋅Ag-ZnO9.6831003.8- 表7-28 銀觸頭材料的物理性能2022/7/2767 表7-29為銀-碳纖維3與銀-石墨5的電壽命試驗結果，配對的動觸頭都采用銀-氧化鋅，從表中可見，銀-碳纖維3的電磨損遠小于銀-石墨5。觸頭材料通斷試驗/次數(shù)磨損

46、量/g備 注動觸頭 銀-氧化鋅2700-靜觸頭 銀-石墨5P靜觸頭磨光普通型動觸頭 銀-氧化鋅12000-靜觸頭 銀-石墨5Q0.09擠壓型動觸頭 銀-氧化鋅12000-靜觸頭 銀-碳纖維30.011-表7-29 銀觸頭材料電磨損性能2022/7/2768 7.5.3 碳纖維增強銅基復合材料 碳纖維-銅復合材料由于既有銅的良好的導電、導熱性能，又有碳纖維的自潤滑，抗磨、低的線脹系數(shù)等特點，從而應用于滑動電觸頭材料、電刷、電力半導體支撐電極、集成電路散熱板等方面。例如集成電路裝置的絕熱板(Al2O3)里面固定著散熱板，一般用高傳導材料制造(銀、銅)，但其與絕熱板的線脹系數(shù)差別大，易彎曲，使絕熱板

47、斷裂?？赏ㄟ^調節(jié)碳纖維含量、分布方式，使碳纖維-銅復合材料的線脹系數(shù)接近Al2O3，制成絕熱板就不易斷裂。2022/7/2769 圖7-23為碳纖維-銅復合材料線脹系數(shù)隨纖維含量、分布方式的變化情況，可見復合材料線脹系數(shù)可在較大范圍內調節(jié)。 圖7-23 CF-Cu復合材料熱膨脹系數(shù)2022/7/2770 表7-30為實驗條件下沉積8 h所獲得纖維/Cu基復合材料的拉伸強度及相關文獻報道的數(shù)據(jù)。 復合材料/%Vf/%b/MPaCuf/Cu9530432Cf/Cu9745455Cf/Cu98.560581Cf/Cu9532(55)410(490)Cf/Cu9555630-680表7-30 纖維增強

48、銅基復合材料的拉伸強度2022/7/27717.5.4碳纖維增強鉛基復合材料 金屬鉛具有密度大，抗輻照，耐強酸腐蝕等特性，有比較廣泛的用途，如工業(yè)中的鉛酸蓄電池。但鉛的力學性能偏低(純鉛b=25 MPa)，在應用上受到限制，有時不得不加大尺寸、增加重量，浪費了很多材料。自從纖維強化復合材料出現(xiàn)以來，引起人們的注意，如碳纖維的強度是純鉛的100倍，而密度只有鉛的1/7，采用碳纖維增強純鉛可充分發(fā)揮碳纖維的強化作用。如采用碳纖維鉛復合材料制造蓄電池的板柵，其拉伸強度比普通板柵提高1.5倍，重量減輕35%以上，容量增加15%，提高了蓄電池的性能. 2022/7/27727.5.5 碳化硅纖維增強鈦基

49、復合材料 歐洲的一些科技工作者已經研究了連續(xù)SiC纖維鈦合金基體涂層，發(fā)展了用于制備SiC纖維基體合金涂層的等離子噴涂裝置。他們在試驗中選擇的是 Ti -6Al-4V合金。正在發(fā)展一種磁噴射系統(tǒng)是用于制備SiC纖維的IMl834基體合金涂層。他們發(fā)現(xiàn)，在700C時，界面反應區(qū)有非常小的生長，以及SiC纖維原始的c涂層厚度測量不到什么變化，如圖7-24所示。該復合材料在700C下經過大于900h處理，其強度保持不變。 圖7-22 IMI-834合金噴涂的SiC纖維復合材料葉片斷裂面2022/7/27737.5.6金屬間化合物基復合材料 至今，在纖維增強金屬間化合物基復合材料中，僅粉末布法制造工藝

50、較為成熱，這里僅以此法生產的鈦鋁金屬間化合物基復合材料為例分析其力學性能。 不同溫度下SiC纖維、Ti3Al-Nb基體，SiC/Ti3Al-Nb及用混合法則計算的SiC/Ti3Al-Nb的強度值如圖7-23所示。圖7-23 SiC、Ti3Al+Nb、SiC/Ti3Al+Nb的強度-溫度曲線及根據(jù)合法則的計算值2022/7/2774 利用粉末布法，箔疊法和等離子噴涂法制造的SiC/Ti-24Al-11Nb復合材料的拉伸強度與溫度的關系如圖7-24所示。圖7-24 由不同方法制造的SiC/Ti-24Al-11Nb復合材料縱向拉伸強度的比較2022/7/2775 在不同溫度下，SiC/Ti-24A1

51、-11Nb復合材料的典型應力-應變曲線如圖7-27所示。 圖7-27 SiC/Ti-24Al-11Nb復合材料的典型應力-應變曲線2022/7/2776 在圖7-26所示23oC 、815oC 典型的應力-應變曲線中，復合材料在第、階段的模量為E1和E2。復合材料的彈性極限c1，第階段模量為Et。圖7-26 SiC/Ti-24Al-11Nb復合材料應力-應變曲線所顯示的性能參數(shù)2022/7/2777 Ti-24Al-11Nb基體和SiC/Ti-24AI-11Nb復合材料的彈性極限e1如圖7-27所示。復合材料的e1是恒定值567MPa，在所有溫度條件下均不改變，但隨著溫度的增加，SiC/Ti-

