1、第六章第六章 金属基复合材料的制备金属基复合材料的制备主要内容：第一节 概述第二节 金属基复合材料的基体和增强体第三节 金属基复合材料的制备技术第四节 金属基纳米复合材料制备技术第一节第一节 概述概述一、复合材料的定义和分类一、复合材料的定义和分类n1、复合材料的定义复合材料的定义n复合材料：是由两种或两种以上不同性质的材料通过先进的材料制备技术组合而成的性能优异的新材料。n一般定义的复合材料需满足的条件（P97）n一般来说，复合材料由基体和增强材料组成。增强材料是复合材料的主要承力组分特别是拉伸强度、弯曲强度利冲击强度等力学性能主要由增强材料承担；基体的作用是将增强材料黏合成一个整体，起到均
2、衡应力和传递应力的作用，使增强材料的性能得到充分发挥，从而产生一种复合效应，使复合材料的性能大大优于单一材料的性能。n复合材料的性能主要取决于：n基体的性能；n增强材料的性能；n基体与增强材料之间的界面性能。n2、复合材料的分类复合材料的分类n由于基体材料和增强材料不同，增强材料形态不同，复合方式及复合效果不同，其分类方法很多。n(1)按用途分类 分为结构复合材料和功能复合材料。n(2)按基体材料的类型分：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。n(3)按增强材料类型分类：无机非金属增强复合材料，如碳纤维增强复合材料、硼碳纤维增强复合材料等；金属增强复合材料，如钨丝增强高温合金复合材料
3、、铁丝增强树脂基复合材料等；有机纤维增强复合材料，如芳纶纤维增强环氧树脂复合材料等。n(4)按增强材料形态及分布方式分类 分为颗粒增强复合材料、连续纤维增强复合材料（包括单向纤维、二向织物层合等）、短纤维增强复合材料、晶须增强复合材料、薄片增强复合材料等.3、金属基复合材料（、金属基复合材料（MMC）的特点与分类）的特点与分类n（MMC，metal matrix composite）n金属基复合材料是以金属及合金为基体的复合材料。n金属基复合材料的特点：金属基复合材料既保持了金属本身的特性，又具有复合材料的综合特性。通过不同基体和增强物的优化组合，可获得各种高性能的复合材料，具有各种特殊性能和
4、优异的综合性能。n金属基复合材料的分类n(1)按基体材料类型分类 有铝基、镁基、锌基、铜基、铅基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。n为了提高材料的比强度和比刚度，通常以密度较低的轻金属及其合金为主，即铝、镁、钛及其合金。以铝或镁为基体的复合材料性能相近，但镁基材料的加工工艺更复杂，而且抗腐蚀性能很差，所以目前以研制铝基材料为主。n(2)按增强材料类型分类 分为连续纤维增强金属基复合材料；非连续纤维增强金属基复合材料（包括颗粒、短纤维、晶须增强金属基复合材料）；自生增强金属基复合材料（包括反应自生和定向自生、大变形）；层板金属基复合材料。4、金属基复合材料的性能特点与应用、金属基复合
5、材料的性能特点与应用n性能特点：n（1）与金属材料相比，具有更高的比强度、比模量；n加入30%50%的高性能纤维作为复合材料的主要承载体，复合材料的比强度、比模量成倍地高于基体合金的比强度和比模量。n（2）导热、导电性能好；n（3）线胀系数小，尺寸稳定性好；n（4）高温性能好，使用温度范围大n（5）耐磨性好n（6）疲劳性能和断裂韧性良好n（7）不吸潮、不老化、气密性好n（8）二次加工性较好n金属基复合材料的缺点：n与树脂基复合材料相比，生产成形工艺要困难得多，很容易形成脆性界面层；n与金属材料相比，伸长率、断面收缩率和断裂韧性都很低，还有一个容易分层问题。n金属基复合材料的应用：航空、航天、先
6、进武器、电子、汽车等领域。第二节第二节 金属基复合材料的基体和增强体金属基复合材料的基体和增强体n一、金属基复合材料的基体一、金属基复合材料的基体n1、金属基体的选择原则、金属基体的选择原则n首先，金属基复合材料构（零）件的使用性能要求是选择金属基体的最重要依据。n其次，根据金属基复合材料的组成特点，在基体材料的选择原则上也有差别。对于连续纤维增强金属基复合材料，不要求基体有很高的强度；对于非连续增强金属基复合材料（颗粒、晶须、短纤维），基体承担主要载荷，要求高强度。n最后，需考虑金属基体与增强材料的界面状态和相容性。n结构复合材料的金属基体用于各种航空、航天、汽车、先进武器等结构件的复合材料
