第六章 金屬基復(fù)合材料

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第六章 金屬基復(fù)合材料,6.1,金屬基復(fù)合材料的種類和基本性能,6.1.1,金屬基復(fù)合材料的種類,1.,按基體分類,(1),鋁基復(fù)合材料,通常不是用純鋁而使用各種鋁合金為基體，是金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用得最廣的一種,具有良好的塑性、韌性、易加工性、工程可靠性及價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。,（,2,）鎳基復(fù)合材料,以鎳及鎳合金為基體制造的，在高溫下具有抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變和耐疲勞等優(yōu)異性能，主要用于制造高溫下工作的零部件。,（,3,）鈦基復(fù)合材料,比任何其他的結(jié)構(gòu)材料具有更高的比強(qiáng)度，且耐熱性好，抗蝕性能優(yōu)異。,2.,按增

2、強(qiáng)體分類,（,1,）顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料,（,2,）層狀復(fù)合材料,（,3,）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,6.1.2,金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的性質(zhì),連續(xù)纖維增強(qiáng)對金屬基體的增強(qiáng)效果最好，對于纖維狀增強(qiáng)體，對其性能具有以下基本要求：,a.,高強(qiáng)度。,b.,高模量。,c.,容易制造和價格低廉。,d.,化學(xué)穩(wěn)定性好。,e.,纖維的尺寸和形狀的要求。,f.,性能的再現(xiàn)性和一致性。,g.,抗損傷和抗磨損性能。,如表,6-2,，一些重要的增強(qiáng)纖維及其性能,鋼絲、鉬絲和鎢絲強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的高溫蠕變性能，但比模量沒有其他纖維高，鈹絲具有很高的比模量，但價格較高。,E,玻璃纖維和,S,玻璃纖維具有優(yōu)良的比強(qiáng)度和低成本，但模量

3、低且化學(xué)性質(zhì)活波，很少用來增強(qiáng)金屬。,氧化鋁纖維具有很高的強(qiáng)度，但氧化鋁纖維對磨損很敏感，而且很貴。,用硼纖維增強(qiáng)鋁合金和鎂合金時具有很好的綜合性能。用鎢作底絲再現(xiàn)性好、強(qiáng)度高、價格低且化學(xué)純度高，有時也用碳單絲及其它金屬絲作底絲。硼纖維具有一系列很突出的優(yōu)點(diǎn)，它的比模量和比強(qiáng)度高、與固態(tài)鋁和液態(tài)鎂的化學(xué)相容性好、直徑大，再現(xiàn)性好且價格適宜。,碳化硅纖維和碳化硼纖維已有實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生產(chǎn)，它們比硼纖維具有更好的抗蠕變性能，因此這些纖維主要作為高溫增強(qiáng)材料。,石墨纖維或絲束有優(yōu)良的比模量和比強(qiáng)度，但由于這種纖維和熔融全屬有反應(yīng)，使復(fù)合材料加工因難，從而使其作為全屬基體的增強(qiáng)體的應(yīng)用受到限制。,6.

4、2,鋁基復(fù)合材料,6.2.1,硼,鋁復(fù)合材料,硼,鋁復(fù)合材料綜合了硼纖維優(yōu)越的強(qiáng)度、剛度和低密度及鋁合金基體的易加工性和工程可靠性，具有比其他金屬基復(fù)合材料更高的比模量，這種優(yōu)點(diǎn)同樣表現(xiàn)在多向增強(qiáng)的復(fù)合材料上。高模量的鋁基可以防止復(fù)合材料承受壓力時纖維發(fā)生微觀曲折，在纖維受壓時這種微觀曲折問題由于纖維直徑小而更為嚴(yán)重，這便是細(xì)石墨纖維增強(qiáng)復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度低的一個主要原因。,除此之外，硼,鋁復(fù)合材料的其它重要物理性能與機(jī)械性能有：高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、塑性和韌性、耐磨性、可涂覆性、連接性、成型性和可熱處理性及不可燃性。,1.,硼鋁復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維與基體,（,1,）增強(qiáng)纖維,對增強(qiáng)纖維的主要要求是

5、比模量高、比強(qiáng)度高、性能重復(fù)性好、價格低以及易于制造成復(fù)合材料。,目前大量供應(yīng)的硼纖維有,100 m,和,140 m,兩種直徑的纖維，對表面磨損和腐蝕不敏感，具有良好的高溫性能，但在,500,以上暴露于氧氣中，短時間纖維強(qiáng)度就會受損，可對纖維表面進(jìn)行涂層，如涂覆碳化硅層。,（,2,）基體,基體應(yīng)具有良好的綜合性能：較高的斷裂韌性，較強(qiáng)的阻止纖維斷裂處或劈裂處的裂紋擴(kuò)展能力；較強(qiáng)的抗腐蝕性，較高的強(qiáng)度等。對于高溫下使用的復(fù)合材料，還要求基體具有較好的抗蠕變性和抗氧化性。此外，基體應(yīng)能熔焊或釬焊。應(yīng)用最普遍的是采用變形鋁為基體用固態(tài)熱壓法制得的復(fù)合材料。,硼鋁復(fù)合材料的制造,可采用等離子熱噴涂技術(shù)

