1、金属基体材料和高性能金属基复合材料 金属基体材料与高性能金属基体材料与高性能金属基复合材料金属基复合材料高性能复合材料的金属基体高性能复合材料的金属基体 高性能金属基复合材料高性能金属基复合材料金属基体材料和高性能金属基复合材料 概述概述n以金属或金属间化合物作为基体的复合材料称以金属或金属间化合物作为基体的复合材料称为金属基复合材料为金属基复合材料(Metal Matrix Composites;(Metal Matrix Composites;简记为简记为MMC)MMC)。n例如：硼纤维增强铝、镁、钛及其合金例如：硼纤维增强铝、镁、钛及其合金(B/Al(B/Al、B/MgB/Mg、B/Ti
2、B/Ti）；）；n碳纤维增强铝、镁及其合金（碳纤维增强铝、镁及其合金（C/AlC/Al、C/Mg)C/Mg)；n碳化硅纤维增强铝、镁、钛及其合金（碳化硅纤维增强铝、镁、钛及其合金（SiC/AlSiC/Al、SiC/MgSiC/Mg、SiC/Ti)SiC/Ti)；n氧化铝纤维增强铝及其合金氧化铝纤维增强铝及其合金(Al(Al2 2O O3 3/Al/Al、AlAl2 2O O3 3/Al-Li)/Al-Li)；钨丝增强铜；钨丝增强铜(W/Cu);(W/Cu);n铬丝增强镍铝金属间化合物铬丝增强镍铝金属间化合物Cr/Cr/（Ni-AlNi-Al）。金属基体材料和高性能金属基复合材料金属基体在复合材
3、料中的作用金属基体在复合材料中的作用（1 1）固结增强体，与增强体一道构成复合材料整体，）固结增强体，与增强体一道构成复合材料整体，保护纤维使之不受环境侵蚀；保护纤维使之不受环境侵蚀；（2 2）传递和承受载荷，在颗粒增强金属基复合材料中）传递和承受载荷，在颗粒增强金属基复合材料中基体是主要承载相，在纤维增强金属基复合材料中，基体是主要承载相，在纤维增强金属基复合材料中，基体对力学性能的贡献也远大于在聚合物基体和陶瓷基体对力学性能的贡献也远大于在聚合物基体和陶瓷基体在复合材料中的贡献；基体在复合材料中的贡献；（3 3）赋予复合材料一定形状，保证复合材料具有一定）赋予复合材料一定形状，保证复合材料
4、具有一定的可加工性的可加工性;（4 4）复合材料的强度、刚度、耐高温、耐介质、导电、）复合材料的强度、刚度、耐高温、耐介质、导电、导热等性能均与基体的相应性质密切相关。导热等性能均与基体的相应性质密切相关。金属基体材料和高性能金属基复合材料金属基体在复合材料中的体积比金属基体在复合材料中的体积比l金属基体在复合材料中占有很大的体积比：金属基体在复合材料中占有很大的体积比：连续纤维增强金属基复合材料中基体约占连续纤维增强金属基复合材料中基体约占50%70%50%70%；颗粒增强金属基复合材料中，根据不同性颗粒增强金属基复合材料中，根据不同性能要求，基体体积比可在能要求，基体体积比可在90%25%
5、90%25%范围内变范围内变化，多数为化，多数为80%90%80%90%；短纤维、晶须增强金属基复合材料中，基短纤维、晶须增强金属基复合材料中，基体体积比在体体积比在70%70%以上，一般为以上，一般为80%90%80%90%。金属基体材料和高性能金属基复合材料金属基体的优势金属基体的优势金属是最古老、最通用的工程材料之一，它们有许多成金属是最古老、最通用的工程材料之一，它们有许多成熟的成型、加工、连接方法可供金属基复合材料借鉴。熟的成型、加工、连接方法可供金属基复合材料借鉴。在使用寿命、性能测试等方面有丰富的技术资料；对金在使用寿命、性能测试等方面有丰富的技术资料；对金属基体自身的性能积累有
6、丰富的数据，对它们在使用中属基体自身的性能积累有丰富的数据，对它们在使用中的优缺点拥有丰富的经验。的优缺点拥有丰富的经验。弹性模量和耐热性高；弹性模量和耐热性高；强度高，还可以通过各种工程途径来进行强化；强度高，还可以通过各种工程途径来进行强化；塑性、韧性好，是强而韧（塑性、韧性好，是强而韧（strong and tough)strong and tough)的材料的材料;电、磁、光、热、弹等性能好，有应用于多功能复合材电、磁、光、热、弹等性能好，有应用于多功能复合材料的发展潜力。料的发展潜力。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-1 6-1 工程材料的断裂能之比较工程材料的断裂能之比较金
7、属无机玻璃未改性的环氧、聚酯和聚酰亚胺有机玻璃(PMMA)聚砜热塑性(PSF)合成橡胶改性环氧金属基体材料和高性能金属基复合材料利用金属基体制成利用金属基体制成MMCMMC的综合性能的综合性能（8 8）导电导热性强；）导电导热性强；（9 9）对温度变化或热冲）对温度变化或热冲击的敏感性低；击的敏感性低；（1010）抗腐蚀性好；）抗腐蚀性好；（1111）无放气污染；）无放气污染；（1212）不吸湿、不老化、）不吸湿、不老化、防燃、抗辐射；防燃、抗辐射；（1313）性能再现性好；）性能再现性好；（1414）便于制造、成型、）便于制造、成型、加工、连接和精整。加工、连接和精整。（1 1）高比强度；）