7、一般都要求有高的比强度和比刚度，有高的结构效率，因此，大多选用铝及铝合金和镁及镁合金作为基体。铝、镁复合材料只能在低于450使用。在发动机、特别是燃气轮机中需要的是耐热结构材料，要求复合材料零件在高温下连续安全工作，工作温度在6501200 左右，复合材料应有良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳和良好的高温力学性能。钛合金基复合材料可用到650 ，而镍、钴基复合材料可用到1200 以下，正在研究发展中的金属间化合物基复合材料可在更高温度下使用。n基体与增强体的界面状态和相容性n在金属基复合材料制备过程中，金属基体与增强体在高温复合过程中会发生不同程度的界面反应，生成脆性反应产物，基体金属中含有的不同类
8、型的合金元素也会与增强体发生不同程度的反应，生成各类反应产物，这些产物往往对性能有害，这也就是常说的基体与增强体的化学相容性不好，需在选用基体合金时充分考虑，尽可能选择既有利于基体与增强体润湿复合，又有利于形成合适的、稳定的界面的合金元素。n二、金属基复合材料的增强体二、金属基复合材料的增强体n对于金属基复合材料，由于制备、加工温度高，大部分加工工艺在基体金属熔融态进行，为了避免基体与增强体的界面反应、溶解，并使其有良好的湿润性，增强材料不仅要有良好的力学性能（高强度、高模量），而且要有高的熔点、高的化学稳定性和良好的高温性能稳定性。某些常用的树脂基复合材料的增强材料，如玻璃纤维、各种有机纤维
9、等不适合于作为金属基复合材料增强体。n就金属基复合材料的增强材料而言，主要是陶瓷材料和高熔点金属材料。n纤维增强体主要有碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等；n晶须增强体主要有SiC、Al2O3晶须等；n颗粒增强体主要有碳化物（如SiC、TiC、NbC等）、碳化物（如SiC、TiC、NbC等）、氧化物（如Al2O3等）、氮化物（如Si3N4、AlN等）、硼化物（如TiB2等）n增强体的表面处理方法增强体的表面处理方法n目的：提高增强体（如纤维）与金属间的润湿性或者抑制其高温时的界面反应。n以改善润湿性为主要目的的表面处理的原理是去除增强体表面杂质（如吸附的气体及杂质、表面氧化膜等）、提高表
10、面粗糙度、改变表面成分使之产生反应性润湿或溶解润湿，以及提高增强体的表面能。n润湿性（或浸润性）概念润湿性（或浸润性）概念n润湿：是指液体在分子力的作用下沿固体表面流散的现象。表示润湿性程度的参数接触角(也称润湿角)n接触角：是气-液界面通过液体与固-液界面所夹的角。n接触角是三个张力共同作用达平衡的结果slslslsl90,润湿性差n洁净增强体表面方法主要有物理清洗（如超声清洗、真空处理、高温加热、真空加热）和化学清洗等；n提高表面粗糙度的方法主要有机械、电化学、腐蚀等；n改变表面化学成分产生反应性润湿或溶解润湿的主要方法有表面金属化处理、高温氧化等，如将SiC在高温下氧化，使表面生成一薄层
11、SiO2可显著改善SiC/Al的润湿性，碳纤维表面进行Mg、Sn、Na、Ti等处理可显著改善Cf/Al的润湿性；n提高增强体的表面能的的方法主要是对增强体表面进行涂覆处理，如碳纤维表面涂覆TiN、TiB，硼纤维表面涂覆B4C等。n以改善化学相容性为目的的表面处理原理是在增强体与基体间建立一屏障，抑制两侧原子的直接接触、阻碍原子扩散，抑制有害界面反应的进行，其有效途径是表面涂覆，具体的方法主要有干法的CVD法和PVD法，湿法的电镀法和非电镀法，还有等离子喷涂、火焰喷涂和电弧喷涂等喷涂法。n基础理论方面n实际应用方面界面设计与控制、性能的稳定性和可靠性、寿命预测、设计理论与设计方法等。价格性能的稳
12、定性和可靠性认识n三、金属基复合材料目前存在的主要问题三、金属基复合材料目前存在的主要问题第三节第三节 金属基复合材料的制备技术金属基复合材料的制备技术n一、金属基复合材料制备技术的选择一、金属基复合材料制备技术的选择n1、制备技术选用的原则、制备技术选用的原则n制造过程中要使增强物按设计要求在金属基体中均匀分布。如连续纤维的分布及方向，一定的体积分数等，颗粒、晶须、短纤维等均匀分布于基体中。n制造过程不造成增强物和金属基体原有性能的下降，特别是避免高性能连续纤维的损伤，使增强物和金属的优良性能得以叠加和互补。n制造过程中应避免各种不利的反应发生，如基体金属的氧化、基体金属与增强物之间的界面反
