金属基复合材料

金属基复合材料组员：胡平平陈莎赵长荣（收集资料）李雪龚娅杰（制作PPT）严红梅（讲解）目录前言一、金属基复合材料的定义二、金属基复合材料的特点三、金属基复合材料的分类四、金属基复合材料的制备工艺五、金属基复合材料的发展六、金属基复合材料的研究现状七、金属基复合材料的研究前景及应用结束语前言金属基复合材料综合了作为基体的金属结构材料和增强物两者的优点，具有高的强度性能和弹性模量、良好的疲劳性能等特点。由于制作工艺相对容易，和价格低廉，颗粒增强金属基复合材料体现出了广泛的商业价值，金属基复合材料首先在航天和航空上得到应用，随着价格的不断降低，它们在汽车、电子、机械等工业部门的应用也越来越广。为此全球各大公司和研究机构对它的研究和应用开发正多层次大面积地展开。一、定义金属基复合材料（metalmatrixcomposites简称MMC）金属基复合材料是以金属合金为基体，以不同材料的纤维或颗粒为增强物而制得的复合材料，它与高分子基复合材料、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料和纳米复合材料一起构成现代复合材料体系。其增强材料可为纤维状、颗粒状和晶须状的碳化硅、硼、氧化铝及碳纤维。金属基体除金属铝、镁外，还发展有色金属钛、铜、锌、铅、铍超合金和金属间化合物，及黑色金属作为金属基体。金属基复合材料二、金属基复合材料的特点（1）具有较高的比强度与比刚度；（2）具有优良的导电性而耐热性；（3）具有较高的韧性和较高的抗冲击性；（4）除具有高强度、高模量外，还能耐高温，同时不燃、不吸潮、导热导电性好、抗辐射。三、金属基复合材料的分类（1）按照增强体形状分类：颗粒增强复合材料、层状复合材料、纤维增强复合材料（2）按基体进行分类：铝基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料、铜基复合材料等。目前在金属基复合材料中应用最广泛的一种复合材料是铝基复合材料。四、金属基复合材料的制备工艺（一）铸造凝固成型法铸造凝固成型法是在基体金属处于熔融状态下进行复合。主要方法有：搅拌铸造法、原生铸造复合法。铸造凝固成型铸造复合材料具有工艺简单化、制品质量好等特点，工业应用较广泛。（1）搅拌铸造法（亦称掺和铸造法）在熔化金属中加入陶瓷颗粒，经均匀搅拌后浇入铸模中获得制品或二次加工坯料。优点：易于实现能大批量生成，成本较低。（铝基复合材料的制备方面应用较广）缺点：基体金属与强化颗粒的组合受限制。其原因是：①强化颗粒与熔体基本金属之间容易产生化学反应；②强化颗粒不易均匀分散在铝合金一类的合金熔体中。（2）原生铸造复合法（也称液相接触反应合成技术LiquidContactReaction：LCR）将生产强化颗粒的原料加到熔融基体金属中，利用高温下的化学反应强化相，然后通过浇铸成形。特点:颗粒与基体材料之间的结合状态良好，颗粒细小（0.25～1.5μm），均匀弥散，含量可高达40%，故能获得高性能复合材料。常用的元素粉末有钛、碳、硼等，化合物粉末有Al2O3、TiO2、B2O3等。该方法可用于制备Al基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基复合材料，强化相可以是硼化物、碳化物、氮化物等。(二)喷射成形法（又称喷射沉积）用惰性气体将金属雾化成微小的液滴，并使之向一定方向喷射，在喷射途中与另一路由惰性气体送出的增强微细颗粒会合，共同喷射沉积在有冷水衬底的平台上，凝固成复合材料。优点：工艺快速，金属大范围偏析和晶粒粗化可以得到抑制，避免复合材料发生界面反应，增强体分布均匀。缺点：因原材料被气流带走和沉积在效应器壁上等现象而损失较大，复合材料气孔率容易出现疏松。（三）原位生成复合法（反应合成技术）指借助化学反应，在一定条件下在基体金属内原位生成一种或几种热力学稳定的增强相的复合方法。（增强相一般为具有高硬度、高弹性模量和高温强度的陶瓷颗粒，与传统的金属材料，及其合金间复合，从而得到具有优良性能的结构材料或功能材料。）五、金属基复合材料的发展金属基复合材料的研究始于20世纪60年代初期，至今已取得了很大发展。金属基复合材料发展的伊始是为满足航天航空等高技术部门对特殊性能结构材料的需求，因此只要性能好，而不计成本；其研究工作大都集中于连续纤维增强的金属基复合材料方面。70年代末，碳化硅颗粒增强铝合金的复合材料以粉末冶金的制造方式而成功进行了这类复合材料制造方式的商业化，为复合材料商品化打下了基础。进入80年代，金属基复合材料进入蓬勃发展阶段，其研究重点转到以不连续增强体（颗粒、晶须和短纤维）增强的金属基复合材料，尤其是铝基复合材料，不光性能优良，成本也开始降低；而1983年，日本本田公司推出陶瓷短纤维增强铝基复合材料局部铝活塞，使金属复合材料在工业中应用取得了突破性的进展。此后，世界各国均加强了复合材料的研制、开发和应用，从而大大地推动了金属基复合材料的民用商品化的进程。