8、高比强度；（2 2）高比模量；）高比模量；（3 3）高的韧性及抗冲击性能；）高的韧性及抗冲击性能；（4 4）良好的耐热性；）良好的耐热性；（5 5）良好的耐磨与阻尼性；）良好的耐磨与阻尼性；（6 6）与增强纤维复合后可以）与增强纤维复合后可以制造低热膨胀系数的、尺寸制造低热膨胀系数的、尺寸稳定性好的复合材料；稳定性好的复合材料；（7 7）表面耐久性好，对表面）表面耐久性好，对表面裂纹敏感性低裂纹敏感性低金属基体材料和高性能金属基复合材料金属基复合材料的使用要求金属基复合材料的使用要求（1 1）航天、航空领域对基体金属的要求）航天、航空领域对基体金属的要求p性能要求：比强度高、比模量高、尺寸稳性
9、能要求：比强度高、比模量高、尺寸稳定性高。定性高。p作为航天飞行器和卫星的构件时，基体应作为航天飞行器和卫星的构件时，基体应选用密度小的轻金属合金，如镁合金、铝选用密度小的轻金属合金，如镁合金、铝合金；增强体应选用高强度、高模量的连合金；增强体应选用高强度、高模量的连续石墨纤维、硼纤维等。续石墨纤维、硼纤维等。金属基体材料和高性能金属基复合材料（2 2）高性能发动机领域对基体金属的要求）高性能发动机领域对基体金属的要求l性能要求：高比强度、比模量、优良的耐性能要求：高比强度、比模量、优良的耐高温持久性能、能在高温氧化性气氛中长高温持久性能、能在高温氧化性气氛中长期工作。期工作。l基体选用钛基合
10、金、镍基合金及金属间化基体选用钛基合金、镍基合金及金属间化合物；增强体选用碳化硅纤维（增强钛合合物；增强体选用碳化硅纤维（增强钛合金）、钨丝（增强镍基超合金）等。金）、钨丝（增强镍基超合金）等。l制作喷气发动机增压叶片、传动轴等零件。制作喷气发动机增压叶片、传动轴等零件。金属基体材料和高性能金属基复合材料（3 3）汽车发动机领域对基体金属的要求）汽车发动机领域对基体金属的要求l性能要求：耐热、耐磨、热膨胀系数小、性能要求：耐热、耐磨、热膨胀系数小、一定的高温强度、成本低廉和适合于批量一定的高温强度、成本低廉和适合于批量生产。生产。l基体选用铝合金；增强体选用碳化硅颗粒、基体选用铝合金；增强体选
11、用碳化硅颗粒、氧化铝短纤维和碳短纤维等。氧化铝短纤维和碳短纤维等。l制作发动机活塞、缸套、连杆等零件。制作发动机活塞、缸套、连杆等零件。金属基体材料和高性能金属基复合材料（4 4）电子工业领域对基体金属的要求）电子工业领域对基体金属的要求l性能要求：高导电、高导热、低热膨胀系性能要求：高导电、高导热、低热膨胀系数。数。l基体选用导电、导热性能优异的银、铜、基体选用导电、导热性能优异的银、铜、铝等；增强体选用高模量石墨纤维等。铝等；增强体选用高模量石墨纤维等。l制作集成电路散热元件和基板等。制作集成电路散热元件和基板等。金属基体材料和高性能金属基复合材料常用金属基体材料的种类及性能常用金属基体材
12、料的种类及性能常用金属材料包括铝、镁、钛、铜、金常用金属材料包括铝、镁、钛、铜、金属间化合物和高温合金。属间化合物和高温合金。铁及铁合金（有时包括锰、铬）称为黑色金铁及铁合金（有时包括锰、铬）称为黑色金属。属。除钢铁以外所有的其他金属统称为有色金属，除钢铁以外所有的其他金属统称为有色金属，如铝、铜、镁、钛、钨等。如铝、铜、镁、钛、钨等。金属与非金属、金属与金属之间形成的化合金属与非金属、金属与金属之间形成的化合物称为金属间化合物，如钛铝、镍铝、铁铝等。物称为金属间化合物，如钛铝、镍铝、铁铝等。高温合金主要是镍基、铁基合金。高温合金主要是镍基、铁基合金。金属基体材料和高性能金属基复合材料金属基复
13、合材料的常用金属基体有：金属基复合材料的常用金属基体有：n铝（铝（AluminumAluminum）及其合金）及其合金n镁（镁（MagnesiumMagnesium）及其合金）及其合金n钛（钛（TitaniumTitanium）及其合金）及其合金n铜（铜（CopperCopper）及其合金）及其合金n镍（镍（NickelNickel）及及其合金其合金n不锈钢不锈钢 （stainless steelstainless steel）n金属间化合物金属间化合物(Intermetallic compounds)(Intermetallic compounds)金属基体材料和高性能金属基复合材料不同基体
