金屬基復(fù)合材料

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1、第六章金屬基復(fù)合材料1第一節(jié)金屬基復(fù)合材料的種類和基本性能隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對材科的要求越來越高。在結(jié)構(gòu)材料方面，不但要求強(qiáng)度高，還要求其重量要輕，尤其是在航空航天領(lǐng)域。金屬基復(fù)合材料正是為了滿足上述要求而誕生的。2金屬基復(fù)合材料相對于傳統(tǒng)的金屬材料來說，具有較高的比強(qiáng)度與比剛度；而與樹脂基復(fù)合材料相比，它又具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與耐熱性；與陶瓷基材料相比，它又具有高韌性和高沖擊性能。3金屬基復(fù)合材料的這些優(yōu)良的性能決定了它已從誕生之日起就成了新材料家族中的重要一員，它已經(jīng)在一些領(lǐng)域里得

2、到應(yīng)用并且其應(yīng)用領(lǐng)域正在逐步擴(kuò)大。4一、金屬基復(fù)合材料的種類金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體，以高強(qiáng)度的第二相為增強(qiáng)體而制得的復(fù)合材料。因此，對這種材料的分類既可按基體來進(jìn)行、也可按增強(qiáng)體來進(jìn)行。51．按基體分類(1)鋁基復(fù)合材料(2)鎳基復(fù)合樹樹(3)鈦基復(fù)合材料6(1)鋁基復(fù)合材料這是在金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用得最廣的一種。由于鋁的基體為面心立方結(jié)構(gòu)，因此具有良好的塑性和韌性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，為其在工程上應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。7在制造鋁基復(fù)合材料時，通常并不是使

3、用純鋁而是用各種鋁合金。這主要是由于與純鋁相比，鋁合金具有更好的綜合性能。至于選擇何種鋁合金做基體，則根據(jù)實際中對復(fù)合材料的性能需要來決定。8(2)鎳基復(fù)合材料這種復(fù)合材料是以鎳及鎳合金為基體制造的。由于鎳的高溫性能優(yōu)良，因此這種復(fù)合材料主要是用于制造高溫下工作的零部件。9人們研制鎳基復(fù)合材料的一個重要目的，即是希望用它來制造燃汽輪機(jī)的葉片，從而進(jìn)一步提高燃汽輪機(jī)的工作溫度。但目前由于制造工藝及可靠性等問題尚未解決，所以還未能取得滿意的結(jié)果。10(3)鈦基復(fù)合材料鈦比任何其它的結(jié)構(gòu)材料具有更高的

4、比強(qiáng)度。此外，鈦在中溫時比鋁合金能更好地保持其強(qiáng)度。11因此，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)速度從亞音速提高到超音速時，鈦比鋁合金顯示出了更大的優(yōu)越性。12隨著速度的進(jìn)一步加快，還需要改變飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用更細(xì)長的機(jī)冀和其它冀型，為此需要高剛度的材料，而纖維增強(qiáng)鈦恰可滿足這種對材料剛度的要求。13基體和增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)鈦基復(fù)合材料中最常用的增強(qiáng)體是硼纖維，這是由于鈦與硼的熱膨脹系數(shù)比較接近，如下表所示。142.按增強(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15(1)顆粒增強(qiáng)復(fù)

5、合材料這里的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是指彌散的硬質(zhì)增強(qiáng)相的體積超過20％的復(fù)合材料，而不包括那種彌散質(zhì)點(diǎn)體積比很低的彌散強(qiáng)化金屬。16此外，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的顆粒直徑和顆粒間距很大，一般大于1um。在這種復(fù)合材料中，增強(qiáng)相是主要的承載相，而基體的作用則在于傳遞載荷和便于加工。17雖然顆粒復(fù)合材料的強(qiáng)度通常取決于顆粒的直徑、間距和體積比，但是基體性能也很重要。除此以外，這種材料的性能還對界面性能及顆粒排列的幾何形狀十分敏感。18(2)層狀復(fù)合材料這種復(fù)合材料是指在韌性和成型性較好的金屬基體材料中，含有重復(fù)

6、排列的高強(qiáng)度、高模量片層狀增強(qiáng)物的復(fù)合材料。19層狀復(fù)合材料的強(qiáng)度和大尺寸增強(qiáng)物的性能比較接近，而與晶須或纖維類小尺寸增強(qiáng)物的性能差別較大。因為增強(qiáng)薄片在二維方向上的尺寸相當(dāng)于結(jié)構(gòu)件的大小，因此增強(qiáng)物中的缺陷可以成為長度和構(gòu)件相同的裂紋的核心。20由于薄片增強(qiáng)的強(qiáng)度不如纖維增強(qiáng)相高，因此層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的強(qiáng)度受到了限制。然而，在增強(qiáng)平面的各個方向上，薄片增強(qiáng)物對強(qiáng)度和模量都有增強(qiáng)效果，這與纖維單向增強(qiáng)的復(fù)合材料相比具有明顯的優(yōu)越性。21(3)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料中的纖維根據(jù)其長度的不同

7、可分為長纖維、短纖維和晶須，它們均屬于一維增強(qiáng)體。因此，由纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料均表現(xiàn)出明顯的各向異性特征。22當(dāng)韌性金屬基體用高強(qiáng)度脆性纖維增強(qiáng)時，基體的屈服和塑性流動是復(fù)合材料性能的主要特征，但纖維對復(fù)合材料彈性模量的增強(qiáng)具有相當(dāng)大的作用。232、金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的性質(zhì)雖然各種復(fù)合材料中的增強(qiáng)體不同，但它們都具有許多共性。由于纖維狀增強(qiáng)物能夠最有效地增強(qiáng)金屬基體，因此這里將對此進(jìn)行重點(diǎn)討論。24對纖維狀增強(qiáng)體性能的要求如下：(A)高強(qiáng)度。纖維的高強(qiáng)度首先是為了滿足復(fù)合材料強(qiáng)度的需要，其次還

8、可使整個加工制造過程簡單。25(B)高模量。對于金屬基復(fù)合材料而言，這種性能是非常重要的，這是為了使纖維承載時，基體不會發(fā)生大的塑性流動。(C)容易制造和價格低廉。如果在重要結(jié)構(gòu)上應(yīng)用，這個條件對工業(yè)生產(chǎn)的要求是十分必要的。26(D)化學(xué)穩(wěn)定性好。對所有纖維來說，在空氣中的穩(wěn)定性和對基體材料的穩(wěn)定性是很重要的。27(E)纖維的尺寸和形狀。對于采用固相制造法的金屬基復(fù)合材料，大直徑的圓纖維更加合適。由于纖維的表面積小，化學(xué)反應(yīng)也比較小，故借助金屬基體的塑性流動，這些纖維很容易和基體結(jié)合，28(F)