1、第第 3 3 章章 金屬基復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本原則金屬基復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本原則3.1 金屬基復(fù)合材料體系選擇及材料設(shè)計(jì)金屬基復(fù)合材料體系選擇及材料設(shè)計(jì) 潤(rùn)濕性差潤(rùn)濕性差 有界面反應(yīng)有界面反應(yīng) 液態(tài)法制備液態(tài)法制備 固態(tài)法制備固態(tài)法制備 關(guān)鍵問(wèn)題關(guān)鍵問(wèn)題相容性相容性化學(xué)化學(xué)力學(xué)力學(xué) 不存在完全相容不存在完全相容基體增強(qiáng)體體系基體增強(qiáng)體體系通過(guò)增強(qiáng)體表面處理增強(qiáng)體表面處理基體合金化基體合金化先進(jìn)的制備工藝先進(jìn)的制備工藝滿足性能要滿足性能要求的求的MMC得到一一. 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的體系選擇及材料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的體系選擇及材料設(shè)計(jì)最高溫度范最高溫度范圍選基體圍選基體350400Al、Mg及合金 低于65

2、0 Ti及其合金 高于1000 高溫合金 增強(qiáng)體增強(qiáng)體B 熱力學(xué)上與熱力學(xué)上與Al不相容，易生成有害化合物。涂層不相容，易生成有害化合物。涂層C 價(jià)格便宜，性能優(yōu)異，但潤(rùn)濕性差，高溫反應(yīng)價(jià)格便宜，性能優(yōu)異，但潤(rùn)濕性差，高溫反應(yīng)SiC 固態(tài)制備與固態(tài)制備與Al不反應(yīng)，液態(tài)潤(rùn)濕性差不反應(yīng)，液態(tài)潤(rùn)濕性差A(yù)l2O3 熱力學(xué)與熱力學(xué)與Al相容，價(jià)格貴、密度大相容，價(jià)格貴、密度大 基體基體Mg最主要的增強(qiáng)體是最主要的增強(qiáng)體是C纖維，但潤(rùn)濕性差，需表面處理纖維，但潤(rùn)濕性差，需表面處理Ti只有只有SiC與之相容性和潤(rùn)濕性好與之相容性和潤(rùn)濕性好高溫合金的增強(qiáng)體主要是高溫合金的增強(qiáng)體主要是W、Mo，密度大，價(jià)格貴

3、，密度大，價(jià)格貴一一. 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的體系選擇及材料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的體系選擇及材料設(shè)計(jì) 界面設(shè)計(jì)界面設(shè)計(jì)承受拉伸載荷承受疲勞或溫度交變變化 受沖擊載荷 界面結(jié)合適中 界面結(jié)合適中偏強(qiáng) 界面結(jié)合適中偏弱（1）弱界面結(jié)合，裂紋沿著界面形核并擴(kuò)展；）弱界面結(jié)合，裂紋沿著界面形核并擴(kuò)展；（2）強(qiáng)界面結(jié)合，且基體強(qiáng)度高，增強(qiáng)體將承載到它）強(qiáng)界面結(jié)合，且基體強(qiáng)度高，增強(qiáng)體將承載到它 們的斷裂應(yīng)力然后斷裂。們的斷裂應(yīng)力然后斷裂。（3）強(qiáng)界面結(jié)合，如果基體相對(duì)界面及增強(qiáng)體強(qiáng)度是）強(qiáng)界面結(jié)合，如果基體相對(duì)界面及增強(qiáng)體強(qiáng)度是 弱的，斷裂將發(fā)生在基體中。弱的，斷裂將發(fā)生在基體中。 界面設(shè)計(jì)界面設(shè)計(jì)一一. 結(jié)構(gòu)復(fù)合

