1、第七章第七章 金属基复合材料金属基复合材料公衍生公衍生材料科学与工程系材料科学与工程系171/2 金属基复合材料金属基复合材料 性能性能 分类分类 应用应用 制备技术制备技术 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 性能性能 分类分类 应用应用 制备技术制备技术主要内容主要内容无机无机非金属非金属材料材料有机有机高分子高分子材料材料金属金属材料材料复复合合材材料料u 取长补短取长补短u 协同作用协同作用u 产生原来单一材料本身所没有的新性能产生原来单一材料本身所没有的新性能复合材料体系组合分散相分散相连续相连续相金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料金金属属材材料料金属
2、纤维金属纤维纤维纤维/金属基复合材料金属基复合材料钢丝钢丝/水泥复合材料水泥复合材料增强橡胶增强橡胶金属晶须金属晶须晶须晶须/金属基复合材料金属基复合材料晶须晶须/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料金属片材金属片材金属金属/塑料板塑料板无无机机非非金金属属材材料料陶陶瓷瓷纤维纤维纤维纤维/金属基复合材料金属基复合材料纤维纤维/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料晶须晶须晶须晶须/金属基复合材料金属基复合材料晶须晶须/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料颗粒颗粒弥散强化合金材料弥散强化合金材料粒子填充塑料粒子填充塑料玻玻璃璃纤维纤维纤维纤维/树脂基复合材料树脂基复合材料颗粒颗粒碳碳纤维纤维碳纤维碳纤维/金属基复合材料
3、金属基复合材料 碳纤维碳纤维/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料碳纤维碳纤维/树脂基复合材料树脂基复合材料炭黑炭黑颗粒颗粒/橡胶；颗粒橡胶；颗粒/树脂基树脂基有机有机高分高分子材子材料料有机纤维有机纤维纤维纤维/树脂基复合材料树脂基复合材料塑料塑料金属金属/塑料塑料橡胶橡胶材料的微观组织材料的微观组织v 形状、分散程度形状、分散程度v 体积分数体积分数v 界面界面原材料的性能原材料的性能v力学性能力学性能v 物理性能物理性能 复合材料的复合材料的基本理论基本理论复合材料的复合材料的整体性能整体性能 复合材料理论与组织、性能之间的关系复合材料理论与组织、性能之间的关系制备技术制备技术171/5参考书：
4、参考书：1. 1. 复合材料大全复合材料大全沃丁柱沃丁柱 主编主编化学工业出版社化学工业出版社20002000年年定价：定价：168 168 元元171/6参考书：参考书：1. 1. 复合材料工艺及设备复合材料工艺及设备刘雄亚刘雄亚 谢怀勤谢怀勤 主编主编武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社19971997年年定价：定价：24 24 元元171/7参考书：参考书：2. 2. 金属基复合材料及其制金属基复合材料及其制备技术备技术于化顺于化顺 主编主编化学工业出版社化学工业出版社20062006年年定价：定价：29 29 元元171/8参考书：参考书：3. 3. 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料原原理
5、、工艺、性能与设计理、工艺、性能与设计张长瑞张长瑞 郝元恺郝元恺 主编主编国防科技大学出版社国防科技大学出版社20012001年年定价：定价：48 48 元元171/97.1 金属基复合材料概述金属基复合材料概述随着现代科学技术的飞速发展，人们随着现代科学技术的飞速发展，人们越来越高。越来越高。在在方面，不但要求方面，不但要求强度高强度高，还，还要求其要求其重量要轻重量要轻，尤其是在航空航天领域。，尤其是在航空航天领域。正是为了满足上述要求正是为了满足上述要求而诞生的。而诞生的。171/10航空航天： 171/11航空航天： 171/12171/13l金属基复合材料（金属基复合材料（MMCs）
6、，包括很广的），包括很广的成分与成分与结构结构，共同点共同点是是有连续的金属基体（包括金属间有连续的金属基体（包括金属间化合物基体）化合物基体）。l目的目的：把基体的优越的塑性和成型性与强化体承受载荷的能把基体的优越的塑性和成型性与强化体承受载荷的能力及刚性结合起来。力及刚性结合起来。把基体的高热传导性与强化体的低热膨胀系数结合起把基体的高热传导性与强化体的低热膨胀系数结合起来。来。171/14相对于相对于传统的金属材传统的金属材料料来说，具有来说，具有较高的较高的与与；而与而与树脂基复合材料树脂基复合材料相比，它又具有相比，它又具有优良的优良的与与；与与陶瓷基材料陶瓷基材料相比，它又具有相比