6、。如圖,6,5,，將硼纖維繞在圓筒上，使纖維間保持,0.1mm,間隙，然后用等離子噴涂鋁或其合金，厚度約,0.3mm,，,切開已噴好鋁的,B,纖維，成片狀進(jìn)行鋪層，根據(jù)需要在每層間加鋁箔，其最里與最外層加純鋁，加溫、加壓進(jìn)行復(fù)合。,這種工藝的優(yōu)點(diǎn)：纖維在纏繞桶上就被基體固定住，因而纖維間距好控制，噴涂條帶的耐久性和強(qiáng)度好，以及易于復(fù)合、粘結(jié)。在制造硼鋁復(fù)合材料時，在硼和鋁合金中還可加入第三組元以改進(jìn)一些性能，如高溫橫向性能、抗腐蝕性和韌性等。,除了上述制造工藝外，還有電沉積、金屬粉末成型、鑄造和纖維纏繞配合等工藝。常用纖維纏繞加等離子噴涂基體這樣的工藝來制造平板和大直徑圓環(huán)，具有極好的高溫強(qiáng)度

7、和耐疲勞性能。,6.3,鎳基復(fù)合材料,以純鎳或簡單鎳鉻合金為基體，增強(qiáng)物以單晶氧化鋁（,Al,2,O,3,藍(lán)寶石）為主，它的突出優(yōu)點(diǎn)是高彈性模量、低密度、纖維形態(tài)的高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化性。,6.3.1,藍(lán)寶石晶須和藍(lán)寶石桿,藍(lán)寶石晶須：,藍(lán)寶石晶須是迄今所發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)度最高的固體形態(tài)，小直徑的晶須強(qiáng)度較高且比粗的容易生長，所以在制造復(fù)合材料時被優(yōu)先選用，為了改善與金屬的浸潤性和便于制造需用金屬涂層，厚度應(yīng)小于,0.5 m,，,但這樣薄的涂層，在液態(tài)鎳或鎳鉻合金中幾秒鐘就熔解了，從而使晶須表面不潤濕，還造成纖維強(qiáng)度下降，所以不能用液態(tài)滲透法來制造鎳基復(fù)合材料，此外，晶須的制造成本太

8、高，且難以將生長得好的晶須與有缺陷的晶須進(jìn)行分離。,藍(lán)寶石桿：,用火焰拋光法可制出幾乎無表面缺陷的直徑,1mm,，,長度,5,10cm,的藍(lán)寶石桿，具有同藍(lán)寶石晶須相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，由于每根短桿都是單個制備的，而且晶體生長、機(jī)械加工和拋光都是很昂貴的，因此實(shí)用性不強(qiáng)，但與晶須相比，有利于對藍(lán)寶石和鎳合金相互作用的研究。,6.3.2,鎳藍(lán)寶石反應(yīng)的性質(zhì)和影響,在高溫下，藍(lán)寶石和鎳或鎳合金發(fā)生反應(yīng)，使纖維強(qiáng)度降低，因此必須在纖維上涂涂覆防護(hù)層，可采用鎢或者一些難熔的陶瓷涂層如碳化物、硼化物和氧化物。,6.3.3,鎳基復(fù)合材料的制造和性能,主要方法是將纖維夾在金屬板之間進(jìn)行加熱，這種方法通常稱為擴(kuò)散結(jié)合。

9、,熱壓法成功制造了,Al,2,O,3,NiCr,復(fù)合材料，先在桿上涂一層,Y,2,O,3,(,約,1 m,厚），隨后再涂一層鎢（約,0.5 m,厚），涂鎢的目的除了可以進(jìn)一步加強(qiáng)防護(hù)外，還賦予表面以導(dǎo)電性，這樣可以電鍍相當(dāng)厚的鎳鍍層。這層鎳可以防止在復(fù)合材料迭層和加壓過程中纖維與纖維的接觸和最大限度減少涂層可能造成的損傷。經(jīng)過這種電鍍的桿放在放在鎳鉻合金薄板之間，板上或者有溝槽，或者有焊上的鎳鉻合金絲或者條帶，以便使桿能更好地排列并保持一定的間距。加壓在真空中進(jìn)行，典型條件是溫度,1200,，壓力,41.4MPa,。,6.4,鈦基復(fù)合材料,1.,硼鈦復(fù)合材料,1,）硼鈦復(fù)合材料的界面組織結(jié)構(gòu),