4、材料的體系選擇及材料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的體系選擇及材料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能與增強(qiáng)體性能、含量及取向密切相關(guān)一一. 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的體系選擇及材料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的體系選擇及材料設(shè)計(jì) 界面設(shè)計(jì)界面設(shè)計(jì)界面上小的缺陷對(duì)材料彈性模量有嚴(yán)重影響界面上小的缺陷對(duì)材料彈性模量有嚴(yán)重影響梯度涂層梯度涂層化學(xué)成分及物化學(xué)成分及物理性能漸變理性能漸變解決相容性，改善潤(rùn)濕性解決相容性，改善潤(rùn)濕性反應(yīng)生長(zhǎng)復(fù)合材料反應(yīng)生長(zhǎng)復(fù)合材料制備過(guò)程中產(chǎn)生增強(qiáng)體制備過(guò)程中產(chǎn)生增強(qiáng)體理想界面理想界面化學(xué)、力學(xué)相容性好化學(xué)、力學(xué)相容性好多種性能綜合評(píng)價(jià)多種性能綜合評(píng)價(jià)用途不同，優(yōu)質(zhì)組合方式不同用途不同，優(yōu)質(zhì)組合方式不同單一材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)

5、單一材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)二二. 功能復(fù)合材料的體系選擇及材料設(shè)計(jì)功能復(fù)合材料的體系選擇及材料設(shè)計(jì)3.2 金屬基復(fù)合材料工藝方法的選擇金屬基復(fù)合材料工藝方法的選擇 增強(qiáng)體分散增強(qiáng)體分散增強(qiáng)體在基體中均勻分布增強(qiáng)體在基體中均勻分布 表面處理表面處理 增強(qiáng)體表面處理增強(qiáng)體表面處理 預(yù)制件質(zhì)量預(yù)制件質(zhì)量 預(yù)制件強(qiáng)度高、無(wú)裂紋預(yù)制件強(qiáng)度高、無(wú)裂紋3.3 基體材料選擇基體材料選擇 選擇原則一一. 金屬基復(fù)合材料使用要求金屬基復(fù)合材料使用要求 航天航空技術(shù) 比強(qiáng)度、比模量、尺寸穩(wěn)定 輕金屬：Al、Mg 高性能發(fā)動(dòng)機(jī) 高比強(qiáng)、比膜、耐高溫 Ni、Ti及金屬間化合物 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī) 耐熱、耐磨、導(dǎo)熱、高溫強(qiáng)度、低成本 Al

6、 電子工業(yè)集成電路 高導(dǎo)熱、低熱膨脹 Ag、Cu、Al 金屬基體金屬基體物理性物理性化學(xué)性化學(xué)性相容性相容性基體固結(jié)增強(qiáng)體傳遞和承受各種載荷的作用基體固結(jié)增強(qiáng)體傳遞和承受各種載荷的作用二二. 金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn) 連續(xù)纖維增強(qiáng)連續(xù)纖維增強(qiáng)MMC 基體與纖維有良好的潤(rùn)濕性基體與纖維有良好的潤(rùn)濕性 非連續(xù)增強(qiáng)非連續(xù)增強(qiáng)MMC 高強(qiáng)度基體高強(qiáng)度基體三三. 基體與增強(qiáng)物的相容性基體與增強(qiáng)物的相容性四四. 結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料基體結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料基體五五. 功能用復(fù)合材料基體功能用復(fù)合材料基體應(yīng)具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和良好的力學(xué)性應(yīng)具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和良好的力學(xué)性 Cu、Al高比強(qiáng)、

7、比剛度、高的結(jié)構(gòu)效率高比強(qiáng)、比剛度、高的結(jié)構(gòu)效率 Al 、Mg合金應(yīng)用航天航空、汽車(chē)、武器合金應(yīng)用航天航空、汽車(chē)、武器連續(xù)高溫使用連續(xù)高溫使用Ti、Ni、Co基發(fā)動(dòng)機(jī)基發(fā)動(dòng)機(jī)基體合金元素基體合金元素增強(qiáng)體與基體界面反應(yīng)增強(qiáng)體與基體界面反應(yīng)3.4 增強(qiáng)體選擇增強(qiáng)體選擇一. 增強(qiáng)物分類1. 纖維類增強(qiáng)物2. 顆粒類增強(qiáng)物3. 晶須類增強(qiáng)物陶瓷顆粒陶瓷顆粒 Al2O3、SiC金屬硬質(zhì)顆粒金屬硬質(zhì)顆粒 W、Mo、Cr增強(qiáng)物特性增強(qiáng)物特性高比強(qiáng)、比模量等高比強(qiáng)、比模量等化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性與金屬之間良好潤(rùn)濕性與金屬之間良好潤(rùn)濕性單晶纖維無(wú)缺陷但對(duì)滑移抗力小單晶纖維無(wú)缺陷但對(duì)滑移抗力小C纖維：強(qiáng)度纖維：強(qiáng)

