第十章 金属基复合材料

第十章金属基复合材料复合材料的分类:复合材料按用途按基体类型按增强体种类和形状结构复合材料功能复合材料金属基复合材料非金属基复合材料纤维增强复合材料颗粒增强复合材料晶须增强复合材料复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复合而成的多相材料。金属基复合材料：连续的金属、合金基体+增强体基体：铝基、镁基、钛基、钢基、铜基增强体：连续纤维、短纤维、晶须、颗粒金属基复合材料性能特点：高比强度、高模量、高韧性、高导热导电性、膨胀系数小、耐磨性好、高温强度高、表面稳定性好。第一节金属基复合材料体系选择1.基体选择工作环境、工作要求增强体类型（1）工作环境、要求航空航天领域要求高比强度、高比模量和高尺寸稳定性体积质量小的金属合金镁、铝合金汽车发动机工作温度较高高温强度、抗气体腐蚀、耐磨、导热工作温度450℃以下的铝合金、镁合金工作温度450～650℃更耐热的钛合金、不锈钢工作温度800℃以上的铁基和镍基耐热合金（2）针对增强体类型连续纤维增强型：纤维具有高强度和高模量，连续纤维是主要承载体，基体应有良好的塑性和纤维相容性。一般采用纯铝或低合金防锈铝合金作基体。非连续增强型：金属基体是主要承载体，基体强度对材料有决定性影响，一般选择高强度铝合金作基体。2.增强体材料连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒作用：提高材料强度、模量、高温强度、耐磨性性能要求：增强体应具有高比强度、高模量、高温强度、高硬度、低热膨胀，良好的化学稳定性、浸润性、相容性，无严重的不良界面反应。配合基体，增强性能（1）连续纤维沿轴向有很高的强度和弹性模量。长度较长，直径范围：5.6～14μm（束丝），95～140μm（单丝）。碳纤维：•碳纤维和石墨纤维的总称。•高强度、高弹性模量，优良的导热性和导电性，低膨胀系数，优异的高温力学性能•碳纤维的相对密度小，弹性模量高，而且在2500℃无氧气氛中也不降低。石墨纤维的耐热性和导电性比碳纤维高，并具有自润滑性。•碳纤维在高温下与金属有不同程度的界面反应，导致损伤碳纤维。•制备方法：有机纤维在惰性气体中，经高温碳化可以制成碳纤维和石墨纤维。在2000℃以下制得碳纤维，再经2500℃以上处理得石墨纤维。硼纤维：•强度高，弹性模量大，耐高温性能好•在现代航空结构材料中，硼纤维的弹性模量绝对值最高•硼纤维的相对密度大，延伸率差，价格昂贵•硼纤维是用化学沉积的方法将还原生产的硼元素涂覆到钨和碳丝上面制得的碳化硅纤维：•优良的高温强度，高熔点、高强度、高硬度、高弹性模量，是一种陶瓷纤维。•化学沉积法：氢和硅烷混合气体在1300℃的钨丝上反应生成碳化硅纤维。烧结法（有机聚合物转化法）：有机硅聚合物纺丝1000℃以上烧结。玻璃纤维：•较高的强度，相对密度小，化学稳定性高，耐热性好，价格低。•缺点是脆性较大，耐磨性差，纤维表面光滑而不易与其它物质结合。•玻璃纤维可制成长纤维和短纤维，也可以织成布，制成毡。其它纤维：氧化铝纤维、天然纤维、高分子纤维（2）晶须•晶须：直径只有0.2～1.0微米的针状单晶体，长度约几十微米。•晶体缺陷很少，强度接近完整晶体的理论值，可明显提高复合材料的强度和弹性模量。•晶须包括金属晶须和陶瓷晶须。陶瓷晶须比金属晶须强度高，相对密度低，弹性模量高，耐热性好。•陶瓷晶须包括：碳化硅、氧化铝、氮化硅、硼酸铝晶须。制备方法：化学气相法。•金属晶须中可批量生产的是铁晶须，其最大特点是可在磁场中取向，可以很容易地制取定向纤维增强复合材料。