7、，它又具有和和。性能特点：性能特点：171/15优点：优点：l组织结构和性能的可设计性和可控制性强组织结构和性能的可设计性和可控制性强l高比模量、高比强度、高刚性高比模量、高比强度、高刚性l膨胀系数可控（比较小）、尺寸稳定性好膨胀系数可控（比较小）、尺寸稳定性好l高温性能较好（与基体合金相比）高温性能较好（与基体合金相比）l耐磨损性质好耐磨损性质好l导电、导热性优异导电、导热性优异171/16171/17u 高比强度、比模量高比强度、比模量l在金属基体中加入在金属基体中加入30%-50%30%-50%的高性能纤维，复合的高性能纤维，复合材料的比强度、比模量成倍提高。材料的比强度、比模量成倍提高
8、。171/18u导热导电性能导热导电性能l金属基复合材料中金属基体一般在金属基复合材料中金属基体一般在60%以上，具有良好的以上，具有良好的导热和导电性。导热和导电性。这对于尺寸稳定性要求高的构件和高集成这对于尺寸稳定性要求高的构件和高集成度的电子器件尤为重要。度的电子器件尤为重要。良好的导电性可以防止飞行器构良好的导电性可以防止飞行器构件产生静电聚集问题。件产生静电聚集问题。l热膨胀系数（热膨胀系数（CTE），导热系数（），导热系数（TC） 和密度是发展现和密度是发展现代电子封装材料所必须考虑的三大基本要素。代电子封装材料所必须考虑的三大基本要素。为解决高集为解决高集成度电子器件的散热问题成
9、度电子器件的散热问题，现已研究出超高模量石墨纤维、，现已研究出超高模量石墨纤维、金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料，其热导率比铝、铜金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料，其热导率比铝、铜还高，用它制成的集成电路底板和封装件可以有效迅速的还高，用它制成的集成电路底板和封装件可以有效迅速的把热量散去，提高集成电路的可靠性。把热量散去，提高集成电路的可靠性。171/19u热膨胀系数小、尺寸稳定性好热膨胀系数小、尺寸稳定性好l金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维均金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量。具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量。加入一加入一
10、定含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量，定含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整热膨胀系也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整热膨胀系数，来满足各种应用的需求。数，来满足各种应用的需求。l例如例如：石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量：石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量达到达到48%时，复合材料的热膨胀系数为零，在温度变时，复合材料的热膨胀系数为零，在温度变化时，使用该复合材料做成的零件不发生变形。化时，使用该复合材料做成的零件不发生变形。171/20u良好的高温性能良好的高温性能l如石墨纤维增强铝基复合材料在如石墨纤维增强铝基复合材
11、料在500高温下，仍具高温下，仍具有有600MPa的高温强度，而铝基体在的高温强度，而铝基体在300的强度已下的强度已下降到降到100MPa以下。以下。l又如钨纤维增强耐热合金，在又如钨纤维增强耐热合金，在1100、100h高温持久高温持久强度为强度为207MPa，而基体合金的高温持久强度只有，而基体合金的高温持久强度只有48MPa。l因此金属基复合材料被选用在发动机等因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件高温零部件中，中，可大幅度提高发动机的性能和效率。可大幅度提高发动机的性能和效率。171/21u良好的耐磨性能良好的耐磨性能l陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有陶瓷纤维、晶须、