10、硼鈦之間存在嚴(yán)重的界面反應(yīng)，生成,TiB,2,等，為了獲得理想的界面組織結(jié)構(gòu)，提出了以下解決方法：,（,1,）高速工藝,可以采用軋制法，就是使箔片和纖維在軋輥之間通過，經(jīng)電加熱制得帶狀復(fù)合材料。典型的溫度為,1000,，此溫度下停留的時間為,1s,2s,，,測定的反應(yīng)層厚度小于,50nm,。,（,2,）,低溫工藝與高速工藝不同，因使用熱壓，時間不能太短，合理的熱壓時間為,15min,，,溫度為,830,，便于減小高溫下界面反應(yīng)的程度。,（,3,）研制低活性基體,對鈦進(jìn)行合理的合金化，可以減少界面反應(yīng)。,（,4,）研制減小反應(yīng)的涂層,纖維表面涂覆碳化硅涂層，可以延緩硼纖維與鈦之間的界面反應(yīng)，界面

11、結(jié)構(gòu)明顯改善。但碳化硅涂層的成本較高而可靠性較低。,2,）硼鈦復(fù)合材料的制備,圖,6,20,為軋制法制備硼鈦復(fù)合材料，將,30,根硼纖維按,0.15mm,的中心距分兩層夾在帶軋槽的純鈦箔中間，這樣可以使纖維排列精確。將三層箔片和,30,根纖維的疊排層喂入帶耐熱合金熱滾輪的連續(xù)擴(kuò)散焊合機(jī)，焊合速度為,15cm/min,，,使復(fù)合材料的加熱條件相當(dāng)于在,1000,的靜態(tài)加熱時間略多于,1s,，,帶材的尺寸被修整到,0.25cm0.03cm,大約有,25,（體積比）的硼。,這種工藝制得的硼鈦復(fù)合材料的界面硼化物的厚度為,25nm,50nm,。,但由于高速工藝的缺點(diǎn)是制成后存在殘余應(yīng)力，因此需進(jìn)行退火

12、，退火后的強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變量都有所提高。其縱向強(qiáng)度為,1000MPa,，,橫向強(qiáng)度為,400MPa,，,橫向模量為,130,140MPa,。,2.,碳化硅增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料,其中以,Ti-6Ai-4V,為基體（體積含量,22,）的復(fù)合材料，典型抗拉強(qiáng)度為,900MPa,，,彈性模量為,200GPa,。,采用,0.1mm,的,Ti-6Al-4V,箔片與碳化硅席片，在,850,、,40MPa,條件下進(jìn)行,1,小時的擴(kuò)散而制成的。在多數(shù)情況下，為幫助控制間隔，使用了粉末附加劑。纖維席片先用膠粘劑固定，然后在加熱過程中將膠粘劑揮發(fā)掉。,6.5,石墨纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,石墨纖維與許多金屬缺乏化學(xué)相容性,

13、就目前情況看,鋁、鎂、鎳和鈷同石墨的相容性較好,而鈦與石墨易形成碳化物。,6.5.1,石墨纖維,聚丙烯腈基碳纖維在,1500,以下強(qiáng)度隨溫度的升高而增加，超過此溫度，強(qiáng)度隨溫度的升高而下降，直到,1900,后趨于穩(wěn)定，而模量在整個石墨化過程中隨溫度的增加而不斷增加。,石墨纖維具有極耐高溫而不損失強(qiáng)度與模量的能力，但由于石墨與許多金屬接觸時有很高的反應(yīng)活性以及纖維的直徑很小，因此對制造會造成一定的困難。,6.5.2,石墨,-,鋁復(fù)合材料,制備方法：,1.60,年代初，用直徑為,0.5 m,的切碎石墨短纖維，將其和合金粉末在球磨機(jī)中混合然后進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為,360600,，當(dāng)石墨纖維的百分比

14、達(dá)到,20%40%,時，制得的復(fù)合材料強(qiáng)度大大超過了單純由粉末擠壓所制得的合金。,2.,如圖,6-22,，先把模子預(yù)熱到,750,，然后在石墨壓頭上加壓，使鋁滲透到纖維層中，為改善石墨與鋁之間的潤濕性，應(yīng)對石墨纖維進(jìn)行涂層包覆，可制得強(qiáng)度達(dá)到,160MPa,的復(fù)合材料，其纖維的體積百分比為,8%,。,3.,真空蒸發(fā)工藝能成功地把大量鋁沉積到纖維上，但由于纖維與基體之間的剝離，用這種方法制得的復(fù)合材料強(qiáng)度相當(dāng)?shù)汀?4.,連續(xù)鑄造法：首先將涂鎳的,1 m,碳纖維束引過一個模子，這個模子是安置在盛有鋁熔液的坩堝底部，纖維束被液態(tài)金屬浸潤滲透，并在模中固結(jié)形成連續(xù)絲。,6.5.3,石墨,-,鎳復(fù)合材料,用電沉積工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料，當(dāng)涂覆纖維在,1000,或更高溫度下暴露，將會引起強(qiáng)度劇烈下降，但該工藝可成功地滲透含,10002500,根絲的石墨纖維束，其纖維體積含量可高達(dá),50%,，其楊氏模量符合混合定則。,6.5.4,其他石墨增強(qiáng)復(fù)合材料,石墨,銅復(fù)合材料,石墨纖維,鎂基復(fù)合材料,