14、的金属基结构复合材料不同基体的金属基结构复合材料的使用温度范围的使用温度范围 对用于各种航空、航天、汽车、先进武器等结对用于各种航空、航天、汽车、先进武器等结构复合材料基体的要求是：构复合材料基体的要求是：p高比强度和比刚度高比强度和比刚度p高的结构效率高的结构效率不同基体金属基复合材料的使用温度范围：不同基体金属基复合材料的使用温度范围：450 650 1200铝及铝合金、铝及铝合金、钛合金钛合金 金属间化合物、金属间化合物、镁及镁合金镁及镁合金 镍基、铁基镍基、铁基 耐热合金耐热合金 金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-58 6-58 碳纤维增强铝预制丝横截面金相照片碳纤维增强铝预制
15、丝横截面金相照片（1 1）碳纤维增强金属基复合材料的结构）碳纤维增强金属基复合材料的结构 用超声波振动浸渗法制备的碳纤维增强铝预制丝的用超声波振动浸渗法制备的碳纤维增强铝预制丝的横截面结构的金相照片表明，碳纤维在铝基体中分横截面结构的金相照片表明，碳纤维在铝基体中分布十分均匀。布十分均匀。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-59 6-59 碳晶须碳晶须/铝合金铝合金-60616061横截面横截面n用液态浸渍法制备的碳晶须增强铝合金（用液态浸渍法制备的碳晶须增强铝合金（6061）复）复合材料横截面结构的金相照片表明，碳晶须在铝基合材料横截面结构的金相照片表明，碳晶须在铝基体中的分布无方向性
16、，这种复合材料的性能呈各向体中的分布无方向性，这种复合材料的性能呈各向同性同性。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-59 碳纤维碳纤维/铝复合材料拉伸断口铝复合材料拉伸断口n用固态法制备的碳纤维增强铝复合材料的拉伸断口用固态法制备的碳纤维增强铝复合材料的拉伸断口扫描电镜照片表明，断口表面不平坦，有一些纤维扫描电镜照片表明，断口表面不平坦，有一些纤维拔出，在基体上还有拔出纤维留下的空洞。这种复拔出，在基体上还有拔出纤维留下的空洞。这种复合材料断口表明其拉伸强度较高。合材料断口表明其拉伸强度较高。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-616-61 碳化硅（含钛）碳化硅（含钛）/铝预制丝（
17、非圆形铝预制丝（非圆形截面）的结构截面）的结构n用超声波振动浸渗法制备的含钛碳化硅纤维（用超声波振动浸渗法制备的含钛碳化硅纤维（Tyranno SiC纤纤维）增强铝预制丝横截面的金相照片表明，预制丝具有非圆维）增强铝预制丝横截面的金相照片表明，预制丝具有非圆形横截面，纤维在铝基体中分布不十分均匀。形横截面，纤维在铝基体中分布不十分均匀。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-62 6-62 从预制丝中萃取的碳化硅（含钛）纤维从预制丝中萃取的碳化硅（含钛）纤维(a)(a)表面光滑；表面光滑；(b)(b)表面粘有基体铝表面粘有基体铝(a)(b)n从预制丝中萃取的从预制丝中萃取的Tyranno S
18、iCTyranno SiC纤维表面形貌的扫描电镜照片表纤维表面形貌的扫描电镜照片表明，明，（a a）纤维表面光滑，表面上无铝粘连，说明在制造预制丝过程中）纤维表面光滑，表面上无铝粘连，说明在制造预制丝过程中纤维与铝之间没有发生化学反应。纤维与铝之间没有发生化学反应。（b b）纤维表面粘有基体铝，说明在制造预制丝过程中纤维与铝之）纤维表面粘有基体铝，说明在制造预制丝过程中纤维与铝之间发生一定程度的化学反应。间发生一定程度的化学反应。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-63 6-63 用预制丝固态热压法制得的用预制丝固态热压法制得的Nicalon SiCNicalon SiC纤维纤维/AlA
19、l复合材料金相照片复合材料金相照片(a)(a)横截面（横截面（5050）；(b)(b)纵截面（纵截面（5050）(a)(b)用预制丝固态热压法制得的用预制丝固态热压法制得的Nicalon SiC纤维增强铝复合材料纤维增强铝复合材料横截面和纵截面的低倍（横截面和纵截面的低倍（50倍）金相照片：倍）金相照片：横截面的金相照片（横截面的金相照片（a a）表明，）表明，SiC纤维与铝基体的润湿比较纤维与铝基体的润湿比较均匀，但在束丝与束丝之间含有明显多的基体铝；均匀，但在束丝与束丝之间含有明显多的基体铝；纵截面的金相照片（纵截面的金相照片（b b）表明，纤维的平行度不是很好，且含）表明，纤维的平行度不