进入90年代后期，电子产品发展迅速，要求同时具有高热传导能力和低膨胀特性的电子元件构造装配材料的量迅速增加，于是低膨胀、高强化与高热传导的金属基体合理匹配的金属基复合材料备受重视；同时也需要强度高，耐电弧冲蚀，导电率高的电接触用复合材料；近期金属基复合材料的发展既要求力学性能，又要有特殊的功能特性。虽然金属基复合材料已有多个品种的开发报导，但目前可达到批量应用的产品多为铝基复合材料。其中复合材料局部增强铝活塞，高硅粒子增强铝合金缸套，长纤维增强铝合金制造汽车发动机连杆是一些典型零件。这种复合材料具有低的屈服强度，高的加工硬化率和高的抗拉强度，良好的延性和强度匹配和高的成型性而受到汽车工业界的青睐，引起人们广泛的兴趣，并在汽车工业上广泛应用。六、金属基复合材料的研究现状金属基复合材料的性能不仅与基体金属有关，也与增强的第二相的性能和数量有关，同时还与基体和增强相的界面结构有关，即与基体和增强相的界面结合力有关。因此，对金属基复合材料的研究主要集中在以下几个方面：(1)同金属基体与不同种类、形态的增强材料的复合效果，复合材料的性能；(2)增强材料的开发，包括金属与非金属纤维、颗粒、晶须、晶片等；(3)增强相/基体界面优化的研究，包括各种金属基复合材料的界面结构、界面稳定性、界面结合与反应、界面反应的控制等；(4)扩大金属基复合材料的应用领域和范围。金属基复合材料研究、开发的基础是金属材料。轻金属铝、镁、钛及其合金由于其比强度、比模量的优势，作为结构材料在航空航天工业中得到广泛的应用，常作为金属基复合材料的首选金属基体。从国内外目前的研究和应用状况来看，其中铝及其合金应用最为广泛。七、金属基复合材料的研究进展及应用目前应用的复合材料主要有金属基、无机非金属基和高分子基三大类。但是由于金属基复合材料价格昂贵，主要用于航空航天和军事领域，一般工业领域不多见。而由于铝基复合材料的优良的综合性能，使得铝基复合材料在金属基复合材料中应用最为广泛。（1）铝基复合材料的应用纤维增强铝基复合材料具有比强度和比模量高、尺寸稳定性好等一系列优异性能，但价格昂贵，目前主要用于航天领域作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。硼-铝复合材料还用做多层半导体芯片支座的散热冷却板材料，硼-铝复合材料的导热好，热膨胀系数与半导体芯片非常接近，能大大减少接头处的疲劳。硼-铝复合材料的应用前景宽广，可用作中子屏蔽材料，还可用来制造废核燃料的运输容器和储存容器、可移动防护罩、控制杆、喷气发动机风扇叶片、飞机机翼蒙皮、结构支承件、飞机垂直尾翼、导弹构件、飞机起落部件、自行车架、高尔夫球杆等。SiC纤维增强钛基复合材料的发展最初是以超高音速宇航器和先进航空发动机为主要目标。因为用它制造的波纹芯体呈蜂窝结构，在高温下具有很高的承载能力和刚度以及低密度性，使其成为航天飞机发动机理想的候选材料。但是由于制作工艺复杂、成型工艺困难和原材料昂贵使得它的推广应用很困难。（2）钛基复合材料的应用美国建立了SiC纤维增强钛基复合材料生产线，已为直接进入轨道的航天飞机提供机翼、机身的蒙皮、支撑梁及加强筋等构件。美国还将钛基复合材料成功地应用于导弹尾翼、汽车发动机气门阀、连杆、高尔夫夹头等。镁基复合材料比强度和比刚度高、良好的尺寸稳定性和优良的铸造性能，正成为现代高新技术领域中最有希望采用的一种复合材料，其综合性能优于铝基复合材料。此外，这种材料还具有优良的阻尼减振、电磁屏蔽等性能，在汽车制造工业中用作方向盘减振轴、活塞环、支架、变速箱外壳等，在通讯电子产品中的飞机、便携计算机等也用做外壳材料。（3）镁基复合材料的应用SiC晶须增强镁基复合材料可用于制造齿轮，SiC和Al2O3颗粒增强镁基复合材料由于耐磨性好，可用于制造油泵的泵壳体、止推板、安全阀等零件。镁合金复合材料由于其优异的力学性能和物理性能已经显示出广阔的用途。镍基复合材料最有前途的应用之一是做燃气涡轮发动机的叶片。对于像燃气机零件这类用途，需要耐高温，采用像镍基复合材料这样很耐热的材料。但是制造镍基复合材料的技术工艺还处于发展的初期阶段。虽然大部分用来制造金属基复合材料的加工方法基本上都适用于制造镍基复合材料，（4）镍基复合材料的应用但由于该材料所需工艺温度高，因而在改进现有制造低温金属基复合材料的工艺基础上发明新的加工方法，并集中在一个所选择的加工方法上优化工艺条件，把复合材料性能与界面和微观组织联系起来。因此，只要能找到一种适合的生产加工工艺，镍基复合材料必将有广阔的应用。结束语我国金属基复合材料的研究起步仅落后于美、日等国不到五年。鉴于国际上金属基复合材料尚未大规模生产，因此目前差距不大。主要集中在以轻金属（如铝、镁、钛）等为基体的复合材料研究，少量研究致力于铜、铁、铅基体的复合材料。增强的形式包括连续纤维、短纤维、晶须和颗粒。鉴于国际的发展趋势侧重于非连续的颗粒、晶须和短纤维方面，因此我国的研究也早已转向这方面。但在关于其理论基础性研究的理论深度上与国外有一定的差距，特别是在原子、分子水平上深入认识界面的结构方面不够，这主要是缺少先进的分析表征手段和物理学家的介入不够有关。另外，复合材料可持续发展实用化降低成本的要求使金属基复合材料的再生问题显得尤为重要，应该加强对金属基复合材料的再生研究工作。thankyou！