1、第第1313章章 金属基复合材料金属基复合材料 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多体材料。复合材料通不同的物质组合而成的一种多体材料。复合材料通常有基体和增强材料组成。常有基体和增强材料组成。复合材料能显示出单一复合材料能显示出单一材料所不具有的新性能。复合材料的出现和发展，材料所不具有的新性能。复合材料的出现和发展，是现代科学技术不断进步的必然，也是材料设计方是现代科学技术不断进步的必然，也是材料设计方面的一个质的飞跃。面的一个质的飞跃。金属基复合材料（金属基复合材料（Metal Matrix CompositeMeta
2、l Matrix Composite，简称简称MMCMMC）是以金属及其合金为基体，与一种或几）是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合而成的复合材料。种金属或非金属增强相人工结合而成的复合材料。13.1 基本概念基本概念 1 1、金属基复合材料的种类金属基复合材料的种类 按按基体基体分类分类铝基复合材料铝基复合材料 品种和规格最多、应用最广品种和规格最多、应用最广 钛基复合材料钛基复合材料 镁基复合材料镁基复合材料 高温合金基复合材料高温合金基复合材料按增按增强体强体分类分类（1 1）颗粒增强复合材料）颗粒增强复合材料 （2 2）层状复合材料）层状复合材料 （3 3）纤
3、维增强复合材料）纤维增强复合材料 图图 典型复合材料结构典型复合材料结构（a）单向纤维增强复合材料）单向纤维增强复合材料,（b）颗粒增强复合材料）颗粒增强复合材料,（c）层状复合材料）层状复合材料（d）蜂窝夹心复合材料）蜂窝夹心复合材料,（e）编织复合材料）编织复合材料,（f）功能梯度复合材料）功能梯度复合材料2 2 金属基复合材料的选择金属基复合材料的选择工况条件工况条件使用性能要求使用性能要求选择金属基体材料。选择金属基体材料。航空和航天航空和航天:高比强度、高比模量、尺寸稳定性。大多选高比强度、高比模量、尺寸稳定性。大多选 择体积质量小的铝合金、镁合金作为基体金属择体积质量小的铝合金、镁
4、合金作为基体金属燃气轮机燃气轮机:高比强度、抗蠕变和高温强度，抗氧化、抗气高比强度、抗蠕变和高温强度，抗氧化、抗气 体腐蚀、耐疲劳、导热等。工作温度体腐蚀、耐疲劳、导热等。工作温度800,应选择铁基、镍基、钴基耐热合金。应选择铁基、镍基、钴基耐热合金。电子技术电子技术:集电材料集电材料、触头材料触头材料、耐磨材料耐磨材料、耐蚀电极材耐蚀电极材 料等，需要高导热、低膨胀的金属基复合材料。基体料等，需要高导热、低膨胀的金属基复合材料。基体 主要选用具有导热、导电性的铝及铝合金、铜及铜合主要选用具有导热、导电性的铝及铝合金、铜及铜合 金、银等金属金、银等金属 飞行器飞行器 名称名称每公斤的含每公斤的
5、含金量金量/美圆美圆 飞行器飞行器 名称名称每公斤的含每公斤的含金量金量/美圆美圆 小型民用机小型民用机 40 战斗机战斗机 450 直升机直升机 100 Vistol飞机飞机 550 运输机运输机 150 超音速运输机超音速运输机 1100 商业飞机商业飞机 200 表层轨道卫星表层轨道卫星 2000 航空发动机航空发动机 450 同步轨道卫星同步轨道卫星 20000 波音波音747 450 宇宙飞船宇宙飞船 30000表表 每公斤质量对各类飞行器的价值每公斤质量对各类飞行器的价值13.2 金属基复合材料的性能特点金属基复合材料的性能特点 现代科学技术对材料的强韧性、导电、导热性、耐现代科学
6、技术对材料的强韧性、导电、导热性、耐高温性、耐磨性等性能都提出了越来越高的要求高温性、耐磨性等性能都提出了越来越高的要求 特别在航空航天工业和汽车工业中要求材料具特别在航空航天工业和汽车工业中要求材料具有更高的比强度和比模量有更高的比强度和比模量(刚度刚度)金属基复合材料具有与金属及其合金相近的一些金属基复合材料具有与金属及其合金相近的一些共同性能，通过纤维、颗粒、晶须等复合后，可以共同性能，通过纤维、颗粒、晶须等复合后，可以获得比基体金属或合金更好的比强度、比模量、高获得比基体金属或合金更好的比强度、比模量、高温性能等性能的新型工程材料。温性能等性能的新型工程材料。各类复合材料的比强度随温度
7、的变化各类复合材料的比强度随温度的变化 金属基复合材料的性能特点金属基复合材料的性能特点1、高比强度、比模量、高比强度、比模量 2、高韧性、耐冲击性能、高韧性、耐冲击性能3、良好的高温性能、良好的高温性能4、表面耐久性好，表面缺陷敏感性低、表面耐久性好，表面缺陷敏感性低5、导热、导电性能好、导热、导电性能好6、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好 1、高比强度高比强度、比模量比模量 金属基体金属基体+适量高性能的纤维、晶须或颗粒等增强物适量高性能的纤维、晶须或颗粒等增强物 材料的比强度和比模量材料的比强度和比模量.（1）高性能水平。如）高性能水平。如B与与SiC纤维增强的铝和
