9金属基复合材料(2).ppt

9.金属基复合材料 ——典型的几种金属基复合材料 9. 金属基复合材料 现代科学技术的发展对材料性能的要求越来越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的发展，使得单一材料难以满足实际工程的要求，这促进了金属基复合材料的迅猛发展。 1.金属基复合材料的使用要求 金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。 航天航空领域：高比强度、比模量、尺寸稳定性、密度小。 如：镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维进行复合。 1.金属基复合材料的使用要求 高性能发动机：高比强度、比模量、耐高温性、抗氧化 如：钛基合金、镍基合金以及金属间化合物作基体，如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合金复合材料用于喷气发动机叶片、涡轮叶片、转轴、火箭发动机箱体材料。 汽车发动机：耐热、耐磨、导热、一定高温强度、成本低廉 如：选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维进行复合，如碳化硅/铝，碳纤维/铝，氧化铝/铝等复合材料用作发动机活塞、缸套等零件。 工业集成电路：高导热、低膨胀 如：银、铜、铝作为基体，与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合，用作散热元件和基板。 2.金属基复合材料组成特点 针对不同的增强体系，应充分分析和考虑增强物的特点来正确选择基体合金材料。 对于连续纤维增强的金属基复合材料： 基体的主要作用是以充分发挥增强纤维的性能，基体本身与纤维有良好的相容性和塑性，而不要求基体本身有高强度，可选用铝、镁作基体。 对于非连续纤维增强（颗粒、晶须、短纤维）的金属基复合材料： 基体是主要承载物，要求基体有很高的强度，可选用高强度的铝合金（如，A365，6061，7075），而不用铝作为基体。 （1）用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构件的复合材料是轻金属结构材料。 一般应具有高的比强度和比刚度，因此大多选用铝及铝合金、镁及镁合金作为基体金属。 目前研究发展较成熟的金属基复合材料主要是铝基、镁基复合材料，用它们制成各种高比强度、高比模量的轻型结构件，广泛的用于宇航、航空、汽车等领域。 （2）在发动机，特别是燃气轮机中所需要的结构材料是热结构材料。 要求复合材料零件在高温下连续安全工作，工作温度在650～1200℃左右。 同时要求复合材料有良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳和良好的高温力学性质。 铝、镁复合材料一般只能用在450℃左右、而钛合金基体复合材料可用到650℃、而镍、钴基复合材料可在1200℃使用。 另外，还有最近正在研究的金属间化合物为热结构复合材料的基体。 思考题： 1、制备金属基复合材料如何有效选择基体？ 2、选择金属基体时，如何增强基体与增强物的相容性？ 3、铝合金/硼纤维复合材料的制备工艺？ 碳(石墨)纤维增强铝基复合材料具有比强度高和比刚度高，导电、导热性好，密度低和尺寸稳定等特点。用这种材料制成的卫星抛物面天线骨架，热膨胀系效低，导热性好，可在较大温度范围内保持尺寸稳定。 石墨纤维增强铝基复合材料还被制成卫星上的波导管，其波导管不但轴向刚度高、膨胀系数小、导电性能好，而且质量轻。 碳纤维增强铝基复合材料用在飞机上，如它使用在F-15战斗机上，使其质量减轻20％～30％。用碳纤维增强铝合金管材还可制作网球拍架。 碳化硅-铝复合材料主要用做飞机、导弹、发动机的高性能结构件，如飞机的Z形加强板、喷气战斗机垂直尾翼平衡器和尾翼梁等。 氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是用来制造柴油发动机的活塞。 近年来，为航空和航天工业开发出的Al--Li系列合金，进一步提高了铝的弹性模量，降低了材料的密度。 　　镁是一种比铝更轻的金属，但镁的机械性能较差，因此，通常是在镁中加入铝、锌、锰、锆及稀土元素而形成镁合金。 　　目前常用的镁合金主要包括Mg--Mn，Mg--Al--Zn，Mg---Cr等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合材料的基体。 2)　镁和镁合金 　　对于不同类型的复合材料应选用合适的铝、镁合金基体。 　　例如，连续纤维增强金属基复合材料一般选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金； 　　而颗粒、晶须增强金属基复合材料则选择具有高强度的铝合金。 （2） 用于450~700℃以下的复合材料基体 通过各种研究表明，在这个温度范围内可以作为金属基复合材料基体使用的，目前主要是钛及其合金。 　　钛有两种晶形，?--钛具有六方密堆积排列结构，低于885℃时稳定； ?--钛是体心立方结构，高于885℃时稳定。 金属铝能提高钛由?向?相转变的温度，所以铝是?相钛的稳定剂。 而大多数其