12、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性能。很好的耐磨性能。如：碳化硅颗粒增强铝基复合如：碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比基体高出材料的耐磨性比基体高出2倍以上；与铸铁相比，倍以上；与铸铁相比，SiCp/Al复合材料的耐磨性比铸铁还好。可用于复合材料的耐磨性比铸铁还好。可用于汽汽车车发动机、刹车盘、活塞等发动机、刹车盘、活塞等重要零件重要零件，能明显提，能明显提高零件的性能和寿命。高零件的性能和寿命。171/22l与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不会与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不会老化、分解、吸潮等，也不会发生性能的自然退老化、分解、吸潮等，也不会发生性能的自然退化，这比聚合
13、物基复合材料好，化，这比聚合物基复合材料好，在太空使用不会在太空使用不会分解出低分子物质污染仪器和环境，有明显的优分解出低分子物质污染仪器和环境，有明显的优越性。越性。171/23缺点：缺点：l塑性和韧性较低塑性和韧性较低l疲劳性能不够理想疲劳性能不够理想l复合材料表面增强颗粒脱粘带来的危害复合材料表面增强颗粒脱粘带来的危害l腐蚀问题复杂腐蚀问题复杂l焊接工艺难度大焊接工艺难度大l价格较高价格较高171/24金属基复合材料是金属基复合材料是，而制得的复合材料。而制得的复合材料。 因此，对这种材料的分类既可因此，对这种材料的分类既可来来进行、也可进行、也可来进行。来进行。7.3 金属基复合材料的
14、分类金属基复合材料的分类171/25171/26具有具有良好的良好的，再加之它具有的，再加之它具有的、及及等优点，为其等优点，为其在工在工程上应用程上应用创造了有利的条件。创造了有利的条件。在在制造铝基复合材料制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而时，通常并不是使用纯铝而是是。这主要是由于。这主要是由于与纯铝相比与纯铝相比，。至于选择何种铝合金做基体，。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中则根据实际中对复合材料的性能需要对复合材料的性能需要来决定。来决定。171/27与其它的结构材料相比，钛具有更高的比强度。与其它的结构材料相比，钛具有更高的比强度。此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强
15、度。此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。对飞机结构来说，当速度对飞机结构来说，当速度从亚音速从亚音速提高到提高到超音速超音速时，时，。 随着随着速度的进一步加快速度的进一步加快，还需要，还需要，采用，采用更细长的机冀更细长的机冀和和其它冀型其它冀型，为此需要，为此需要，而，而基复合材料可满足这种对材基复合材料可满足这种对材料刚度的要求。（常用料刚度的要求。（常用）171/28这种复合材料是以这种复合材料是以制造的。制造的。由于镍的由于镍的，因此这种复合材料主要，因此这种复合材料主要是用于制造是用于制造高温下工作的零部件，如燃汽轮机的高温下工作的零部件，如燃汽轮机的叶片叶片，从而进一步，
16、从而进一步提高燃汽轮机的工作温度提高燃汽轮机的工作温度。但目前由于但目前由于及及等问题尚未解等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。决，所以还未能取得满意的结果。171/29 171/30颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料l由钛、镍、钴、铬等金属由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物组成的金属基物、硼化物组成的金属基复合材料（复合材料（金属陶瓷金属陶瓷）。）。l碳化物金属陶瓷作为工具碳化物金属陶瓷作为工具材料，已被广泛应用，称材料，已被广泛应用，称作作硬质合金硬质合金。（以。（以Co、Ni作为粘结剂，作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相）等作为强化相）17
17、1/31其它分类其它分类l按用途分类按用途分类：结构金属基复合材料：高性能结构件结构金属基复合材料：高性能结构件功能金属基复合材料：具有电、热、磁等功能特性功能金属基复合材料：具有电、热、磁等功能特性l按金属基体使用温度分按金属基体使用温度分：450以下的轻金属基体：铝、镁及其合金以下的轻金属基体：铝、镁及其合金450-700使用的金属基复合材料：钛及合金使用的金属基复合材料：钛及合金用于用于1000以上高温复合材料金属基体：镍基、钴基、以上高温复合材料金属基体：镍基、钴基、铁基及金属基化合物基复合材料铁基及金属基化合物基复合材料171/32l由于价格难以大幅度降低，使得由于价格难以大幅度降低