20、是很好，且含有一些未润湿的区域有一些未润湿的区域。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-64 Nicalon SiC6-64 Nicalon SiC纤维纤维/AlAl复合材料横复合材料横截面金相照片截面金相照片(a)200(a)200；(b)400(b)400(a)(b)用预制丝固态热压法制得的用预制丝固态热压法制得的Nicalon SiCNicalon SiC纤维增强铝复合材纤维增强铝复合材料横截面的高倍（料横截面的高倍（200200倍和倍和400400倍）金相照片倍）金相照片（a a）表明，）表明，SiCSiC纤维与铝基体的润湿不十分均匀，纤维与纤维纤维与铝基体的润湿不十分均匀，纤维与
21、纤维之间留有未被基体铝润湿的空隙；之间留有未被基体铝润湿的空隙；（b b）表明，）表明，SiCSiC纤维与铝基体的润湿比较均匀。纤维与铝基体的润湿比较均匀。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-65 Nicalon SiC6-65 Nicalon SiC纤维纤维/AlAl复合材料的金相照复合材料的金相照片片(a)(a)纤维平行排布纤维平行排布；(b)(b)束丝纤维正交排布束丝纤维正交排布(a)(b)金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-65 6-65 Tetolon SiCTetolon SiC纤维纤维/Al/Al预制丝中的纤维分布预制丝中的纤维分布（纤维是非圆形截面，纤维在铝基体中分
22、布比较均匀）（纤维是非圆形截面，纤维在铝基体中分布比较均匀）金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-69 Tyranno SiC6-69 Tyranno SiC纤维纤维/Al-CuAl-Cu复合材料拉伸断口（平断口）复合材料拉伸断口（平断口）(a)(a)纤维出现裂纹；纤维出现裂纹；(b)(b)拔出纤维表面粘铝拔出纤维表面粘铝(a)(b)nTyranno SiCTyranno SiC纤维增强纤维增强Al-CuAl-Cu合金复合材料的拉伸断合金复合材料的拉伸断口扫描电镜照片口扫描电镜照片n（a a）表明，纤维产生劈裂；）表明，纤维产生劈裂；n（b b）表明，纤维被拔出，且纤维表面还包覆较厚）表明
23、，纤维被拔出，且纤维表面还包覆较厚的铝层。说明纤维与基体之间的界面结合较强。的铝层。说明纤维与基体之间的界面结合较强。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-70 Nicalon SiC6-70 Nicalon SiC纤维纤维/AlAl复合材料拉伸断口复合材料拉伸断口(a)(a)平断口平断口;(b);(b)拔出纤维表面黏铝拔出纤维表面黏铝(a)(b)n用真空液相压渗法制备的用真空液相压渗法制备的Nicalon SiCNicalon SiC纤维增强铝复合材料的拉伸断口扫描纤维增强铝复合材料的拉伸断口扫描电镜照片电镜照片（a a）表明断裂纤维具有平滑表面；）表明断裂纤维具有平滑表面；（b b）被
24、拔出纤维表面黏有撕裂的铝。）被拔出纤维表面黏有撕裂的铝。n这两个图表明，在拉伸过程中，纤维呈脆性断裂，基体呈韧性断裂。纤维这两个图表明，在拉伸过程中，纤维呈脆性断裂，基体呈韧性断裂。纤维与基体之间界面结合较强。与基体之间界面结合较强。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-71 Tetolon SiC6-71 Tetolon SiC纤维纤维/AlAl复合材料中的拉伸断口复合材料中的拉伸断口金属基体材料和高性能金属基复合材料 用固态热压法制备的用固态热压法制备的CVD SiCCVD SiC纤维增强纤维增强铝复合材料横截面金相照片表明，这铝复合材料横截面金相照片表明，这种单丝粗种单丝粗SiCSi
25、C纤维在基体中呈规整的等纤维在基体中呈规整的等边三角形排列，复合材料的拉伸强度边三角形排列，复合材料的拉伸强度明显高于束丝细明显高于束丝细SiCSiC纤维复合材料的强纤维复合材料的强度。度。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-72 CVD SiC6-72 CVD SiC纤维纤维/AlAl复合材料中纤维的分布复合材料中纤维的分布100 200 400 400 金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-73 6-73 日本住友化学日本住友化学 AlAl2 2O O3 3纤维纤维/Al-6061Al-6061复合材料中纤维的复合材料中纤维的分布分布(a)(a)未腐蚀（未腐蚀（200200）；）