13、应等。要求通过合理选择工艺参数获得合适的界面结构和性能，使增强物的性能和增强效得以充分发挥，以及金属基复合材料组织性能的稳定。n制造方法应适合于批量生产，尽可能直接制成接近最终形状尺寸的金属基复合材料的零件。2、金属基复合材料制造的难点及解决的途径、金属基复合材料制造的难点及解决的途径n（1）主要困难）主要困难na金属基复合材料在高温制造时将发生严重的界面反应、氧化反应等有害金属基复合材料在高温制造时将发生严重的界面反应、氧化反应等有害的化学反应。的化学反应。n严格控制界面反应是制备高性能金属基复合材料的关键。严格控制界面反应是制备高性能金属基复合材料的关键。nb.金属基体与增强体之间浸润性差
14、，甚至不浸润。金属基体与增强体之间浸润性差，甚至不浸润。nc.将增强体按设计要求的含量、分布、方向均匀地分布在金属基体中。将增强体按设计要求的含量、分布、方向均匀地分布在金属基体中。n（2）解决途径）解决途径na增强体的表面处理增强体的表面处理nb.加入合适的合金元素，优化基体合金成分。加入合适的合金元素，优化基体合金成分。n 金属基复合材料中基体和增强材料的性能各异，使其复合加工较为金属基复合材料中基体和增强材料的性能各异，使其复合加工较为困难，这也是金属基复合材料品种较少、价格较贵的主要原因。困难，这也是金属基复合材料品种较少、价格较贵的主要原因。3、金属金属基复合材料制备工艺分类基复合材
15、料制备工艺分类n金属基复合材料的制备方法分为以下三大类。n（1）固态法）固态法n基体处于固态下制造金属基复合材料的方法。n在整个制造过程中，温度控制在基体合金的液相线和固相线之间。使整个反应控制在较低温度，尽量避免金属基体和增强材料之间的界面反应。n先将金属粉末或金属箔与增强体(纤维、晶须、颗粒等)以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再经加热、加压，将金属基体与增强体复合粘结在一起形成复合材料。n包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、挤压法、拉拔法、爆炸焊接法等。n（2）液态法）液态法n基体处于熔融状态下制造金属基复合材料的方法。n液态法的关键是有效控制界面反应。为了减少高温下基体和
16、增强材料之间的界面反应，提高基体对增强材料的浸润性，通常采用加压渗透、增强材料表面处理、基体中添加合金元素等方法。n液态法包括真空压力浸渍法、挤压铸造法、真空吸铸、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法、热喷涂法等。n液态法可用来直接制造复合材料零件，也可用来制造复合板、复合带、锭坯等作为二次加工成零件的原料。n（3）反应自生成法）反应自生成法n在基体金属内部通过加入合金元素，或通入反应气体，在液态金属内部反应，产生微小的固态增强相，一般是金属间化合物TiC、TiB2、Al2O3等微粒起增强作用。n反应自生成法制备的复合材料中的增强体不是外加的而是在高温下金属基体中不同元素反应生成的化合物，与
17、合金有良好的相容性。粉末冶金法粉末冶金法n粉末冶金成型主要包括混合、成型、烧结三个过程，既可适用于连续、长纤维增强，又可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。n粉末冶金法工艺的关键是合金粉末和增强物（颗粒或晶须）混合均匀。n粉末冶金法的主要优点：增强体与基体合金粉末有较宽的选择范围，颗粒的体积分数可以任意调整；并可不受到颗粒的尺寸与形状限制；可以实现制件的少无切削或近净成型。n不足之处：制造工序繁多，工艺复杂，制造成本较高，内部组织不均匀，存在明显的增强相富集区和贫乏区，不易制备形状复杂、尺寸大的制件。扩散粘结法扩散粘结法n扩散粘结是一种在加压状态下，通过固态焊接工艺，使同类或不同类金属
