1、,課程：金屬基復合材料,教師：崔巖教授,組員：李豐、劉園園,班級：機研-14,主講：李豐,金屬基復合材料的應(yīng)用,汽車工業(yè)的應(yīng)用 and 其他工業(yè)的應(yīng)用,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇,其他工業(yè)的應(yīng)用篇,1、內(nèi)燃機方面 2、制動系統(tǒng) 3、傳動系統(tǒng) 4、其他應(yīng)用,1、電力行業(yè) 2、體育用品 3、電子和光學儀器 4、其他領(lǐng)域,金屬基復合材料用于汽車工業(yè)主要是顆粒增強和短纖維增強的鋁基、鎂基、鈦合金等有色合金基復合材料。由于鋁合金、鎂合金等是傳統(tǒng)的輕質(zhì)材料，隨著汽車輕量化進程的不斷推進和科學技術(shù)的日益進步，將來在汽車工業(yè)中采用鋁合金、鎂合金的要求越來越高，要求其具有良好的耐磨、抗腐蝕、耐熱和尺寸穩(wěn)定性，并且要求質(zhì)量

2、更輕，強度、剛度更高。,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇內(nèi)燃機方面,活塞,01、活塞是汽車發(fā)動機中傳遞能量的一個非常重要的構(gòu)件 02、工作條件：高溫高壓及高應(yīng)力狀態(tài)，并與活塞環(huán)、氣缸壁之間不斷產(chǎn)生摩擦，潤滑條件不充分，工作條件極其惡劣。 03、傳統(tǒng)材料：鋁硅合金/鑄鐵,活塞環(huán),活塞,活塞銷,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇內(nèi)燃機方面,活塞,04、隨著發(fā)動機向大功率、高速度、低能耗的方向發(fā)展 ,對活塞材料提出了越來越高的要求。,活塞鑲環(huán),部分應(yīng)用實例,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇內(nèi)燃機方面,活塞,市場供應(yīng),日本豐田汽車,豐田汽車 活塞配件,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇內(nèi)燃機方面,缸體及缸套,01、用 MMC生產(chǎn)內(nèi)燃式發(fā)動機缸體具有很大的技術(shù)意義 ,因

3、為這一部件的世界年銷售量很大 , MMC用于這一部件的突破預示它作為大工業(yè)主體材料時代的到來。 02、 性能要求：由于氣缸承受高溫載荷，需要具備抗磨損、耐擦傷、耐疲勞和抗蠕變等各種性能。,發(fā)動機缸體,發(fā)動機缸套,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇內(nèi)燃機方面,缸體及缸套,03、實驗表明采用含量為10%20%氧化鋁或碳化硅非連續(xù)增強鋁基復合材料涂層制造缸套，可減少質(zhì)量34.5Kg，并可提高發(fā)動機工作效率，改善熱傳導，提高缸體剛性和尺寸穩(wěn)定性，減少摩擦。,過共晶鋁硅合金氣缸體/套,鋁合金氣缸體，鑄鐵氣缸套,（重量減輕許多）,（生產(chǎn)率低而生產(chǎn)成本高）,（缸體內(nèi)徑部位 得到增強）,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇內(nèi)燃機方面,缸體及缸套,

4、初代的本田Prelude的1.8L排量的EK型發(fā)動機,日本本田氣缸體,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇內(nèi)燃機方面,01、連桿是發(fā)動機的運動件,減輕其重量就能降低發(fā)動機噪聲和振動;減小其摩擦損失,發(fā)動機燃油消耗率就能得到改善。,發(fā)動機活塞連桿,連桿,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇內(nèi)燃機方面,豐田86漂移賽車 發(fā)動機,連桿,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇內(nèi)燃機方面,搖臂,01、轎車發(fā)動機中的搖臂是主要的運動部件之一，因此減小它的質(zhì)量對節(jié)省燃油，提高燃油效率，減少排放具有非常積極的意義，它的頭部要求有良好的耐磨性。,發(fā)動機搖臂,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇內(nèi)燃機方面,搖臂,02、日本采用鋁合金上鑲嵌硬質(zhì)合金頭的技術(shù)，與鋼搖臂相比，既減小了質(zhì)量，也滿足了耐