26、；(b)10%NaOH/20s(b)10%NaOH/20s腐蚀（腐蚀（400400）(a)(b)n用真空液相压渗法制备用真空液相压渗法制备 工艺是将工艺是将720720的铝合金（的铝合金（60616061）压渗入日本住友化学压渗入日本住友化学AlAl2 2O O3 3纤维中，得到复合材料纤维中，得到复合材料。nAlAl2 2O O3 3纤维纤维/Al-6061Al-6061复合材料横截面的金相照片表明，纤复合材料横截面的金相照片表明，纤维在基体中分布均匀。维在基体中分布均匀。（a a）未经腐蚀的照片）未经腐蚀的照片（b b）、（）、（c c）经）经10%NaOH10%NaOH腐蚀腐蚀20s20
27、s的不同倍数的金相照片中的不同倍数的金相照片中发现基体铝合金中有析出的第二相。发现基体铝合金中有析出的第二相。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-74 6-74 日本住友化学日本住友化学 AlAl2 2O O3 3纤维纤维/Al-6061Al-6061复复合材料中纤维的分布合材料中纤维的分布(c)10%NaOH/20s(c)10%NaOH/20s腐蚀腐蚀（18180000）（c）金属基体材料和高性能金属基复合材料SiCSiC晶须晶须/Al/Al复合材料中晶须的分布复合材料中晶须的分布-SiSi3 3N N4 4晶须晶须/Al-6061Al-6061复合材料中晶须的分复合材料中晶须的分布布
28、AlAl2 2O O3 3晶须晶须/Al-6061Al-6061复合材料中晶须的分布复合材料中晶须的分布9Al9Al2 2O O3 32B2B2 2O O3 3纤维纤维/Al-6061/Al-6061复合材料复合材料TEMTEM照片照片 K K2 2O O6TiO6TiO2 2晶须晶须/Al-6061Al-6061复合材料中晶须的复合材料中晶须的分布分布几种晶须增强铝及铝合金的扫描电镜图几种晶须增强铝及铝合金的扫描电镜图金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-72 SiC6-72 SiC晶须晶须/Al/Al复合材料中复合材料中晶须的分布晶须的分布金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-73
29、 6-73 -SiSi3 3N N4 4晶须晶须/Al-6061Al-6061复合材料中复合材料中晶须的分布晶须的分布金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-74 Al6-74 Al2 2O O3 3晶须晶须/Al-6061Al-6061复合材料中复合材料中晶须的分布晶须的分布金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-78 9Al6-78 9Al2 2O O3 32B2B2 2O O3 3纤维纤维/Al-/Al-60616061复合材料复合材料TEMTEM照片照片金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-79 K6-79 K2 2O6TiOO6TiO2 2晶须晶须/Al-Al-6061606
30、1复合材料中晶须的分布复合材料中晶须的分布金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-80 K6-80 K2 2O6TiOO6TiO2 2晶须晶须/Al-Al-60616061复合材料的复合材料的TEMTEM照片照片金属基体材料和高性能金属基复合材料 6.2.4.2 6.2.4.2 金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能（1 1）高性能金属基复合材料对组成相的要求）高性能金属基复合材料对组成相的要求p欲获得强度高、韧性好的金属基体复合材料，要求：欲获得强度高、韧性好的金属基体复合材料，要求：(a)(a)增强体是高模量、高强度和高长径比的连续纤维；增强体是高模量、高强度和高长径比的连续纤维；(b
31、)(b)当纤维产生裂纹时，韧性金属可以使裂纹钝化，当纤维产生裂纹时，韧性金属可以使裂纹钝化，纤维与基体结合良好，其界面能有效传递载荷；纤维与基体结合良好，其界面能有效传递载荷；p在制造加工或服役过程，比较难于控制的问题还有：纤维与在制造加工或服役过程，比较难于控制的问题还有：纤维与基体在界面处发生反应和纤维与基体之间热膨胀系数不匹配基体在界面处发生反应和纤维与基体之间热膨胀系数不匹配引起热应力。因此，欲获得强度高的引起热应力。因此，欲获得强度高的MMCMMC，我们还需要：，我们还需要：（c c）纤维在复合材料中的原位强度高和临界裂纹密度低；）纤维在复合材料中的原位强度高和临界裂纹密度低；（d