8、钛，单纤维增强的铝和钛，单 向向b1200MPa，模量，模量200GPa；（2）中等性能水平。如纺丝）中等性能水平。如纺丝SiC与碳纤维增强铝等，与碳纤维增强铝等，b在在6001000MPa，模量，模量100150GPa间；间；（3）较低性能水平。如晶须、颗粒或短纤维增强铝）较低性能水平。如晶须、颗粒或短纤维增强铝 等，等，b在在400600MPa，模量在，模量在95130GPa图图 几种金属基复合材料与树脂基复合材料和基体金属几种金属基复合材料与树脂基复合材料和基体金属 的力学性能对比的力学性能对比 2 2、高韧性、耐冲击性能、高韧性、耐冲击性能金属及合金基金属及合金基体往往具有高体往往具有
9、高的强韧性的强韧性增强相无论是增强相无论是纤维或是颗粒纤维或是颗粒都比较脆都比较脆 受冲击时基体通过塑受冲击时基体通过塑性变形消耗能量，使裂性变形消耗能量，使裂纹钝化，纹钝化，应力集中应力集中 增强相及增强相与基增强相及增强相与基体界面体界面裂纹的扩展，裂纹的扩展，断裂抗力断裂抗力 金属基复合材料与聚合物基、陶瓷基复合材料金属基复合材料与聚合物基、陶瓷基复合材料相比，具有高的韧性和耐冲击性。相比，具有高的韧性和耐冲击性。3 3、良好的高温性能良好的高温性能 金属基体的高温性能比聚合物高很多，一般增强相金属基体的高温性能比聚合物高很多，一般增强相在高温下又都具有很高的高温强度和模量。在高温下又都
10、具有很高的高温强度和模量。金属基复合材料具有比金属基体更高的高温性能金属基复合材料具有比金属基体更高的高温性能 相对聚合物基复合材料而言，金属基复合材料具有相对聚合物基复合材料而言，金属基复合材料具有物理、力学性能的高温稳定性和优良耐热冲击性能。物理、力学性能的高温稳定性和优良耐热冲击性能。而陶瓷基复合材料中的陶瓷基体的抗热冲击性因陶而陶瓷基复合材料中的陶瓷基体的抗热冲击性因陶瓷的导热性差而比金属基复合材料差，常常使其作为瓷的导热性差而比金属基复合材料差，常常使其作为高温结构材料应用受到限制。高温结构材料应用受到限制。图图 SiCf/Ti比强度与温度的关系比强度与温度的关系 图图 SiCf/T
11、i比强度与温度的关系比强度与温度的关系 图图 45W-1ThO2增强增强Fe-Cr-A1-Y合金的蠕变性能合金的蠕变性能 4 4、表面耐久性好，表面缺陷敏感性低、表面耐久性好，表面缺陷敏感性低 金属基体对表面裂纹的敏感性比聚合物或陶瓷要小很金属基体对表面裂纹的敏感性比聚合物或陶瓷要小很多，表面坚实耐久，尤其是颗粒、晶须增强金属基复合多，表面坚实耐久，尤其是颗粒、晶须增强金属基复合材料常可以作为工程构件中的耐磨件使用。材料常可以作为工程构件中的耐磨件使用。陶瓷基复合材料，由于腐蚀或擦伤等引起的小裂纹可陶瓷基复合材料，由于腐蚀或擦伤等引起的小裂纹可使其强度剧烈降低使其强度剧烈降低,而造成应力集中，
12、引起破坏。这是由而造成应力集中，引起破坏。这是由于陶瓷弹性模量高，塑韧性低，不能象金属基复合材料于陶瓷弹性模量高，塑韧性低，不能象金属基复合材料的基体那样可借助塑性变形来使缺口或裂纹钝化的基体那样可借助塑性变形来使缺口或裂纹钝化.聚合物基复合材料基体的强度和金属基体相比都相当聚合物基复合材料基体的强度和金属基体相比都相当低低,像擦伤、磨损等对其表面都有显著影响。像擦伤、磨损等对其表面都有显著影响。5 5、导热、导电性能好、导热、导电性能好 金属基复合材料的导热、导电性能是聚合物基、金属基复合材料的导热、导电性能是聚合物基、陶瓷基复合材料无法比拟的，它可以使局部的高温陶瓷基复合材料无法比拟的，它
13、可以使局部的高温热源和集中电荷很好地扩散消除。如碳纤维加入铝热源和集中电荷很好地扩散消除。如碳纤维加入铝合金基体后，基体的导电、导热优异性不会有大的合金基体后，基体的导电、导热优异性不会有大的损失。损失。因此，碳纤维增强铝基复合材料可做航空航天领因此，碳纤维增强铝基复合材料可做航空航天领域中的结构材料，还可作为空间装置的热传导和散域中的结构材料，还可作为空间装置的热传导和散热器面板应用。热器面板应用。6 6、热膨胀系数小、尺寸稳定性好热膨胀系数小、尺寸稳定性好 一般增强物均有很小的热膨胀系数，又有高的模一般增强物均有很小的热膨胀系数，又有高的模量，特别是量，特别是G G纤维还具有负的热膨胀系数
14、。大多数金纤维还具有负的热膨胀系数。大多数金属的热膨胀系数与各种增强材料相差较大。属的热膨胀系数与各种增强材料相差较大。选择不同基体金属和增强物，以一定的比例复合，选择不同基体金属和增强物，以一定的比例复合，导热性好、热胀系数小、尺寸稳定的复合材料。导热性好、热胀系数小、尺寸稳定的复合材料。经合理设计的碳纤维经合理设计的碳纤维-铝基和铝基和G材料（纤维量材料（纤维量48）-镁基镁基复合材料的热胀系数可达到零。在温度变化时使用这种复合复合材料的热胀系数可达到零。在温度变化时使用这种复合材料做成的零件不发生热变形。硼纤维与钛合金的热膨胀系材料做成的零件不发生热变形。硼纤维与钛合金的热膨胀系数接近，可使热应力降至很低。数接近，可使热应力降至很低。