52、24Al-11Nb的e1值卻直線下降。 圖7-27 SiC/Ti-24Al-11Nb復合材料及基體在不同溫度下的彈性模量2022/7/27787.6 內生增強金屬基復合材料7.6.1 內生增強鋁基復合材料 對Al-CuO體系，以Al-Mg合金為基體，采用液態(tài)攪拌法制備了基體為2017合金的顆粒增強金屬基復合材料。圖7-28為拉伸性能和硬度測試結果。從圖7-28加中可以看出，加入10%CuO的復合材料拉伸強度較高，平均達到297MPa，比基體提高了53%。而其他兩種情況下，拉伸強度還低于基體。這也與所得的材料的組織相吻合，即材料中的Al2O3含量高，其相應的強度也就大。從圖7-28中可以看出三種

53、復合材料的硬度都很高，說明高熔點硬質相Al2O3的存在是產生此種結果的直接原因。2022/7/2779圖7-28 CuO加入量不同的復合材料的拉伸強度與布氏硬度2022/7/2780 對Al-TiO2-KBF4反應體系，采用熔體直接反應法制備了TiB2/Al復合材料。在生成的復合材料中，TiB2顆粒細小，且均勻地分布在鋁基體上。TiB2/Al復合材料的拉伸性能如表7-31所示。表7-31 熔體反應法制備的TiB2/Al復合材料力學性能2022/7/2781 采用不同內生合成方法制備的TiB2/Al復合材料的力學性能如表7-32。從中可以看出，TiB2的生成使鋁的彈性模量、抗拉強度和屈服強度均有

54、較大幅度地提高。表7-32 不同合成技術制備的TiB2/Al復合材料力學性能2022/7/2782 對Al-ZrOCl2體系，采用熔體反應法制備了(Al3Zr+Al2O3)p /A356復合材料。原位生成的Al3Zr和Al2O3均為多面體粒狀，且Al3Zr表面存在生長小面；隨ZrOCl2加入量的增加，復合材料凝固組織中增強顆粒分數(shù)增大，同時顆粒分布更均勻。表7-33為（Al3Zr+Al2O3）p/A356鑄態(tài)復合材料的拉伸性能。表7-33 （Al3Zr+Al2O3）p/A356鑄態(tài)復合材料的拉伸性能2022/7/2783 對Al-Zr(CO3)2原位反應體系，采用熔體反應法制備了(Al3Zr

55、+Al2O3)p/Al復合材料。原位反應生成的顆粒為Al3Zr和Al2O3，顆粒細小并均勻分布在基體中。圖7-32為(Al3Zr+Al2O3)p/Al復合材料的室溫拉伸性能與Zr(CO3)2加入量的關系。圖7-32 (Al3Zr+Al2O3)p/Al復合材料的室溫拉伸性能與Zr(CO3)2加入量的關系2022/7/2784 對Al-Zr(CO3)2-KBF4體系，通過熔體反應法合成了新型顆粒增強鋁基復合材料。復合材料的力學性能隨反應物質量分數(shù)的變化情況如圖7-33所示。圖7-33 Al-Zr(CO3)2-KBF4體系生成的復合材料力學性能隨反應物質量分數(shù)的變化2022/7/2785 在A359

56、-Zr(CO3)2體系，原位反應合成了(Al2O3+Al3Zr)p/ A359顆粒增強鋁基復合材料，在制備過程中施加低頻交變電磁場進行攪拌以提高復合材料的耐磨性能。該復合材料的干滑動摩擦磨損試驗結果分別如圖7-34和圖7-35。 圖7-34為磨損量與外加載荷的關系曲線。 圖7-35為磨損量與摩擦時間的關系曲線。 結果表明：復合材料的耐摩擦性比純基體合金明顯提高，施加電磁攪拌后復合材料的耐摩擦性進一步提高，特別是在較大載荷下的耐摩擦性大幅提高，從輕微磨損到急劇磨損的臨界轉變載荷由58.8N提高到78.8N。2022/7/2786圖7-34 磨損量與外加載荷的關系曲線 圖7-35 磨損量與摩擦時間

57、的關系曲線 2022/7/27877.6.2 TiB2/Ti-Al復合材料 利用XD工藝生產TiB2/Ti-Al復合材料的研究表明，利用XD工藝在Ti-Al基體中引入彌散分布的TiB2顆粒，使其拉伸強度得到改善，而其他性能并未降低，表7-34列出了該復合材料兩種狀態(tài)的拉伸性能。 狀態(tài)208000.2/MPab/MPa伸長率/%0.2/MPab/MPa伸長率%擠壓態(tài)793044871011熱處理7938600.542760020表7-34 TiB2/Ti-45Al復合材料的拉伸性能2022/7/2788 表7-35是800、900條件下，不同狀態(tài)下Ti-47A1基體和XD法制造的6%（體積分數(shù)）

58、TiB2/Ti-47Al復合材料的持久壽命。表7-35 Ti-Al基體及其復合材料的持久壽命合金/加工狀態(tài)溫度/應力/MPa持久壽命/hTi-47Al（鍛造態(tài)）9006975.46Vol%TiB2/Ti-47Al（鍛造態(tài)）9006935.36%(體積分數(shù)) TiB2/Ti-Al（鍛造+1200/50h熱處理）90069276.4Ti-Al47（鍛造態(tài)）800138171.1 6Vol%TiB2/Ti-Al47（鍛造態(tài)）90013882.76Vol%TiB2/Ti-Al47（鍛造+1200/50h熱處理）800138588.22022/7/2789 圖7-36給出在1473K合成溫度和不同壓力下，復合材料中TiC平均晶粒尺寸的交化關系，實驗結果符合上述趨勢。圖7-36 復合材料中TiC平均晶粒尺寸與合成壓力的關系2022/7/2790 通過測量顯微硬度研究了高溫高壓方法原位合成復合材料的力學性能。圖7-37給出復合材料的顯微