18、，使得MMCs在许多可在许多可能得到应用的领域，尤其对价格比较敏感的汽车能得到应用的领域，尤其对价格比较敏感的汽车等行业的应用受到限制。等行业的应用受到限制。其大规模应用，除价格其大规模应用，除价格之外，还需要解决设计、加工、回收等方面的问之外，还需要解决设计、加工、回收等方面的问题。题。lMMCs在国外已实现商品化，在国内仅有少批量在国外已实现商品化，在国内仅有少批量生产，以汽车零件、机械零件为主，主要是耐磨生产，以汽车零件、机械零件为主，主要是耐磨复合材料（如颗粒、短纤维增强铝基、锌基、镁复合材料（如颗粒、短纤维增强铝基、锌基、镁基复合材料），与国外差距较大。基复合材料），与国外差距较大。
19、171/33主要应用领域：主要应用领域：l卫星和空间结构材料卫星和空间结构材料：各种框架结构，可展开天：各种框架结构，可展开天线，紧固件等；线，紧固件等；l导弹材料导弹材料：发动机部件、翼面、鸵面、舱段壳体：发动机部件、翼面、鸵面、舱段壳体等；等；l电子及光学仪表电子及光学仪表：封装材料、散热器、雷达天线、：封装材料、散热器、雷达天线、光学仪器托架等；光学仪器托架等；l飞机飞机：翼梁、起落架、风扇叶片、刹车片等；直：翼梁、起落架、风扇叶片、刹车片等；直升飞机的螺旋桨等；升飞机的螺旋桨等；l轻武器轻武器：轻型炮管、炮架等；：轻型炮管、炮架等；171/34l水中兵器水中兵器：鱼雷壳体、潜望镜镜杆、
20、活塞等；：鱼雷壳体、潜望镜镜杆、活塞等；l坦克坦克：履带、驱动轮、装甲、炮管等；：履带、驱动轮、装甲、炮管等；l交通交通：汽车发动机部件（活塞、缸体、气缸套）、：汽车发动机部件（活塞、缸体、气缸套）、连杆、驱动轴、制动盘等；高速列车制动盘等。连杆、驱动轴、制动盘等；高速列车制动盘等。主要应用领域：主要应用领域：171/35171/36在航天等领域中的应用在航天等领域中的应用171/37 B787客机客机(2007年年7月首架飞机下线月首架飞机下线,复合材料占总质量复合材料占总质量50%,节省燃油节省燃油20%) 技技术参数：术参数： 翼展：翼展：50.3-51.8米；机长米；机长: 55.5米
21、；高度：米；高度：16.5米；最大起飞总米；最大起飞总重重:163000千克；巡航速度：千克；巡航速度： 0.85马赫（马赫马赫（马赫=1126公里公里/小时）小时） ；载客量：；载客量：289；最大航程：；最大航程：15700公里公里 171/38 A380客机客机(2007年年10月月,首次商业航行首次商业航行,复合材料占总质量复合材料占总质量25%) 是目前世界是目前世界上唯一采用全机身长度双层客舱上唯一采用全机身长度双层客舱,最先进、最宽敞和最高效的飞机。最先进、最宽敞和最高效的飞机。 技术参数：翼展：技术参数：翼展：79.8米；机长：米；机长：73米；宽度：米；宽度：7.14米；最大
22、起飞重量：米；最大起飞重量：560吨；巡航速度：吨；巡航速度：0.89马赫；载马赫；载 客客 量：量：555人；最大航程：人；最大航程：15000公里。公里。171/39 我国研制的我国研制的ARJ21 （Advanced Regional Jet）支线客机）支线客机-“翔凤翔凤”(复复合材料占总质量合材料占总质量2%)2007年年12月月21日下线，日下线，2008年上半年首飞；载客量年上半年首飞；载客量70-100人人;最大燃油航程：最大燃油航程： 4164 km. 171/40 140/41 金属基复合材料金属基复合材料是以金属为基体，以纤维、颗粒、晶须是以金属为基体，以纤维、颗粒、晶须
23、等为增强材料，并均匀分散于基体材料形成的两相或多相组等为增强材料，并均匀分散于基体材料形成的两相或多相组合的材料体系，而合的材料体系，而用于制备这种复合材料的适当方法称为用于制备这种复合材料的适当方法称为复复合材料制备工艺合材料制备工艺。 金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于材料的制备工艺。程度上取决于材料的制备工艺。171/421 1） 对制备工艺的要求对制备工艺的要求l 能使增强材料以结构和设计的体积分数和排列方式能使增强材料以结构和设计的体积分数和排列方式分布于金属基体中，分布于金属基体中，满足复合材料强度设计要求满足复合材料强度设
24、计要求。l 不得使增强材料和金属基体原有性能下降；能确保不得使增强材料和金属基体原有性能下降；能确保复合材料界面效应、混杂效应或复合效应充分发挥，复合材料界面效应、混杂效应或复合效应充分发挥，有利于复合材料性能的提高或互补；有利于复合材料性能的提高或互补；不能因为制造工不能因为制造工艺不当造成材料性能的下降艺不当造成材料性能的下降。171/43l尽量避免增强材料和金属基体之间各种不利化学尽量避免增强材料和金属基体之间各种不利化学反应的发生，得到合适的界面结构合性能，反应的发生，得到合适的界面结构合性能，充分充分发挥增强材料的增强增韧效果发挥增强材料的增强增韧效果。l 设备投资少，工艺简单易行，