32、d）基体金属的韧性高。）基体金属的韧性高。金属基体材料和高性能金属基复合材料(2)(2)力学性能力学性能连续纤维增强金属基复合材料的的力学性能呈高度各向异性；MMC比强度、比模量均比未加增强体的基体材料显著提高；室温延伸率比基体明显下降；高温强度（尤其是非连续增强体复合材料）比基体明显提高；断裂韧性比基体有所降低；当界面结合好时，MMC的疲劳性能较好。金属基体材料和高性能金属基复合材料20%20%多晶氧化铝纤维增强铝合金在多晶氧化铝纤维增强铝合金在350350拉伸强度比未加增强纤维的基体提高拉伸强度比未加增强纤维的基体提高1 1倍。相当于基体金属在倍。相当于基体金属在250250时的拉伸时的拉
33、伸强度，即加入纤维的结果可使耐热性提强度，即加入纤维的结果可使耐热性提高高100100。20%SiC20%SiC晶须增强铝基复合材料在晶须增强铝基复合材料在350350的拉伸强度比未加晶须的基体金属材料的拉伸强度比未加晶须的基体金属材料提高两倍以上。提高两倍以上。金属基体材料和高性能金属基复合材料 SiCSiC纤维增强铝复合材料的高温性能和纤维增强铝复合材料的高温性能和作为比较的基体铝的高温性能。可见，作为比较的基体铝的高温性能。可见，弹性模量随温度升高只有微小降低；弹性模量随温度升高只有微小降低；屈服强度和断裂强度保持到屈服强度和断裂强度保持到200200基本基本不下降，在更高温（约不下降，
34、在更高温（约300300）才急剧）才急剧下降。下降。金属基复合材料比未增强的基体金属材金属基复合材料比未增强的基体金属材料具有更好的高温性能。料具有更好的高温性能。金属基体材料和高性能金属基复合材料金属基复合材料的热学性能包括：金属基复合材料的热学性能包括：热膨胀热膨胀热传导率热传导率热残余应力热残余应力耐热冲击（热循环）耐热冲击（热循环）(3)(3)热学性能热学性能金属基体材料和高性能金属基复合材料(4)(4)热处理性能热处理性能nNick和和Karlak指出，在指出，在B4C/Al-6061复合材复合材料中，因有料中，因有B4C颗粒存在，能加速基体的时颗粒存在，能加速基体的时效敏感度。效敏
35、感度。n分析原因：这是由于增强体与基体之间存在分析原因：这是由于增强体与基体之间存在热膨胀系数不匹配和存在因颗粒弥散而形成热膨胀系数不匹配和存在因颗粒弥散而形成的大量界面，导致基体中的位错密度升高。的大量界面，导致基体中的位错密度升高。这两个因素均导致有效扩散系数增加，从而这两个因素均导致有效扩散系数增加，从而有助于合金元素形成沉淀物，同时也导致基有助于合金元素形成沉淀物，同时也导致基体加速时效的敏感度增加。体加速时效的敏感度增加。金属基体材料和高性能金属基复合材料n纤维长径比、基体应力纤维长径比、基体应力应变指数是影响应变指数是影响蠕变的重要因素。蠕变的重要因素。n难熔金属丝增强镍基超合金复
36、合材料中，难熔金属丝增强镍基超合金复合材料中，纤维与基体在高温下均会发生蠕变。这是纤维与基体在高温下均会发生蠕变。这是因为基体与增强体的熔点相近。因为基体与增强体的熔点相近。n陶瓷纤维陶瓷纤维/金属（金属（SiC/Al SiC/Al、AlAl2 2O O3 3/Al/Al）中，）中，基体蠕变绝对值大于纤维。在蠕变的基体基体蠕变绝对值大于纤维。在蠕变的基体中纤维只有弹性变形。从而使复合材料的中纤维只有弹性变形。从而使复合材料的总蠕变速率下降。总蠕变速率下降。(5)(5)抗蠕变性能抗蠕变性能金属基体材料和高性能金属基复合材料 非连续纤维增强金属基复合材料中，非连续纤维增强金属基复合材料中，由于基体
37、在纤维端部发生塑性流变，由于基体在纤维端部发生塑性流变，因而其蠕变量较连续纤维增强金属因而其蠕变量较连续纤维增强金属基复合材料的大。基复合材料的大。当非连续纤维增强金属基复合材料当非连续纤维增强金属基复合材料承受偏轴载荷时，因为有垂直轴向承受偏轴载荷时，因为有垂直轴向分力的作用，也使蠕变量增大分力的作用，也使蠕变量增大。金属基体材料和高性能金属基复合材料(6)(6)磨擦磨损性能磨擦磨损性能n高强度、高模量、高硬度的陶瓷类增强材料高强度、高模量、高硬度的陶瓷类增强材料（颗粒、晶须、纤维等）加入金属基体中，（颗粒、晶须、纤维等）加入金属基体中，能够明显改善金属基复合材料的耐磨性；能够明显改善金属基