5、磨的要求。而采用鋁基復合材料搖臂，質(zhì)量將更小，優(yōu)異的耐磨性能可提高搖臂的工作效率和工作壽命，較小的質(zhì)量可使搖臂的運動慣性減小，節(jié)省了燃油，提高了發(fā)動機的燃油效率，降低了排放。,發(fā)動機搖臂,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇內(nèi)燃機方面,搖臂,03、典型的金屬基復合材料硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金是指以一種或幾種難熔碳化物（如碳化鎢、碳化鈦等）的粉末為主要成分，加人起粘結(jié)作用的金屬鈷粉末，用粉末冶金法制得的材料。 04、硬質(zhì)合金的性能特點 硬質(zhì)合金硬度極高，高于任何一種鋼，且熱硬性、耐磨性好，一般做成刀片，鑲在刀體上使用。脆性大。,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇內(nèi)燃機方面,搖臂,硬質(zhì)合金刀具,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇制動系統(tǒng),制動盤,01、制動盤

6、一直都是用鑄鐵或鍛鋼制造的 ,鑄鐵耐磨性 好、熱穩(wěn)定性高 ,但密度很大 ,而對于制動盤往往希望能 減小其質(zhì)量 ,當然減小質(zhì)量的同時還必須具有很高的耐 磨性 ,輕合金材料 (如鋁合金 )顯然是無法勝任的 ,也就 使得用鋁基 MMC作替代材料非常具有吸引力。,制動盤,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇制動系統(tǒng),制動盤,Lotus Elise跑車,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇制動系統(tǒng),制動盤,制動盤性能對比,C/C復合材料作為剎車盤,02、我國中南大學的黃伯云院士制備C/C復合材料已經(jīng)應(yīng)用了剎車盤。,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇傳動系統(tǒng),離合器/傳動軸,01、汽車靠離合器摩擦盤來傳遞動力,離合器的使用壽命,主要取決于從動盤摩擦片的耐磨性,鋁

7、 基復合材料的耐磨性,導熱性好,可用它來做離合器摩擦片。 02、汽車傳動軸是由管材制造的,它將動力傳遞到減速器,工作時要求有極高的動力穩(wěn)定性和抗扭曲能力,發(fā)生動力學不穩(wěn)定的臨界轉(zhuǎn)速w取決于軸尺寸和管材的剛度和密度。,離合器,傳動軸,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇傳動系統(tǒng),離合器/傳動軸,03、MMCs管材由MMSc鑄錠無縫接擠壓法制造。,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇其他應(yīng)用,其他應(yīng)用,01、MMC用于制造汽車零件的實例還有很多,例如用石墨纖維增強的MMC制造推桿、缸蓋、凸輪軸支架、進氣門、彈簧座、活塞環(huán)等多種汽車零件。石墨-鋁基MMC在中等載荷和油潤滑條件下可以代替銅基和錫基軸承合金制作軸承 ,其質(zhì)量減小 ,耐磨性又好

8、?？梢灶A期 ,今后MMC在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍一定會不斷擴大。,軸承,缸蓋,彈簧座,金屬基復合材料還用于制造高爾夫球桿頭,自行車鏈輪以及醫(yī)療上的假肢等等。近年來,金屬基復合材料在電力行業(yè)、體育用品、電子與光學儀器及其他領(lǐng)域均有應(yīng)用，其應(yīng)用范圍將不斷擴大，在未來一段時間內(nèi)將有顯著的發(fā)展趨勢。,高爾夫球桿,自行車鏈輪,其他工業(yè)的應(yīng)用篇電力行業(yè),01、為支撐傳統(tǒng)的高架輸電用鋼芯鋁絞線的質(zhì)量, 需要造昂貴的輸電塔, 這促使人們開發(fā)高強、低密度導線。據(jù)報道, 3M 公司開發(fā)的氧化鋁纖維增強鋁基 MMCs(Al/Saffil)導線, 用于取代現(xiàn)有鋁絞線的鋼芯, 經(jīng)測試比強度提高 2 3倍, 電導提高 4倍