（3）颗粒•一般采用陶瓷颗粒材料。尺寸小于50微米，一般在10微米以下。•氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钛、硼化钛、碳化硼、氧化钇颗粒。•优点：高强度、高弹性模量、高硬度、耐热。第二节金属基复合材料性能设计•复合材料力学行为的核心：基体与增强体进行载荷分配。•混合定律：外加载荷等于基体和增强体按体积平均载荷的总和。MfAff)1(1.连续纤维增强金属基复合材料的强度•主要靠连续纤维承受外加载荷•金属基体作为传递和分散载荷的媒体•纤维增强金属基复合材料的破坏，主要是由纤维断裂所引起。•对片层金属基复合材料，抗拉强度σCu为：σfu为纤维拉伸强度，σM*为纤维断裂时金属基体的拉伸强度。)1(*ffMfuCu•最小体积分数f’：当纤维体积分数f很小时，由混合定律算出的失效应力比相应于以孔洞取代纤维的金属基体值还小。这是不真实的。f须大于f’•对于纵向弹性模量，也可使用混合定律。MuMfuMMuf**'2.非连续金属基复合材料的强度•混合定律应用于短纤维（包括晶须）时，应考虑长度对直径比L/d和基体抗剪强度。•短纤维长度不同时，最终表达式不同。–若纤维长度L小于临界长度Lc，则纤维的最大应力达不到纤维的平均强度，纤维不会断裂，破坏是由于界面或基体破坏所造成的。–若纤维长度L大于临界长度Lc，纤维的应力达到平均强度时，材料开始断裂。•短纤维的增强作用不如连续纤维有效，因此短纤维的f’比连续纤维的高。3.颗粒增强金属基复合材料的强度•强化机制是弥散强化•复合材料破坏从颗粒界面开始，表现为界面破坏或颗粒脱落•切应力导致颗粒破坏，引起材料变型第三节金属基复合材料界面、强化、断裂1.金属基复合材料界面界面位于基体与增强之间，起传递载荷的作用。金属基复合材料在制作或使用过程中，需要控制界面的化学反应，以获得适宜的界面粘结强度。增强体与基体之间的结合强度对复合材料的性能影响很大。如果界面结合强度低，则增强体与基体很容易分离，起不到增强作用，如果界面结合强度太高，则增强体与基体之间的应力无法松弛，容易形成脆性断裂。铝基复合材料的界面反应•铝是高度活泼的金属，可与大部分增强体起反应。由于表面有Al2O3层，故反应速度比较慢。•铝与碳反应生成Al4C3•铝与硼界面反应生成AlB2和AlB12，铝基成分不同，产物不同。•铝与碳化硅反应生成Al4C3和Si。温度低于620℃时，铝与碳化硅不能反应。在热处理过的Al-Mg/SiC复合材料中，界面反应产物有薄层Al4C3，提高了界面粘结强度，阻碍界面滑动并明显提高弹性模量。•镁在铝合金基体中可显著提高界面活性。镁基复合材料的界面反应•低温镁与碳不起反应•镁与碳化硅一般不反应•镁与氧反应强烈，生成MgO或MgO•Al2O3尖晶石钛基复合材料的界面反应•钛和硼反应生成TiB2，从室温到高温都稳定。•钛及钛合金很容易与大部分增强体反应，但不同体系的反应速度有显著差异•增强体是SiC时，产生明显的界面反应。对性能有害。•TiB2-Ti的反应速率明显比SiC-Ti的反应速率慢。B4C-Ti的反应速率处于两者之间。2.金属基复合材料的强化(1)影响强化的因素a.粒子增强复合材料基体材料承受主要载荷，增强粒子高度弥散地分布在基体中，阻碍导致塑性变形的位错运动。粒子直径一般在0.01μ～0.1μ范围内时增强效果最好；直径过大时，引起应力集中；直径小于0.01μ时，则近似于固溶体结构，作用不大。b.纤维增强复合材料复合效果取决于纤维和基体的性质、界面物理、化学的作用以及纤维的含量、长度、排列方式等因素。