38、复合材料的耐磨性；n某些具有自润滑作用的增强材料的加入，又某些具有自润滑作用的增强材料的加入，又可以大幅度调节金属基复合材料的摩擦系数。可以大幅度调节金属基复合材料的摩擦系数。n因此，通过控制和调整增强体的种类、形态、因此，通过控制和调整增强体的种类、形态、尺寸、取向等，可以获得磨耗最小的材料及尺寸、取向等，可以获得磨耗最小的材料及与对磨材料最佳匹配的摩擦材料。与对磨材料最佳匹配的摩擦材料。金属基体材料和高性能金属基复合材料l硅酸铝（硅酸铝（Al2O3SiO2）短纤维增强铝基）短纤维增强铝基复合材料与球墨铸铁的磨损实验曲线表复合材料与球墨铸铁的磨损实验曲线表明，硅酸铝的加入量小于明，硅酸铝的加
39、入量小于7%时，就能时，就能使铝基复合材料的耐磨性成倍提高。使铝基复合材料的耐磨性成倍提高。l铸造铝合金铸造铝合金ZL109在载荷为在载荷为20N时，出时，出现严重的黏着磨损；现严重的黏着磨损；l而而Al2O3SiO2(4.5%)/ZL109复合材料在复合材料在载荷载荷70N时仍为正常磨损时仍为正常磨损。金属基体材料和高性能金属基复合材料l能够作为摩擦磨损材料的金属基复合材料能够作为摩擦磨损材料的金属基复合材料体系有：体系有：l碳化钛（碳化钛（TiCTiC）颗粒增强铝合金（）颗粒增强铝合金（50525052）l碳纤维增强铜合金（碳纤维增强铜合金（Cu-6SnCu-6Sn、Cu-SnCu-Sn、
40、Cu-Cu-AgAg、Cu-Ag-NiCu-Ag-Ni等）等）l原位反应生成颗粒增强金属基复合材料原位反应生成颗粒增强金属基复合材料（AlAl3 3Ti-AlTi-Al2 2O O3 3/Al/Al、AlAl2 2O O3 3-TiB-TiB2 2/Al/Al、AlAl2 2O O3 3-AlAl3 3Ti-TiBTi-TiB2 2/Al/Al等）等）金属基体材料和高性能金属基复合材料l一些研究者认为，当陶瓷颗粒增强金属基一些研究者认为，当陶瓷颗粒增强金属基复合材料中颗粒体积分数一定时，尺寸较复合材料中颗粒体积分数一定时，尺寸较大的颗粒比尺寸较小的颗粒的磨损速率更大的颗粒比尺寸较小的颗粒的磨损
41、速率更低。低。l另外，磨损速率降低与摩擦系数的变化并另外，磨损速率降低与摩擦系数的变化并不直接相关。不直接相关。l界面结合强度高的颗粒增强金属基复合材界面结合强度高的颗粒增强金属基复合材料的耐磨损性能更高。料的耐磨损性能更高。金属基体材料和高性能金属基复合材料l在磨粒磨损情况下，磨粒直径对复合材料在磨粒磨损情况下，磨粒直径对复合材料的磨损行为有较大影响，的磨损行为有较大影响，l当磨粒较细小时，随着增强材料体积分数当磨粒较细小时，随着增强材料体积分数增加，耐磨性的改善呈线性变化；增加，耐磨性的改善呈线性变化；l当磨粒较大时，随着纤维体积分数增加，当磨粒较大时，随着纤维体积分数增加，耐磨性达到极大
42、值，再进一步增大纤维体耐磨性达到极大值，再进一步增大纤维体积分数则会引起耐磨性降低积分数则会引起耐磨性降低。金属基体材料和高性能金属基复合材料l当将固体润滑材料加入到金属基体中，或当将固体润滑材料加入到金属基体中，或者通过反应从金属基体中生成析出的自润者通过反应从金属基体中生成析出的自润滑组分时，可以得到金属基自润滑复合材滑组分时，可以得到金属基自润滑复合材料。料。l这类材料正被广泛应用于滑动轴承和一些这类材料正被广泛应用于滑动轴承和一些耐磨部件。如高速轴承、高温轴承、电器耐磨部件。如高速轴承、高温轴承、电器触头和活塞。触头和活塞。金属基体材料和高性能金属基复合材料l自润滑复合材料的磨损率随固
43、体润滑剂体自润滑复合材料的磨损率随固体润滑剂体积分数的增加而下降；积分数的增加而下降；l当固体润滑剂体积分数一定时，复合材料当固体润滑剂体积分数一定时，复合材料的磨损率则随着接触压强增大而上升，随的磨损率则随着接触压强增大而上升，随着滑动速度的增加而降低。着滑动速度的增加而降低。金属基体材料和高性能金属基复合材料高模碳纤维增强铝基复合材料（高模碳纤维增强铝基复合材料（HM-HM-C Cf f/Al/Al）复合材料虽然具有高韧性与低热）复合材料虽然具有高韧性与低热膨胀系数，膨胀系数，但易受电化学腐蚀。在水中形成微电但易受电化学腐蚀。在水中形成微电池（碳是阴极，铝是阳极），使基体铝池（碳是阴极，铝
44、是阳极），使基体铝不断水解。不断水解。解决办法：在解决办法：在C Cf f/Al/Al复合材料表面施复合材料表面施加玻璃绝缘涂层。加玻璃绝缘涂层。（7 7）电化学性能）电化学性能金属基体材料和高性能金属基复合材料6.2.5 6.2.5 金属基复合材料金属基复合材料的应用的应用nB Bf f/Al/Al：用作航天飞机轨道飞行器中管状桁架部：用作航天飞机轨道飞行器中管状桁架部件件(in the tubular truss members in the(in the tubular truss members in the Space Shuttle Orbiter)Space Shuttle Or