9、, 熱膨脹降低一半,腐蝕性也降低。雖然新型 MMCs導線的價格較貴, 但是可以降低建造支撐塔成本的 15% 20% , 并且可以提高輸電能力并降低電耗。 02、法國的EDF公司和美國的3M公司聯(lián)合研制的一種新型纖維增強鋁基復合材料導線，因其導電性好，環(huán)境適應(yīng)性好，耐腐蝕特點在電力傳輸方面應(yīng)用前景良好。,電線,其他工業(yè)的應(yīng)用篇電力行業(yè),Saffil纖維增強鋁基輸電線纜（a）、輸電塔（b）,各種輸電導線,其他工業(yè)的應(yīng)用篇體育用品,01、自從1979年第一個碳纖維復合材料網(wǎng)球拍在臺灣誕生以來,幾乎所有的體育器件(如釣魚桿、高爾夫球桿、自行車、滑雪板)都在更換材料,即采用高強度、高模量又低密度的復合材

10、 料代替原先的木材和金屬材料。加拿大的lAcan公司已用碳化硅顆粒增強鋁基復合材料成 功地制造了高爾夫球桿試制品以及網(wǎng)球拍等高級體育用品。,滑雪板,釣魚竿,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇體育用品,02、Duralcan公司己研制的碳化硅鋁基復合材料,己用來制造自行車鏈齒輪,此種自行車鏈齒輪重量輕(只有127克)、剛度高、不易撓曲變形,性能明顯優(yōu)于鋁合金鏈齒輪,現(xiàn)己廣泛用于越野自行車賽車上。,越野自行車,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇電子和光學儀器,01、鋁基復合材料,特別是碳化硅增強鋁基復合材料,由于具有熱膨脹系數(shù)小、密度低、導熱性能好等優(yōu)點,適合于制造電子器材的襯裝材料、散熱片等電子器件。碳化硅增強的鋁基復合材料作為電

11、子封裝材料己成為鋁基復合材料最重要的發(fā)展方向之一,最典型的材料是顆粒(碳化硅)增強鋁基復合材料,它的熱膨脹系數(shù)(CTE)完全可以與電子器件材料的熱膨脹相匹配,而且導電、導熱性能也非常好。 02、 BIM 公司就是利用顆粒增強鋁基復合材料的上述性能優(yōu)點,在MCM,器件中使用該材料封裝和改進冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使其工作時產(chǎn)生的熱量迅速擴散,提高了該元件的有效性。,汽車工業(yè)的應(yīng)用篇電子和光學儀器,03、在精密儀器和光學儀器的應(yīng)用研究方面,國外也進行了大量的工作。美 國的亞利桑那大學研制了一種超輕望遠鏡,其支架和副鏡等也是鋁基復合材料制 造的。此外,慣性導航系統(tǒng)的精密零件、旋轉(zhuǎn)掃描鏡、紅外觀測鏡、激光鏡、激