为了达到纤维增强的目的，必须注意以下问题：•纤维增强复合材料中承受外加载荷主要靠增强纤维。因此应选择强度和弹性模量都高于基体的纤维材料作增强剂。•纤维和基体之间要有一定的粘结作用，两者之间的结合力要能保证基体所受的力通过界面传递给纤维。但结合力不能过大，如果界面结合强度太高，增强体与基体之间的应力无法松弛，容易形成脆性断裂。•纤维的排布方向要和构件的受力方向一致，才能发挥增强作用。•纤维和基体的热膨胀系数应相适应。•纤维所占的体积百分比必须大于一定的体积含有率。•不连续短纤维必须大于一定的长度。（2）强化类型a.位错强化金属基复合材料中，局部应力或残余热应力都会产生位错。如果增强体与金属基体间的错配应变由放出位错环来松弛，就会产生强化作用。错配应变：增强体的自然形状与它在金属基体中所占空穴的形状间的差别。b.细晶强化不连续增强金属基复合材料具有极细的晶粒尺寸，远比非增强基体金属细小。晶粒尺寸不同，对再结晶有两种影响：若颗粒尺寸较小，颗粒会钉扎大角晶界；若颗粒尺寸较大，颗粒会促进再结晶形核，使复合材料获得极细小晶粒。c.弥散强化时效强化相，在颗粒增强金属基复合材料中的效果作用并不显著。颗粒尺寸和颗粒间距大于时效强化合金。颗粒对沉淀相的尺寸和分布有很大影响：增加错配应变引起的为错密度；加速沉淀相的形核。大量测试结果表明，不连续增强金属基复合材料的力学性能有下列趋势：•提高屈服强度和拉伸强度•屈服强度随增强体的体积分数增加而提高，但拉伸强度并不总有类似效果•晶须比颗粒增强效果更有效•晶须增强型金属基复合材料，屈服强度的增加在压缩时通常比在拉伸时大。3.金属基复合材料的断裂（1）连续长纤维金属基复合材料的断裂•金属基体的韧性比纤维高很多，因此基体的失效应变大于纤维的时效应变•复合材料的断裂主要是由连续纤维断裂所引起（2）不连续金属基复合材料的断裂•短纤维（晶须）很少开裂•大尺寸颗粒才会开裂，尺寸20μm•基体内孔洞的形成和连接是不连续金属基复合材料断裂的主要机制。•孔洞通常在增强体附近形核，并因界面应力和基体加工硬化而加剧。•界面应力由外加载荷、不均匀热收缩和基体的塑性流变引起。•促进孔洞形成的组织因素有：粗大增强体颗粒，晶界处的增强体颗粒，颗粒分布不均匀的颗粒聚集区，垂直于载荷的大颗粒的表面，颗粒表面的脆性反应层。4.金属基复合材料的磨损•磨损的机制均为塑性流变和断裂•表现形式：材料表面发生凹坑和脱落•最佳耐磨性：高硬度和高断裂韧性的适当分配•增强体陶瓷颗粒的含量越多，尺寸越大，则耐磨性越高。第四节金属基复合材料的制造工艺1.液相工艺部分或全部金属熔化。液相法有利于密切的界面接触，粘结较强，但界面反应会产生脆化界面层。（1）压力渗透法将熔融的基体金属通过压力渗透到纤维预制件中，凝固成型。（2）喷雾沉积熔体雾化：将熔融金属通过压缩气体喷射雾化，同时在压缩气体中注入陶瓷粉末，形成沉淀锭子。热喷射法：将粉末输入到火焰的加热区，加热膨胀，加速喷射，在冷却模内凝固成型（3）浆体铸造将陶瓷粉末逐渐加入到熔融金属中，连续不断搅拌浆体，然后让整个混合体凝固。2.固相工艺基体金属不出现液相的制备方法。金属基体与增强材料之间的界面反应相对来说不严重。（1）混粉与压制法将金属粉末与陶瓷纤维或颗粒混合（干混或悬浮液），抽真空后，高温致密化。热等静压，热挤压（2）薄膜扩展粘合用于制造纤维增强钛合金。将排列的纤维置于钛合金薄膜之间，然后热压。在热压过程中，钛合金发生塑性流变，使之致密化。（3）物理气相沉积法基体金属升华为气相，将长纤维连续的输送入气相中，金属或合金便在纤维表面沉积下来，生成较厚的涂层。然后将经过涂层的纤维束集合起来，进行热压或热等静压，形成金属基复合材料。