25、可操作性强；设备投资少，工艺简单易行，可操作性强；便便于实现批量或规模生产于实现批量或规模生产。l 尽量制造出接近最终产品的形状，尺寸和结构，尽量制造出接近最终产品的形状，尺寸和结构，减少或避免后加工工序减少或避免后加工工序。171/442 2）制备工艺难点及解决途径）制备工艺难点及解决途径 加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应。高温下。高温下的反应产物通常呈脆性，会成为复合材料整体破坏的裂纹的反应产物通常呈脆性，会成为复合材料整体破坏的裂纹源。源。因此，控制复合材料的加工温度是一项关键技术因此，控制复合材料的加工温度是一项关键技术。解决办法解决办法
26、：尽量缩短高温加工时间；通过提高工作压力使：尽量缩短高温加工时间；通过提高工作压力使增强材料与基体润湿速度加快；采用扩散粘接法可有效控增强材料与基体润湿速度加快；采用扩散粘接法可有效控制温度并缩短时间。制温度并缩短时间。171/45 增强材料与基体润湿性太差是金属基复合材料增强材料与基体润湿性太差是金属基复合材料制备工艺的又一大难点。制备工艺的又一大难点。解决办法解决办法：加入合金元素，优化基体组分，改善：加入合金元素，优化基体组分，改善基体对增强材料的润湿性；对增强材料进行表面基体对增强材料的润湿性；对增强材料进行表面处理，涂敷一层可抑制界面反应的涂层，可有效处理，涂敷一层可抑制界面反应的涂
27、层，可有效改善润湿性。改善润湿性。171/46 按结构设计要求，使增强相按要求分布于基体按结构设计要求，使增强相按要求分布于基体中也是金属基复合材料制备中的难点。中也是金属基复合材料制备中的难点。解决办法解决办法：对增强相进行适当的表面处理，使其：对增强相进行适当的表面处理，使其润湿基体的速度加快；加入适当的合金元素改善润湿基体的速度加快；加入适当的合金元素改善基体的分散性；施加适当的压力，使其分散性增基体的分散性；施加适当的压力，使其分散性增大。大。171/47 金属基体与增强材料的金属基体与增强材料的和和； 金属基体金属基体/增强材料增强材料和和在工艺过程中的形成及控制在工艺过程中的形成及
28、控制；171/48 在金属基体中的在金属基体中的； 防止防止在制备工艺过程中的在制备工艺过程中的； 优化优化，提高复合材料的，提高复合材料的，降低，降低。 171/49根据各种根据各种把把分为三大类：分为三大类：171/50171/51固态法固态法是指制造温度不高于基体合金熔点的复合是指制造温度不高于基体合金熔点的复合材料制备工艺。材料制备工艺。主要包括主要包括粉末冶金粉末冶金、热压热压、热等静压热等静压、热轧热轧、热热挤压挤压、爆炸焊接技术爆炸焊接技术等。等。171/521） 粉末冶金法粉末冶金法粉末冶金法粉末冶金法是最早用来制备金属基复合材料的是最早用来制备金属基复合材料的方法。方法。19
29、61年，年，Kopenaal等人制造了纤维体积含量为等人制造了纤维体积含量为20-40%的碳的碳-铝复合材料。铝复合材料。粉末冶金既可用于粉末冶金既可用于连续长纤维连续长纤维增强，又可用于增强，又可用于短纤维短纤维、颗粒颗粒或或晶须晶须增强的金属基复合材料。增强的金属基复合材料。热压热压 松装烧结松装烧结 粉浆烧注粉浆烧注混合混合压制压制等静压制等静压制 轧制轧制 挤压挤压烧结烧结烧结烧结浸适浸适 热处理热处理 电镀电镀预烧结预烧结高温烧结高温烧结 复压复压锻打锻打复烧复烧拉丝拉丝烧缩烧缩精整精整锻造锻造 轧制轧制 挤压挤压 烧结烧结（浸油）（浸油） 热处理热处理粉末冶金成品粉末冶金成品171
30、/541 1）粉末冶金法）粉末冶金法粉末冶金法粉末冶金法可以直接制成复合材料零件，也可以可以直接制成复合材料零件，也可以制造复合材料坯料，供挤压、轧制、锻压、旋压制造复合材料坯料，供挤压、轧制、锻压、旋压等等二次加工二次加工后制成零部件。后制成零部件。粉末冶金法粉末冶金法也可用于制造钛基、金属间化合物基也可用于制造钛基、金属间化合物基复合材料。例如：含复合材料。例如：含TiC10%TiC10%颗粒的颗粒的TiC/Ti-6Al-4VTiC/Ti-6Al-4V复合材料，其复合材料，其650650的高温弹性模量提高了的高温弹性模量提高了15%15%，使用温度可提高使用温度可提高100100。171/