45、biter)nC Cf f/Al/Al：用作：用作NASANASA空间望远镜的大型天线支杆空间望远镜的大型天线支杆(a a large antenna boom cum waveguide designed large antenna boom cum waveguide designed for the NASA space telescope)for the NASA space telescope)。当使用温度。当使用温度在在对太阳面与背太阳面的温差达对太阳面与背太阳面的温差达120120时时，能够，能够保证望远镜的安装位置不因温度变化而变化保证望远镜的安装位置不因温度变化而变化。其。其
46、弹性模量弹性模量（E E）大于）大于358GPa358GPa，热膨胀系数（，热膨胀系数（）接）接近于零。近于零。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-86 6-86 航天飞机中段主机身的航天飞机中段主机身的B/AlB/Al管件桁架管件桁架金属基体材料和高性能金属基复合材料 FP-Al2O3/Al或或FP-Al2O3/Mg：用作汽车部：用作汽车部件件(automotive parts)和内燃机连杆和内燃机连杆(internal combustion engine connecting rods)。Wf/Cu：用作电触头：用作电触头(electrical contact)、起发汗作用的火箭发动
47、机喷管喉衬起发汗作用的火箭发动机喷管喉衬(cryogenically coolled thrust chamber liners for rocket engines)。定向凝固共晶复合材料定向凝固共晶复合材料InSb-NiSb:用于用于抗抗磁装置磁装置(magneto resistance device)、无触、无触点控制装置点控制装置(contactless control device)和和电电气机车制动器气机车制动器(brake of an electrical locomotive)。金属基体材料和高性能金属基复合材料 采用硅酸铝纤维增强铝硅合金采用硅酸铝纤维增强铝硅合金（55%Al
48、55%Al2 2O O3 3 45%SiO 45%SiO2 2）/（Al-SiAl-Si）制制造发动机活塞在欧洲已获得应用。造发动机活塞在欧洲已获得应用。SiCSiC晶须增强铝硅合金复合材料活塞也在晶须增强铝硅合金复合材料活塞也在试用中。试用中。在活塞顶部和环槽部位用硅酸铝纤维局在活塞顶部和环槽部位用硅酸铝纤维局部增强铝合金，这种活塞不仅具有较高部增强铝合金，这种活塞不仅具有较高的高温强度和疲劳强度，而且进一步降的高温强度和疲劳强度，而且进一步降低了成本。低了成本。金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-88 6-88 金属基复合材料齿轮金属基复合材料齿轮 金属基体材料和高性能金属基复合材料
49、图图6-71 6-71 金属基复合材料高尔夫球杆击球的球头金属基复合材料高尔夫球杆击球的球头金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-88 6-88 金属基复合材料各种支架金属基复合材料各种支架金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-89 6-89 金属基复合材料试验件金属基复合材料试验件金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-93 6-93 碳纤维碳纤维/铝复合材料零件铝复合材料零件金属基体材料和高性能金属基复合材料图图6-94 6-94 碳纤维碳纤维/铜直流电刷铜直流电刷 金属基体材料和高性能金属基复合材料 采用电镀或化学镀在金属零件表面形成采用电镀或化学镀在金属零件表面形成复合镀层，
50、是金属基复合材料近年来发复合镀层，是金属基复合材料近年来发展的新应用。展的新应用。复合镀层可以设计成微粒弥散金属、纤复合镀层可以设计成微粒弥散金属、纤维增强金属和层状复合材料。在航空发维增强金属和层状复合材料。在航空发动机、燃气轮机、汽车、核工业领域，动机、燃气轮机、汽车、核工业领域，甚至在化工、船舶、机械、电气电子和甚至在化工、船舶、机械、电气电子和计算机工业领域需要增加耐磨性、抗腐计算机工业领域需要增加耐磨性、抗腐蚀性、导电性及焊接性的零部件中具有蚀性、导电性及焊接性的零部件中具有广泛的开发前景。广泛的开发前景。金属基体材料和高性能金属基复合材料 例如，当采用例如，当采用AlAl2 2O