18、在高温下互扩散而粘结在一起。真空压力浸渍法真空压力浸渍法n真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体共同作用下，将液态金属压入增强材料制成的预制件孔隙中，制备金属基复合材料制品的方法。n兼备真空浸渍和压力浸渍的优点。n真空压力浸渍法主要在真空压力浸渍炉中进行，金属熔体进入预制件有三种方式：底部压入式、顶部注入式和顶部压入式。n真空压力浸渍法的工艺过程：先将增强材料预制件放入模具，基体金属装入坩埚；然后将装有预制件的模具和装入基体金属的坩埚分别放入浸渍炉的预热炉和熔化炉内，密封和紧固炉体，将预制件模具和炉腔抽真空；当炉腔内达到预定真空度后开始通电加热预制件和熔化金属基体。控制加热过程使预制件和熔融基体
19、达到预定温度，保温一定时间，提升坩埚，使模具升液管插入金属熔体，通入高压惰性气体，在真空和惰性气体高压的共同作用下，液态金属浸入预制件中形成复合材料。降下坩埚，接通冷却系统，待完全凝固后，即可从模具中取出复合材料零件或坯料。n真空压力浸渍法工艺过程的关键是预制件的制备和工艺参数的控制。n主要工艺参数：熔体温度、预制件预热温度、压力、冷却速率等。共喷沉积法共喷沉积法n是制造各种颗粒增强金属基复合材料的有效方法。n共喷沉积法就是运用特殊的喷嘴，将液态金属基体通过惰性气体流的作用后雾化成细小的液态金属流，将增强相颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起并沉积在衬底上，凝固形成金属基复合材料的方
20、法。n可直接制成锭坯、板坯、管子等。n共喷沉积法的过程:基体金属熔化；液态金属雾化；颗粒喷射加入及金属雾化流与颗粒混合；沉积和凝固。n液态金属雾化是关键工艺，液态全属雾化液滴的大小和尺寸分布、液滴的冷却速率影响复合材料的最后性能。n其它工艺参数：熔融金属温度、惰性气体压力、流量和速度、颗粒加入速率、沉积底板温度等。挤压铸造法挤压铸造法n挤压铸造法是大批量、高效率生产短纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料零件的方法。n挤压铸造是通过压机将液态金属压入增强材料预制件中制造复合材料的方法。n工艺过程：先将增强材料按照设计要求制成一定形状的预制件，经干燥预热后放入同样预热的模具中，浇铸入熔融金属，用压头
21、加压，使液态金属浸渗入预制件，并在压力下凝固。n挤压铸造中，预制件的制造是其中的关键。液态金属搅拌铸造法液态金属搅拌铸造法n金属搅拌铸造法是一种适合于工业规模生产颗粒增强金属基复合材料的主要方法。n工艺过程：将增强物颗粒直接加入金属熔体中，通过对处于熔化或半熔化状态的金属液进行强烈的机械搅拌，使颗粒均匀分散，然后浇铸成型制成复合材料制品的方法。n液态金属搅拌法生产颗粒增强金属基复合材料的主要困难和解决途径。n两个主要困难：一是颗粒如何与金属熔体均匀混合，并防止团聚；二是强烈搅拌容易造成金属熔体氧化和大量吸气。n解决途径：在金属熔体中添加合金元素改善增强颗粒与金属熔体的浸润性；颗粒增强物表面处理
22、；复合过程的气氛控制；有效的机械搅拌。反应自生成法反应自生成法n增强材料是由加入基体中的相应元素之间的反应、合金熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之间反应生成的。n反应自生成法主要用于制造金属间化合物复合材料，有固态和液态自生成两种方法。n与传统的外生复合材料相比，该法的优点：自生增强相在基体中热力学上是稳定的，这样在高温使用时性能降低少；增强相与基体的界面清洁，界面结合力强；自生增强粒子尺寸细小、在基体中分布均匀，力学性能好。第四节第四节 金属基纳米复合材料制备技金属基纳米复合材料制备技术术n金属材料一般具有良好的塑性和延展性，同时具有多种相变特性。n（1）快速凝固与大变形结合法）快速凝固与大变形结合法n基本原理：将一定成分的合金通过快速凝固的方法获得含有细小第二相的粉末，然后通过一定温度下变形获得纳米增强相的金属基复合材料。n例：Al-Ni-Mn系（代表组成为Al83Ni3Mn3Zr1）：先利用氩气喷雾法制成粒径小于72m的球形粉末，再通过真空脱气、封装，最后在400左右以挤压比大于10挤压成直径20100mm的材料。该材料组织为3050nm的Al3Ni和直径约10nm的Al11Mn2均匀分散于Al的母相中的纳米复合相。第二相的体积分数约为30%40%。n本章参考资料n1.于化顺，金属基复合材料及其制备技术M，北京：化学工业出版社，2006