31、551 1）粉末冶金法）粉末冶金法粉末冶金法适用于制造粉末冶金法适用于制造SiCSiCp p/Al/Al、SiCSiCw w/Al/Al、AlAl2 2O O3 3/Al/Al、TiBTiB2 2/Ti/Ti等金属基复合材料零部件、板材和锭坯等。等金属基复合材料零部件、板材和锭坯等。基体粉末和颗粒（晶须）增强材料的混合均匀以及基体粉末和颗粒（晶须）增强材料的混合均匀以及基体粉末的防止氧化是整个工艺的关键。基体粉末的防止氧化是整个工艺的关键。常用的常用的增强材料增强材料有有SiCSiC、AlAl2 2O O3 3、WW、B B4 4C C等颗粒、晶等颗粒、晶须及短纤维等。须及短纤维等。常用的常用
32、的基体基体金属有：金属有：AlAl、CuCu、TiTi等。等。171/56 金属熔点，因而由高温引起金属熔点，因而由高温引起的增强材料与金属基体的的增强材料与金属基体的，减小了界，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同时可以通面反应对复合材料性能的不利影响。同时可以通过过热等静压或烧结时热等静压或烧结时的的、和和等工艺等工艺参数来参数来控制界面反应控制界面反应。171/57 可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属粉末粒或晶须）与基体金属粉末，可达可达75%，可达可达50%以上，这是以上，这是液态法无法达到的。液态法无法达到的。 可降低可
33、降低增强材料与基体增强材料与基体的要求，的要求，也降低了也降低了增强材料与基体粉未增强材料与基体粉未的的的要求，使的要求，使颗粒或晶须颗粒或晶须在金属基复合材料的基体中。在金属基复合材料的基体中。171/58 采用采用时，其时，其组织细化组织细化、致致密密、均匀均匀，一般不会产生，一般不会产生偏析、偏聚偏析、偏聚等缺陷，可等缺陷，可使使得到明显改善，从而提高得到明显改善，从而提高复合材料的性能。复合材料的性能。 制备的制备的金属基复合材料金属基复合材料可通过可通过传统的传统的进行二次加工。可以得到所进行二次加工。可以得到所需形状的复合材料构件的需形状的复合材料构件的。171/59 工艺过程比较
34、工艺过程比较； 金属基体必须制成粉末，增如了工金属基体必须制成粉末，增如了工艺的艺的和和； 在制备铝基复合材料时，还要防止在制备铝基复合材料时，还要防止铝粉引起的铝粉引起的。 171/60v目前目前, , 粉末冶金技术的发展日新月异粉末冶金技术的发展日新月异, , 一系列一系列新技术、新工艺的不断涌现新技术、新工艺的不断涌现, , 如粉末冶金注射如粉末冶金注射成形、温压成形、流动温压成形、喷射成形、成形、温压成形、流动温压成形、喷射成形、高速压制成形、微波烧结、烧结硬化等高速压制成形、微波烧结、烧结硬化等 v粉末冶金技术正朝着粉末冶金技术正朝着高致密化高致密化、高性能化高性能化、集集成化成化和
35、和低成本化低成本化等方向发展。等方向发展。171/61v1 1) )粉末冶金零部件的少无缺陷的高强度化趋势粉末冶金零部件的少无缺陷的高强度化趋势: : 通通过对材料的组织控制和制造工艺的综合研究过对材料的组织控制和制造工艺的综合研究, , 从粉从粉体粒子的流动、烧结机理、断裂力学等方面找到缺体粒子的流动、烧结机理、断裂力学等方面找到缺陷形成的原因并提出解决方案陷形成的原因并提出解决方案; ;v2)2)粉末冶金成形技术的近净成形和近终成形趋势粉末冶金成形技术的近净成形和近终成形趋势: : 着眼于粉体流动、充填成形、烧结过程粉末特性控着眼于粉体流动、充填成形、烧结过程粉末特性控制、粘结剂等角度制、
36、粘结剂等角度, , 大力发展近净成形和近终成形大力发展近净成形和近终成形的高致密化工艺技术的高致密化工艺技术, , 是降低竞争成本、减少制造是降低竞争成本、减少制造工序、适应国际化市场的必然要求。工序、适应国际化市场的必然要求。171/62v3 3) )粉末冶金零部件的高精度化趋势粉末冶金零部件的高精度化趋势: : 通过对粉末冶金模具通过对粉末冶金模具、粉末冶金设备、粉末冶金工艺过程的精确设计和控制、粉末冶金设备、粉末冶金工艺过程的精确设计和控制, , 实现粉末冶金零部件宏观尺寸的更高精度实现粉末冶金零部件宏观尺寸的更高精度; ; 通过对粉体特通过对粉体特性、粉末冶金过程显微组织、粉末冶金工艺
37、过程的精确设性、粉末冶金过程显微组织、粉末冶金工艺过程的精确设计和控制计和控制, , 实现粉末冶金零部件微观领域的显微精度。实现粉末冶金零部件微观领域的显微精度。v4)4)粉末冶金材料功能复合化趋势粉末冶金材料功能复合化趋势: : 针对国际化的高端市场针对国际化的高端市场, , 研究和开发出高附加值的新型复合材料或者复合有附加性研究和开发出高附加值的新型复合材料或者复合有附加性能的新型材料能的新型材料, ,是各国粉末冶金工作者努力追求的目标。这是各国粉末冶金工作者努力追求的目标。这就要求在诸如复合材料设计、成行固化、复合材料组织控就要求在诸如复合材料设计、成行固化、复合材料组织控制、性能评价等