8、度7000MPa， 模量模量400MPa汽車(chē)工業(yè)應(yīng)用廣泛汽車(chē)工業(yè)應(yīng)用廣泛晶須增強(qiáng)晶須增強(qiáng)AC8A做汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的活塞做汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的活塞二. 增強(qiáng)物表面處理干法：CVD、PVD濕法：電鍍及溶膠凝膠噴涂法：等離子、火焰、電弧CVDPVD噴涂在一定溫度下混合氣體與基體表面之間相互作用，在基體表面形成金屬或化合物的固態(tài)膜或鍍層真空條件，利用物理方法將材料氣化成原子、分子或使其電離成離子，通過(guò)氣相過(guò)程，在材料和基體表面沉積薄膜將待噴材料用熱源加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，再用高壓氣流令其霧化并噴射于工件表面，從而形成涂層（熱源）SiC顆粒表面化學(xué)鍍顆粒表面化學(xué)鍍Cu晶須表面鍍晶須表面鍍SnO2第第 4 4 章章

9、 金屬基復(fù)合材料的制造方法金屬基復(fù)合材料的制造方法關(guān)鍵問(wèn)題關(guān)鍵問(wèn)題 增強(qiáng)體在基體中的分布增強(qiáng)體在基體中的分布 增強(qiáng)體與基體相容性增強(qiáng)體與基體相容性 增強(qiáng)體與基體界面結(jié)構(gòu)及性能增強(qiáng)體與基體界面結(jié)構(gòu)及性能適合批量生產(chǎn)、接近最終形狀適合批量生產(chǎn)、接近最終形狀 影響影響MMC迅速發(fā)展和使用迅速發(fā)展和使用潤(rùn)濕、結(jié)合及反應(yīng)性潤(rùn)濕、結(jié)合及反應(yīng)性均勻性均勻性4.1 金屬基復(fù)合材料制造的難點(diǎn)及解決途徑金屬基復(fù)合材料制造的難點(diǎn)及解決途徑1MMC在高溫制造時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)、在高溫制造時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)、氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)界面反應(yīng)基體與增強(qiáng)體之間的結(jié)合強(qiáng)度有效傳遞載荷有效阻止裂紋擴(kuò)展提高實(shí)現(xiàn)制造難點(diǎn)制造難點(diǎn)嚴(yán)

10、格嚴(yán)格控制控制損傷纖維、造成界面分離MMC制造的必要條件制造的必要條件金屬需具備足夠的流動(dòng)性、成型性金屬需具備足夠的流動(dòng)性、成型性金屬與增強(qiáng)體具有良好的潤(rùn)濕性金屬與增強(qiáng)體具有良好的潤(rùn)濕性4.1 金屬基復(fù)合材料制造的難點(diǎn)及解決途徑金屬基復(fù)合材料制造的難點(diǎn)及解決途徑三三. 增強(qiáng)物在基體中含量、分布、均勻性增強(qiáng)物在基體中含量、分布、均勻性金屬需滲入增強(qiáng)體間隙中，否則難以實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合金屬需滲入增強(qiáng)體間隙中，否則難以實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合增強(qiáng)體尺寸、形狀、聚集狀態(tài)以及物理、化學(xué)特性不同增強(qiáng)體尺寸、形狀、聚集狀態(tài)以及物理、化學(xué)特性不同制造難點(diǎn)制造難點(diǎn)二、金屬基體與增強(qiáng)物之間的潤(rùn)濕性差二、金屬基體與增強(qiáng)物之間的潤(rùn)