12、光陀螺儀、反射鏡、鏡子底座和光學儀器托架等許多精密儀器和光學儀器,其制造材料也采用碳化硅顆粒增強鋁基復合材料,顯微鏡,望遠鏡,其他工業(yè)的應(yīng)用篇其他領(lǐng)域,01、MMCs的其他領(lǐng)域的應(yīng)用涵蓋制造業(yè)及基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域, 既包括硬質(zhì)合金、電鍍及燒結(jié)金剛石工具、Cu基及 Ag基電觸頭材料等成熟市場, 也包括 T i C增強鐵基耐磨材料、 B4C增強鋁基中子吸收材料等新興市場。這些新興市場的表現(xiàn)在很大程度上決定著 MMCs的未來增長點。,其他工業(yè)的應(yīng)用篇其他領(lǐng)域,02、鐵基復合材料的制備和應(yīng)用是提高鋼鐵材料性能的重要研究方向。低密度、高剛度和高強度的增強體顆粒加入到鋼鐵基體中, 在降低材料密度的同時, 提高了

13、它的彈性模量、硬度、耐磨性和高溫性能, 可應(yīng)用于切削、軋制、噴丸、沖壓、穿孔、拉拔、模壓成型等工業(yè)領(lǐng)域。目前應(yīng)用最多的是 TiC顆粒增強鐵基復合材料,例如注冊商標為 Ferro-TiC, A lloy -T i C 和 Ferro -Titanit的鋼基硬質(zhì)合金, 用作抗磨材料和高溫結(jié)構(gòu)材料, 性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的工具鋼。,超硬耐磨的TC增強鐵基復合材料,其他工業(yè)的應(yīng)用篇其他領(lǐng)域,03、核能是世界各國應(yīng)對能源和環(huán)境壓力的必然選擇。為確保安全, 貯存及運輸高放射性廢核燃料的容器在核防護的同時還必須具有耐久可靠的機械性能。B4Cp /Al是一種新型 MMCs, 具有優(yōu)異的中子吸收性能, 是唯一可用于

14、廢核燃料貯存和運輸?shù)慕饘倩鶑秃喜牧?。目?已有 BorTec,METAM IC和 Talbor等多種 B4Cp/Al材料獲得美國核能管理委員會 (NRC)核準, 可以用于制造核廢料貯存桶的中子吸收內(nèi)膽、廢燃料棒貯存水池的隔板等。,B4Cp/Al用于廢核燃料貯存（a）、貯存桶（b）,其他工業(yè)的應(yīng)用篇其他領(lǐng)域,04、美國 Alloy Technology International 公司開發(fā)了熱等靜壓法制造 TiC 復合材料。例如 Cs-40是以含 20%Cr的不銹鋼為基體,摻和 45%( 體積) TiC的復合材料 ,可以用于制造標準件、閥座和機械密封件。它在油中或惰性氣體下淬火, 硬度達到HRC

15、68,此類材料對食品加工所需要的環(huán)境具有良好的橫向破斷強度,可用作工具及承受很高的彎曲和拉伸應(yīng)力的制品,最易切削加工,并具有良好的耐熱震性。在磨損條件下使用與工具鋼相比,壽命提高約20倍。,其他工業(yè)的應(yīng)用篇其他領(lǐng)域,05、日本 Kurimoto 公司研制了由燒結(jié)碳化鎢合金粉和高鉻鑄鐵組成的復合材料,在一層燒結(jié)碳化鎢合金粉上澆注熔化的高絡(luò)鑄鐵形成復合板。新開發(fā)的這種超級耐腐復合材料,用作運輸機的襯板,工作壽命超過670d。而原來用的高絡(luò)鑄鐵僅為 3050d。日本富士電機公司開發(fā)了用以制作水輪機和水泵等部件的耐氣蝕、 耐砂土腐蝕的復合材料,金屬基體是一種雙相不銹鋼 (質(zhì)量分數(shù): Cr 20%30% , Ni 3%10%,Mo1%5%),硬質(zhì)顆粒為Cr3C2、SiC、WC等，添加量5%60%(質(zhì)量分數(shù))。比原來用的 Cr13 鑄鋼件的耐氣蝕性提高10倍。,其他工業(yè)的應(yīng)用篇其他領(lǐng)域,06、西德蒂森特鋼公司用粉末冶金法生產(chǎn)了Ferro-Titantit復合