38、方面能够做出开创性的突破。制、性能评价等方面能够做出开创性的突破。171/63v5 5) )粉末冶金设计的微观化趋势粉末冶金设计的微观化趋势: : 由宏观的尺寸由宏观的尺寸形状形状性能设计层面性能设计层面, , 结合到显微组织结合到显微组织微观结构微观结构性能的设计层面性能的设计层面, , 粉末冶金设计也由粉体特性设计、模粉末冶金设计也由粉体特性设计、模具设计、产品形状设计等宏观设计体系向显微组织和显具设计、产品形状设计等宏观设计体系向显微组织和显微结构设计的微观体系深入和发展。微结构设计的微观体系深入和发展。v6)6)粉末冶金过程控制的数值模拟化趋势粉末冶金过程控制的数值模拟化趋势: : 利
39、用数值优化利用数值优化技术、动态测试技术和计算机模拟技术技术、动态测试技术和计算机模拟技术, , 通过对粉末冶通过对粉末冶金生产过程进行动态的观测和数值化的控制金生产过程进行动态的观测和数值化的控制, , 可以实现可以实现对粉末冶金产品品质的动态检测控制对粉末冶金产品品质的动态检测控制, , 可以大大提高产可以大大提高产品的成品率和生产效率。品的成品率和生产效率。171/64v7)7)粉末冶金制造工艺流程集成化和低成本化趋势粉末冶金制造工艺流程集成化和低成本化趋势: : 近年来近年来, , 高高速压制成形、流动温压成形、微波烧结、烧结硬化等流程集成速压制成形、流动温压成形、微波烧结、烧结硬化等
40、流程集成化技术的产生和应用化技术的产生和应用, , 极大地降低了粉末冶金零部件的制造成极大地降低了粉末冶金零部件的制造成本本, , 提高了粉末冶金生产流程的单位时间效能提高了粉末冶金生产流程的单位时间效能, , 是粉末冶金技是粉末冶金技术的最新发展趋势。术的最新发展趋势。v8)8)粉末冶金制造过程清洁高效和环保的趋势粉末冶金制造过程清洁高效和环保的趋势: : 寻求资源的再生寻求资源的再生利用和减少生产过程中对环境的污染利用和减少生产过程中对环境的污染, , 是现代产业的发展趋势是现代产业的发展趋势。因此。因此, , 针对易再生材料的设计、有害物质的材质控制、润滑针对易再生材料的设计、有害物质的
41、材质控制、润滑剂的煤烟控制、烧结气氛再生方法的开发和烧结零件的轻量化剂的煤烟控制、烧结气氛再生方法的开发和烧结零件的轻量化等等, , 从合金设计和工艺设计的角度从合金设计和工艺设计的角度, , 进行技术创新进行技术创新, , 使粉末冶使粉末冶金各项工艺流程符合环保的强制性法规金各项工艺流程符合环保的强制性法规, , 从而使粉末冶金产业从而使粉末冶金产业更清洁、更环保。更清洁、更环保。171/65在一定的在一定的温度和压力温度和压力下，把表面下，把表面新鲜清洁新鲜清洁的的相同或不相同相同或不相同的金属，通过的金属，通过而连接在一起。而连接在一起。影响扩散粘接过程的主要因素是温度、压力影响扩散粘接
42、过程的主要因素是温度、压力和保温时间。和保温时间。2 2） 扩散粘接法（热压和热等静压）扩散粘接法（热压和热等静压）扩散粘接法成为一种制造扩散粘接法成为一种制造的传统工艺方法。的传统工艺方法。171/66中，中，增强纤维与基体的增强纤维与基体的结合结合主要分为三个关键步骤：主要分为三个关键步骤：2 2）扩散粘接法（热压和热等静压）扩散粘接法（热压和热等静压）171/67采用采用扩散结合方式扩散结合方式制备金属基复合材料，制备金属基复合材料，要求严格，纤维排布、要求严格，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，叠合以及封装手工操作多，成本高成本高。但但是是连续纤维增强连续纤维增强并能并能按照铺层要按照
43、铺层要求排布的求排布的唯一可行的工艺。唯一可行的工艺。2 2） 扩散粘接法（热压和热等静压）扩散粘接法（热压和热等静压）171/68在在中，中，增强纤维与基体增强纤维与基体的的容易解决，而且容易解决，而且在热压时在热压时可通过可通过的办法来的办法来。因此，在金属基复合材料的因此，在金属基复合材料的中大中大量采用量采用。2 2） 扩散粘接法（热压和热等静压）扩散粘接法（热压和热等静压）171/69（1 1）固态热压）固态热压金属扩散粘接工艺过程简图金属扩散粘接工艺过程简图171/70（1 1）固态热压）固态热压根据工艺特点，热压法可分为根据工艺特点，热压法可分为模内热压模内热压、分布热分布热压压
44、和和动态热压动态热压等几种。等几种。热压热压是目前制造直径较粗的是目前制造直径较粗的硼纤维硼纤维和和碳化硅碳化硅纤维纤维增强增强铝基铝基、钛基钛基复合材料的主要方法，其产品作复合材料的主要方法，其产品作为航天发动机主仓框架承力柱、发动机叶片、火为航天发动机主仓框架承力柱、发动机叶片、火箭部件等已得到应用。热压法也是制造箭部件等已得到应用。热压法也是制造钨丝钨丝- -超合超合金金、钨丝钨丝- -铜铜等复合材料的主要方法之一。等复合材料的主要方法之一。171/71（2 2）热等静压）热等静压用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力的作用。用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力的作用。热等