11、濕性差1增強(qiáng)物表面處理增強(qiáng)物表面處理 有效防止界面反應(yīng)及相互擴(kuò)散有效防止界面反應(yīng)及相互擴(kuò)散 有效改善基體與增強(qiáng)物間潤(rùn)濕性有效改善基體與增強(qiáng)物間潤(rùn)濕性 優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和性能2加入合適的合金元素，優(yōu)化基體合金元素加入合適的合金元素，優(yōu)化基體合金元素 有效改善基體與增強(qiáng)體潤(rùn)濕性有效改善基體與增強(qiáng)體潤(rùn)濕性 有效防止界面反應(yīng)有效防止界面反應(yīng)三三. 優(yōu)化工藝方法及工藝參數(shù)優(yōu)化工藝方法及工藝參數(shù)解決途徑解決途徑 涂層Al中加入Bi、Ti、Pb溫度時(shí)間與4.2 金屬基復(fù)合材料制造方法分類金屬基復(fù)合材料制造方法分類固態(tài)法液態(tài)法自生成法粉末冶金法熱壓法熱等靜壓法擠壓鑄造攪拌制造熱噴鍍法界面反應(yīng)弱金

12、屬流動(dòng)性好易進(jìn)入間隙中良好的相容性反應(yīng)元素反應(yīng)氣體一一. 固態(tài)法固態(tài)法1. 擴(kuò)散結(jié)合擴(kuò)散結(jié)合 纖維的排布纖維的排布 MMC的疊合與真空封裝的疊合與真空封裝 熱壓熱壓2. 粉末冶金粉末冶金 機(jī)械混粉機(jī)械混粉 封裝除氣封裝除氣 冷等靜壓（熱等靜壓）冷等靜壓（熱等靜壓）優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)界面反應(yīng)少界面反應(yīng)少增強(qiáng)材料與基體任意比例混合增強(qiáng)材料與基體任意比例混合降低增強(qiáng)體與基體潤(rùn)濕要求降低增強(qiáng)體與基體潤(rùn)濕要求組織均勻、細(xì)化、致密組織均勻、細(xì)化、致密可二次加工可二次加工二二. 液態(tài)法液態(tài)法1. 壓鑄壓鑄 工藝參數(shù)工藝參數(shù) 熔融金屬溫度熔融金屬溫度 模具預(yù)熱溫度模具預(yù)熱溫度 使用壓力使用壓力 加壓速度加壓速度2. 半

13、固態(tài)復(fù)合鑄造半固態(tài)復(fù)合鑄造3. 無(wú)壓滲透無(wú)壓滲透三三. 噴涂與噴射沉積噴涂與噴射沉積噴涂沉積噴涂沉積 用于制備纖維增強(qiáng)用于制備纖維增強(qiáng)MMC噴射沉積噴射沉積 用于制備顆粒增強(qiáng)用于制備顆粒增強(qiáng)MMC優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)高致密度高致密度晶粒組織細(xì)化晶粒組織細(xì)化工藝簡(jiǎn)單工藝簡(jiǎn)單四四. 原位復(fù)合原位復(fù)合增強(qiáng)體材料直接從基體金屬中生成增強(qiáng)體材料直接從基體金屬中生成優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)界面結(jié)合好界面結(jié)合好生成相熱力學(xué)穩(wěn)定性好生成相熱力學(xué)穩(wěn)定性好不存在潤(rùn)濕性及界面反應(yīng)問(wèn)題不存在潤(rùn)濕性及界面反應(yīng)問(wèn)題4.3 金屬基復(fù)合材料的二次加工金屬基復(fù)合材料的二次加工1鑄造成型鑄造成型二二. 擠壓模鍛塑性成型擠壓模鍛塑性成型三三. 機(jī)械加工機(jī)械加

14、工擠壓溫度擠壓速度擠壓比切削、研磨鉆孔切割焊接 攪拌鑄造法 噴射沉積法 粉末冶金法 擠壓鑄造法復(fù)合材料制備復(fù)合材料制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 顆粒和晶須混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備工藝路線制備工藝路線晶須制備晶須預(yù)制件制備晶須表面處理模具晶須預(yù)制件成型加壓電爐加熱燒結(jié)擠壓鑄造毛坯熱 擠 壓 等二次加工液態(tài)鋁合金擠壓模具晶須預(yù)制件預(yù)熱加壓擠壓鑄造法擠壓鑄造法放入晶須分散晶須分散 表面處理表面處理過(guò)濾過(guò)濾成型成型干燥干燥 ( 90 )燒成燒成 ( 8001000 )復(fù)合材料制備工藝 晶須預(yù)制件制備晶須預(yù)制件制備晶須的涂覆晶須的涂覆原始態(tài)晶須 SE有涂層的晶須 SEJoining of alumina borate whisker reinforced aluminum composite in a semi-solid stateJour