金属基复合材料

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1、第六章金属基复合材料1第一节金属基复合材料的种类和基本性能随着现代科学技术的飞速发展，人们对材科的要求越来越高。在结构材料方面，不但要求强度高，还要求其重量要轻，尤其是在航空航天领域。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。2金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度；而与树脂基复合材料相比，它又具有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能。3金属基复合材料的这些优良的性能决定了它已从诞生之日起就成了新材料家族中的重要一员，它已经在一些领域里得

2、到应用并且其应用领域正在逐步扩大。4一、金属基复合材料的种类金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可按基体来进行、也可按增强体来进行。51．按基体分类(1)铝基复合材料(2)镍基复合树树(3)钛基复合材料6(1)铝基复合材料这是在金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。7在制造铝基复合材料时，通常并不是使

3、用纯铝而是用各种铝合金。这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性能需要来决定。8(2)镍基复合材料这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。9人们研制镍基复合材料的一个重要目的，即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的工作温度。但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。10(3)钛基复合材料钛比任何其它的结构材料具有更高的

4、比强度。此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。11因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提高到超音速时，钛比铝合金显示出了更大的优越性。12随着速度的进一步加快，还需要改变飞机的结构设计，采用更细长的机冀和其它冀型，为此需要高刚度的材料，而纤维增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求。13基体和增强体的热膨胀系数钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维，这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示。142.按增强体分类(1)颗粒增强复合材料(2)层状复合材料(3)纤维增强复合材料15(1)颗粒增强复

5、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。16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。17虽然颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比，但是基体性能也很重要。除此以外，这种材料的性能还对界面性能及颗粒排列的几何形状十分敏感。18(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

6、排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。19层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。因为增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。20由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。21(3)纤维增强复合材料金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同

7、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。22当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。232、金属基复合材料中增强体的性质虽然各种复合材料中的增强体不同，但它们都具有许多共性。由于纤维状增强物能够最有效地增强金属基体，因此这里将对此进行重点讨论。24对纤维状增强体性能的要求如下：(A)高强度。纤维的高强度首先是为了满足复合材料强度的需要，其次还

8、可使整个加工制造过程简单。25(B)高模量。对于金属基复合材料而言，这种性能是非常重要的，这是为了使纤维承载时，基体不会发生大的塑性流动。(C)容易制造和价格低廉。如果在重要结构上应用，这个条件对工业生产的要求是十分必要的。26(D)化学稳定性好。对所有纤维来说，在空气中的稳定性和对基体材料的稳定性是很重要的。27(E)纤维的尺寸和形状。对于采用固相制造法的金属基复合材料，大直径的圆纤维更加合适。由于纤维的表面积小，化学反应也比较小，故借助金属基体的塑性流动，这些纤维很容易和基体结合，28(F)