45、静压装置温度可在几百度到热等静压装置温度可在几百度到20002000范围内选择，工作压范围内选择，工作压力可高达力可高达100-200 MPa100-200 MPa。171/72（2 2）热等静压）热等静压热等静压工艺有三种：热等静压工艺有三种： 先升压后升温先升压后升温，其特点是无需将工作压力升到最终所需要，其特点是无需将工作压力升到最终所需要的最高压力，随着温度升高，气体膨胀，压力不断升高直至的最高压力，随着温度升高，气体膨胀，压力不断升高直至达到需要的压力，这种工艺适合于金属包套工件的制造；达到需要的压力，这种工艺适合于金属包套工件的制造； 先升温后升压先升温后升压，此工艺对于用玻璃包套
46、制造复合材料比较，此工艺对于用玻璃包套制造复合材料比较合适，因为玻璃在一定温度下软化，加压时不会发生破裂，合适，因为玻璃在一定温度下软化，加压时不会发生破裂，又可有效传递压力；又可有效传递压力； 同时升温升压同时升温升压，这种工艺适合于低压成型、装入量大、保，这种工艺适合于低压成型、装入量大、保温时间长的工件制造。温时间长的工件制造。热等静压适用于多种复合材料的管、筒、柱及形状复杂零件热等静压适用于多种复合材料的管、筒、柱及形状复杂零件的制造，特别适用于钛、金属间化合物、超合金基复合材料。的制造，特别适用于钛、金属间化合物、超合金基复合材料。171/733 3） 变形压力加工法变形压力加工法变
47、形压力加工法变形压力加工法是指在较大塑性变形条件下实现是指在较大塑性变形条件下实现复合的方法，包括复合的方法，包括热轧法、热拔法、热挤压法热轧法、热拔法、热挤压法等。等。（1 1）热轧法）热轧法可以直接把可以直接把纤维纤维和和金属箔材金属箔材热轧成复合材料，也可以把热轧成复合材料，也可以把半半固化带、喷涂带夹固化带、喷涂带夹在不锈钢板中热轧，以防止轧制过程中在不锈钢板中热轧，以防止轧制过程中的氧化。的氧化。热轧法可以用来将复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属热轧法可以用来将复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成基复合材料锭坯进一步加工成板材板材，使用于，使用于SiCSiCp
48、 p/Al /Al SiCSiCw w/Cu/Cu等复合材料的制备。等复合材料的制备。171/74（2 2）热拔法）热拔法可以把全部基体金属的塑性变形控制得比较小，而且在拉可以把全部基体金属的塑性变形控制得比较小，而且在拉拔加工中纤维主要是受拉应力，几乎没有弯曲应力，可以拔加工中纤维主要是受拉应力，几乎没有弯曲应力，可以避免纤维的断裂和界面剥离。避免纤维的断裂和界面剥离。171/75热拔法热拔法是制造金属丝增强金属基复合材料的有效方法。是制造金属丝增强金属基复合材料的有效方法。也用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料坯料的进也用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料坯料的进一步加工，制成各种
49、形状的管材、型材、棒材等。一步加工，制成各种形状的管材、型材、棒材等。经挤压，经挤压，拉拔后的复合材料的组织变得均匀、缺陷减少或消除，性拉拔后的复合材料的组织变得均匀、缺陷减少或消除，性能明显提高，短纤维和晶须还有一定的能明显提高，短纤维和晶须还有一定的择优取向择优取向，轴向拉，轴向拉伸强度提高很多。伸强度提高很多。常用的增强材料为常用的增强材料为B B、SiCSiC、WW等；常用的基体金属材料有等；常用的基体金属材料有AlAl等。等。171/76（3 3）热挤压法）热挤压法对于双金属包覆材料则采用包覆挤压方法制造。先做出包对于双金属包覆材料则采用包覆挤压方法制造。先做出包覆挤压坯，装入挤压筒
50、内进行挤压，在压力作用下，基体覆挤压坯，装入挤压筒内进行挤压，在压力作用下，基体和包覆层紧密接触，扩散形成和包覆层紧密接触，扩散形成冶金结合冶金结合。线缆挤压是缆芯线缆挤压是缆芯通过中心导孔进入挤压室，加热的包覆金属在挤压室内被通过中心导孔进入挤压室，加热的包覆金属在挤压室内被挤压包覆在缆芯上，从挤压模口挤出。挤压包覆在缆芯上，从挤压模口挤出。包铜铝线及包铅铝电缆就是用这种方法生产的。包铜铝线及包铅铝电缆就是用这种方法生产的。171/774 4） 爆炸焊接法爆炸焊接法爆炸焊接法爆炸焊接法是利用炸药爆炸产生的强大脉冲应力，通过是利用炸药爆炸产生的强大脉冲应力，通过使碰撞的材料发生塑性变形、粘接处
